Baterias de chumbo

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Baterias de chumbo

  1. 1. Mobilidade Eléctrica Baterias de Chumbo Energia Química22-12-2011 Formador: Luís Timóteo 1
  2. 2. Electrónica Analógica Invenção da Bateria Mais de 30 anos antes de Faraday produzir a electricidade, movendo um fio num campo magnético, Alessandro Volta, em 1800, descobria uma forma diferente de gerar electricidade. Volta, descobriu que dois metais diferentes separados por um electrólito produziam uma pequena voltagem que poderiam conduzir uma corrente através de um circuito externo que se ligava entre os dois eléctrodos de metal. Assim, foi inventada a célula electroquímica, predecessor da bateria moderna. Diferentes combinações de materiais de eléctrodos produzem diferentes tensões, geralmente na faixa de 1-2 V. Tensões superiores são alcançadas pelo empilhamento de várias células electroquímicas em série para formar uma bateria. A tensão de um sistema electroquímico tem uma polaridade constante, por isso, a corrente sempre flui numa única direcção. Este tipo de fluxo de corrente é chamada de Corrente Contínua (DC), em contraste com a corrente alternada produzida pelos geradores electromecânicos. As células electroquímicas em uso comum hoje em dia (mais comummente chamadas de baterias) fornecem níveis relativamente baixos de energia e potência adequada para pequenos aparelhosIntrodução electrónicos. Baterias maiores, como as utilizadas em automóveis, proporcionam uma maior quantidade de energia (com correntes acima de 100 amperes) por períodos curtos. Eventualmente, porém, todas as baterias se esgotam, e devem ser substituídas, incluindo as baterias recarregáveis. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 2
  3. 3. Electrónica Analógica Generalidades das Baterias A maioria das baterias convertem a energia química em energia eléctrica com uma eficiência de cerca de 90%. Isto pode ser comparado com os ganhos de eficiência muito menor que normalmente caracterizam a conversão de calor em trabalho (3,040%). No entanto, é importante lembrar que a energia necessária para a fabricação de células electroquímicas é considerável . Metais e minerais devem ser extraídos e processados, e os vários componentes fabricados e montados. Além disso, a bateria tem uma vida finita. Cedo ou tarde, a reacção química vai chegar ao fim, a tensão irá cair para zero, e os electrões não fluem mais. A bateria estará "morta" e pronta para eliminação/reciclagem sendo a eliminação um problema razoável. Em Fevereiro de 1993, a National Geographic informou que cerca de dois bilhões e meio de baterias domésticas são compradas a cada ano nos Estados Unidos. Destas, mais de 90% são baterias de uso único (vulgo pilhas) que encontram o seu caminho em aterros ou incineradoras. Existem várias classes de baterias. Uma bateria primária não pode ser recarregada, por isso é jogado fora quando a bateria está "morta", isto é, quando os componentes atingiram suas concentrações de equilíbrio. Em contraste, quando uma bateria secundária, ou bateria recarregável, descarrega, é recarregada através do fornecimento de energia eléctrica paraIntrodução reverter a reacção celular e reformar os reagentes. Em outras palavras, neste tipo de bateria, as células fotovoltaicas são periodicamente convertidas em células electrolíticas para restaurar as concentrações de equilíbrio. A célula de combustível, ou de bateria de fluxo, é aquela que não é auto-suficiente e tem que se fornecer continuamente um ou mais reagentes… 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 3
  4. 4. Electrónica Analógica Tecnologias de Baterias Baterias são dispositivos que convertem a energia química em energia eléctrica. Principais Tecnologias:  Chumbo-Ácido.  Nickel-Cadmium.  Nickel-Metal Hydride.  Li-ion.Introdução 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 4
  5. 5. Electrónica Analógica Importância do Armazenamento da Energia: As Pilhas e Baterias Electrónicos portáteis Veículos Eléctricos Tesla Roadster Pilha é uma fonte portátil de energia , resultante de reacções químicas que ocorrem no seu interior, ou seja, um gerador portátil. Desde o início dos tempos, o homem sempre desejou dominar a energia disponibilizando-a quando e onde quiser. Uma pilha, é portanto, uma fonte de energia portátil que se consome à medida que se utiliza. Dispositivos de Implante Armazenamento das Energias Renováveis e de Rede Solar EólicaIntrodução 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 5
  6. 6. Electrónica Analógica Importância do Armazenamento da Energia Uma pilha ou bateria é um dispositivo que transforma energia química em energia eléctrica. A pilha tem três partes: os eléctrodos, o electrólito e o recipiente. Os eléctrodos são os condutores de corrente da pilha. O electrólito é a solução que age sobre os eléctrodos. O recipiente guarda o electrólito e suporta os eléctrodos. Existem dois tipos básicos de pilhas. A pilha primária é uma pilha na qual a reacção química acaba por destruir um dos eléctrodos, normalmente o negativo. A pilha primária não pode ser recarregada. A pilha secundária é uma pilha (mais conhecida com Bateria ou mesmo acumulador)Introdução na qual as acções químicas alteram os eléctrodos e o electrólito. Os eléctrodos e o electrólito podem ser restaurados à sua condição original pela recarga da pilha. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 6
  7. 7. Electrónica Analógica Importância do Armazenamento da Energia  O termo “bateria”, entre nós, entende-se por recarregável e pode ser a soma de uma ou mais pilhas!... O ânodo é o eléctrodo (pólo/terminal) negativo de uma pilha ou bateria. Fornece electrões . Ião negativo. É onde se dá “Oxidação”, isto é o material destrói-se com a reacção química . O cátodo é o eléctrodo (pólo/terminal) positivo de uma pilha ou bateria. Recebe electrões. Ião positivo. É onde se dá a “Redução”, isto é o material ganha substância da reacção química. As pilhas primárias não são recarregáveis , e consequentemente ficam inúteis depois da descarga. Muitas destas pilhas são “pilhas secas “, pilhas em que o electrólito não é um líquido mas uma pasta ou similar. A pilha estará activa até que os materiais dosIntrodução eléctrodos se decomponha, sendo depois um perigo para a saúde pública que deve ser reciclado convenientemente. Geralmente as pilhas primárias têm um capacidade inicial e uma tensão mais elevadas dos que as pilhas secundárias (baterias recarregáveis). 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 7
  8. 8. Electrónica Analógica Pilhas Primárias Características da pilhas primárias. Aplicações: Vantagens: Desvantagens: Aparelhos portáteis. Baratas. Só uma utilização. Lanternas de iluminação. Convenientes. Grande quantidade a ser reciclada. Brinquedos. Leves. Pilhas colocado em aterros têm um impacto ambiental Memória back-up. Bom prazo de armazenamento. grave. Relógios. Alta densidade de energia para Ciclo de vida/eficiência energética do ciclo de <2%. Aparelhos auditivos. descargas baixas/moderadas. Rádios. Implantes médicos. Sistemas de Defesa (mísseis). Pilhas Leclanché (zinco carbono ou pilha seca) Pilhas Alcalinas. Pilhas de Lítio. Pilhas de Oxido de Mercúrio. Pilhas de Lítio c/Cátodo liquido. Pilhas Zinco/MnO2. Pilhas de Lítio c/Cátodo sólido. Pilhas Alumínio/Ar. Pilhas de Lítio c/Electrólito sólido.Introdução Pilhas Magnésio-Cloreto de Cobre Pilhas Lítio-ferro. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 8
  9. 9. Electrónica Analógica Pilhas secundárias – (Recarregáveis/Baterias) Baterias ácidas de Chumbo Pilhas Zinco/MnO2 Pilhas/Baterias de Níquel/Cádmio Pilhas Níquel/Metal Hidreto (NiMH) Baterias de Iões de Lítio Pilhas Alcalinas Manganésio recarregáveis ETC…. A capacidade de uma bateria define a sua a capacidade energética e é expressa em ampère-hora (1 A/h = 3600 coulombs). Se uma bateria debita um ampere (1 A)Introdução de corrente (fluxo) por uma hora, tem uma capacidade de 1 A/h. Se puder fornecer 1 A por 10 horas, sua capacidade é 10 A/h. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 9
  10. 10. Electrónica Analógica Gaston Planté : Bateria de Chumbo Gaston Planté ( 1834-1869): Orthez, França. As suas primeiras experiências no domínio da electricidade, levaram-no, em 1859, à construção de uma bateria para acumular energia eléctrica. Borracha Borracha Folhas de Chumbo H2SO4 + H2O Este seu primeiro modelo de acumulador, chamado de Planté, era constituído basicamente por duas lâminas de chumbo, separadas por tiras de borracha e enroladas como um cilindro que se emergia numa solução aquosa ácida a 10% de ácido sulfúrico. No ano seguinte Planté apresentou à Academia Real das Ciências uma bateria com noveHistória elementos iguais ao do seu primeiro modelo numa caixa de vidro e com terminais ligados em paralelo (2,1Volts). Embora hoje se usem seis elementos em série que perfaz 12,6V, usadas como baterias de arranque nos automóveis de hoje. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 10
  11. 11. Electrónica Analógica Gaston Planté : Bateria de Chumbo A capacidade inicial era muito limitada dado que a placa do positivo tinha pouco material activo disponível para a reacção, a força electromotriz deste acumulador, também chamado de chumbo ou ácido, era de 2,1 V. Este modelo foi sofrendo sucessivamente melhorias ao longo dos tempos, tantos nos materiais, como nos processos da fabricação, destacando-se a figura de Camille Alphonse Faure que, em 1881, tornava o modelo de Planté mais eficiente e aplicou-o desde logo à tracção eléctrica. Posteriormente, a evolução deste modelo, tornou-o num grande sucesso comercial na recém indústria de automóveis eléctricos. Embora rudimentar, o primeiro modelo de acumulador tornou Gaston PlantéHistória reconhecidamente como o inventor da bateria recarregável, a bateria de Chumbo/ácida tal como hoje a conhecemos nos veículos motorizados. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 11
  12. 12. Electrónica Analógica Baterias de Chumbo  É a bateria típica de 12-V usada nos automóveis . A bateria de chumbo-ácido tem seis células ligadas em série, cada uma das quais fornece cerca de 2 V. Cada célula contém duas grades de chumbo compactado com o material do eléctrodo: o ânodo é esponjoso e composto por amalgama de Pb (Chumbo) em pó , e o cátodo é composto por amalgama de pó de PbO2 (dióxido de chumbo. As grades estão imersas em uma solução electrolítica de água e ácido sulfúrico H2O +H2SO4. Folhas de fibra de vidro entre as grades evitam curto-circuito por contacto físico espontâneo. Quando descarrega as células, gera energia eléctrica como uma célula voltaica.Baterias de Chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 12
  13. 13. Electrónica Analógica Baterias de Chumbo Vantagens: Fornece um grande impulso de corrente ao motor de arranque do motor, tem durabilidade, confiável; eficaz em baixas temperaturas. . Desvantagens:  1. Perda de capacidade: PbSO4, que é necessário na fase de recarga, para recompor as grades da bateria durante a carga da bateria. Tensão mecânica e normal funcionamento pode desalojar PbSO4 e reduzir a capacidade da bateria. Se PbSO4 uma quantidade suficiente é perdida, a célula não pode ser recarregada.  2. Segurança perigo: as baterias mais velhas têm uma tampa em cada célula para monitorar densidade do electrólito e repor a água perdida durante a descarga. Durante a recarga, um pouco de água pode electrolisar em H2 e O2 e, se houverBaterias de Chumbo ignição, os gases podem explodir e espalhar H2SO4. As baterias modernas usam uma liga de chumbo que inibe a electrólise e reduz a perda de água, são a baterias seladas. Pb(s) + SO42-(aq) --> PbSO4(s) + 2e- 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 13
  14. 14. Electrónica Analógica Tampa com válvula de Bateria de Chumbo: Estrutura segurança de pressão e desgasificação centralizada Placas Positivas Caixa e Tampa robustas Placa Positiva Grelha PositivaBaterias de Chumbo Bloco de Placas Placas Negativas Placa Negativa Grelha Negativa 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 14
  15. 15. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Grelhas 1- Grades de Chumbo-Antimónio ou Chumbo-Cálcio.Baterias de Chumbo 2A - Material de enchimento - Teróxido de Chumbo. 2B – Material de enchimento – Chumbo esponjoso. 3 – Fibra de vidro. Nota: A solução de ácido sulfúrico diluído deve submergir ambas as placas totalmente. Notar que a fibra de vidro, ao meio , deve estar entre ambas as placas. As cores verde e púrpura são os separadores inter-células, ás quais as placas estão ligadas. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 15
  16. 16. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Estrutura1. Tampas seladas 4. PastilhasImpede o vazamento do electrólito. Protecção antichama em dose dupla.2. Indicador de carga 5. Conexões internasMelhor visualização do estado de carga da bateria. Mais robustas, com chumbo de alta pureza; menor3. Pólos terminais autodescarga.Sem porosidade, com encaixe perfeito, evitando 6. Caixao vazamento de ácido sulfúrico. Feita em polipropileno, resistente à toda prova. 7. Bloco de placas Sistema automatizado de montagem, garantindo melhor performance eléctrica e mecânica. 8. Separadores de polietileno Tipo envelope, conferindo maior protecção contra vibrações e curto-circuitos. 9. Grade negativa expandida 10. Bandeira central Melhor condutividade eléctrica, gerando mais energia e13. Tecnologia Patenteada facilidade nas partidas.Grades Positivas Laminadas eEstampadas de alta performance. 11. Placa negativa 12. Placa positiva22-12-2011 Por : Luís Timóteo 16
  17. 17. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Design. Pólo (+) Ponte de Pólos (+) Set de Placas positivas Pólo (-) Ponte de Pólos (-) Outros FormatosBaterias de Chumbo Set de Placas positivas Reacção: Ligação Série  No processo químico há libertação de hidrogénioe e formação de Sulfatos. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 17
  18. 18. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Design. Bateria típica para aplicações estacionárias Stopper Conectores (Pólos) Electrólito SeparadorBaterias de Chumbo Placa Neg. (Gradeada) Placa Pos. (tubular) Espaço para detritos 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 18
  19. 19. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Tradicional Ventilada Aberta Vented lead- acid-battery gassing No final do carregamento da bateria chumbo- ácida, são produzidos gases nas placas da bateria. O principal problema é a geração de oxigénio na placa positiva. O Oxigénio pode-se recombinar na placa negativa, mas as placas são Filling traditional separadas com o electrólito líquido. lead-acid battery with water A Difusão de oxigénio no interior dum líquido é muito lenta. É por isso que apenas uma pequena parte do oxigénio é recombinado nas baterias tradicionais chumbo-ácidas - a maior parte forma bolhas subindo à superfície do electrólito e saem para fora através das aberturas na parte superior da bateria. Assim a água (parte do electrólito daBaterias de Chumbo bateria) é perdida e, periodicamente, é preciso verificar o nível de electrólito da bateria e encher a bateria com água se o nível estiver baixo. baterias tradicionais de chumbo-ácido são chamados de "abrir" ou "ventiladas", porque o volume da bateria está directamente ligado com o ar circundante e qualquer gás produzido na bateria pode sair para fora. Elas também são chamados de "inundadas" por causa da forma liquida do electrólito que circula em torno das placas da bateria. A verificação periódica do nível de electrólito é muito inconveniente ao negligenciar esta verificação muitas vezes resulta em danos na bateria. É possível fazer bateria de chumbo-ácido livre de manutenção? 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 19
  20. 20. Electrónica Analógica Baterias de Chumbo – Tipos e Comparações  Hoje, existem três tipos de baterias de chumbo e qualquer tipo, pode ser projectado e construído tanto para aplicações em ciclo de arranque ou descarga profunda . Os tipos são as baterias comuns chumbo-acidas (inundadas ou fluidas), as de ácido gelificado (Gel), e bateria com fibra de vidro absorvente - AGM (Absorption Glass Mat).  Existem vários níveis de qualidade disponíveis em cada tipo. O Preço depende da qualidade, assim como da concepção do produto, processamento e custos de fabricação. Isso inclui a quantidade de chumbo, os métodos de cura e colagem das placas, o grau e o tipo de placa de inter-isolamento, a qualidade do processo, bem como o método de selagem utilizado. Geralmente, a alta qualidade significa maior custo. O tipo mais antigo de baterias de chumbo-lho são as de células “inundadas ou fluidas”(flooded), que existem há décadas. ElasBaterias de Chumbo geram perigosos gases explosivos, “névoa" de ácido durante o carregamento, corroem os seus terminais, e as superfícies envolventes, e exigem rega regular (manutenção do nível de electrólito). Dentro deste tipo de baterias também as há seladas, sofrendo apenas uma pequena alteração na sua estrutura básica. Estas são do tipo menos caro e, portanto, são a “Inundada“ – Gera Gases durante o escolha de muitos proprietários de automóveis carregamento. por exemplo. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 20
  21. 21. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA Vs VentiladaBaterias de Chumbo Gases nas baterias de Migração do Oxigénio nas chumbo ventiladas comuns Baterias VRLA VRLA –sem pingos 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 21
  22. 22. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: A ideia VRLA A ideia principal é acelerar a difusão de oxigénio nas baterias de chumbo-ácido para um nível em que todo o oxigénio gerado no carregamento normal da bateria se recombine dentro da bateria. Neste caso, o respiro da bateria pode ser substituída por uma válvula de segurança alto-falante. A válvula se abre apenas em caso de emergência (por exemplo, se a corrente de carga é muitas vezes maior que o normal) e selaria a bateria em condições normais. A taxa de difusão de oxigénio depende de diversas variáveis​​, mas alterando a temperatura e pressão, que podem acelerar a difusão de alguns pontos percentuais - não é suficiente - precisamos de ordens de magnitude muito maiores. É possível? É possível se mudarmos o meio para a difusão. A difusão do gás pode ser mil vezes mais rápida que a difusão em líquidos. Então, se substituirmos um pouco de líquido no caminho de difusão doBaterias de Chumbo oxigénio por difusão de gás para acelerar. Precisamos colocar algumas cavidades de gás no electrólito líquido e não permitir que eles subam à superfície do electrólito e desapareçam. Magia? Tais baterias chumbo-ácidas existem realmente. Eles são chamados de baterias VRLA (Valve Regulated Lead-Acid). Elas são seladas durante a carga ou descarga, podem ser usadas em diferentes posições (apenas na posição de cabeça para baixo não é recomendado durante a carga). São mais seguras, elas não emitem gás e são quase livres de manutenção. Qual é o custo desta qualidade e como ela é feita? 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 22
  23. 23. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA -Tecnologia AGM Há duas tecnologias VRLA até agora - AGM e GEL. AGM - Absorptive Glass Mat  Os velhos separadores de plástico poroso das baterias chumbo-ácido usuais poderia ser substituído com esteira em fibra de vidro muito fina. Esta esteira não-condutora serve como um separador, enche o volume total entre as placas da bateria e forma um meio altamente poroso. Ele absorve a parte principal do electrólito e ainda tem algumas poros vazios dentro: cavidades cheias de gás - não líquido. Essas bolhas não podem subir à superfície do electrólito, devido às forças de tensão superficial e formam os caminhos excelentes para a difusão de oxigénio.  A bateria AGM usa o mesmo electrólito que é usado nas baterias de chumbo-ácido ventiladas - ácido sulfúrico H2SO4 misturado com água. Todo o oxigénio gerado na placa positiva de chumbo- ácido de bateria difunde em parte através de gás liquefeito e, principalmente, através da placa negativa, onde ele se recombina com o conjunto de reacções: O2-+ 2Pb -> 2PbO 2PbO + 2H2SO4 -> PbSO4 + 2H2OBaterias de Chumbo 2PbSO4 + 4H + + 4e -> 2Pb + 2H2SO4 Se resumir essas reacções, temos uma reacção muito simples e lógica global: O2-+ 4H + + 4e -> 2H2O Isso significa que todo o oxigénio gerado na placa positiva recombina com todo o hidrogénio gerado na placa negativa de chumbo-ácido de bateria e formas água. Portanto, a água não é perdida, não sendo a água necessária, a verificação do nível de electrólito não é necessária pelo que a bateria de chumbo-ácido AGM é praticamente livre de Manutenção. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 23
  24. 24. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA -Tecnologia AGM As baterias AGM (Absorved Glass Mat), criadas em 1985, são o último passo na evolução das baterias ácidas. Em vez de usarem gel, as AGM usam fibra de vidro a envolver o electrólito, o que contribui para que sejam as mais resistentes aos impactos. Estas baterias também utilizam a tecnologia VRLA, fazendo tudo o que as de Gel fazem, mas melhor.Baterias de Chumbo “AGM” – Recombina internamente hidrogénio e oxigénio dando água. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 24
  25. 25. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA - Tecnologia Gel Outra possibilidade de imobilizadas as cavidades gasosas, é realizada pela imobilização do próprio electrólito. O electrólito de ácido sulfúrico é misturado com uns grãos de sílica (dióxido de silício) formando Gel com uma área de superfície extremamente grande. Gel é uma substancia gelatinosa, macia e elástica algo entre o estado líquido e o estado sólido. Do ponto de vista químico, é o mesmo electrólito de ácido sulfúrico, todas as reacções básicas de uma bateria de chumbo-ácido, acontecem numa bateria de electrólito em gel. Do ponto de vista físico, não é um líquido, pelo que as cavidades gasosas ou bolhas de gás permanecem onde são formadas. As Cavidades de gás se unem formando longas rachaduras 3D que às vezes seBaterias de Chumbo estendem desde uma placa da bateria para outra. Este é o caminho ideal para a difusão de oxigénio. O mesmo mecanismo de migração do oxigénio é realizado nas baterias VRLA de GEL. AS mesmas reacções de recombinação do oxigénio têm lugar na placa negativa. Obtendo-se o mesmo resultado : não há perdas de água, não nivelamentos de electrólito , não manutenção… 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 25
  26. 26. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA - Tecnologia Gel As baterias de Gel, tecnologia da década 70’s contêm um aditivo de sílica que envolve o electrólito formam-se micro fendas que permitem as reacções e recombinações entre a placa positiva e a placa negativa e recombinam internamente a maior parte dos gases. Estas baterias usam a tecnologia VRLA (Valve Regulated Lead Acid Battery), ou seja, são seladas e possuem um mecanismo de válvula de regulação que permite o escape dos gases, hidrogénio e oxigénio em excesso, que se produzem durante o processo de carga. A tensão de carga, neste tipo de baterias, é mais baixa que nos outros tipos de baterias ácidas.Baterias de Chumbo “Gel” – Recombina internamente hidrogénio e oxigénio dando água. 26 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 26
  27. 27. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA – Pontos Positivos As principais vantagens das baterias VRLA (ambos AGM e gel) em comparação aos tradicionais baterias de chumbo-ácido são as seguintes.Baterias de Chumbo As Baterias VRLA são isentas de manutenção ou muito próximo disso. As Baterias VRLA não emitem gases e podem ser usadas sem ventilação especial. As Baterias AGM e GEL são “nonspillable” - são mais fáceis de transportar e de manter, as baterias podem ser usadas ​em qualquer posição. As Baterias VRLA podem ter a vida prolongada sob carga de flutuação. As Baterias VRLA têm a vida armazenamento prolongada A Taxa de auto-descarga é de 1-3% da capacidade da bateria por mês. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 27
  28. 28. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA - Pontos Negativos Pontos Negativos das Baterias AGM e GEL Ambos os tipos de baterias VRLA têm algumas desvantagens em comparação com as tradicionais baterias de chumbo-ácido. As Baterias VRLA são mais caras, e são muito sensíveis à violação dos Voltagem de carga ou corrente. Elas podem perder água se a corrente de carga ou tensão são maiores que recomendado e não há possibilidade de acrescentar água á bateria uma vez que a bateria é selada. É por isso que a tensão de carregamento das VRLA deve coincidir com a temperatura da bateria - compensação automática de temperatura deve ser usada. Geralmente a máxima a descarga de baterias VRLA é menor em comparação com as baterias tradicionais de mesma capacidade.Baterias de Chumbo Baterias AGM e GEL: diferenças Ambos os tipos de baterias VRLA são mais ou menos similares. Similares em aplicações e manutenção. Semelhantes nas principais características técnicas. Apenas alguns pontos devem ser mencionados ao discutir diferenças da AGM e baterias de GEL. As correntes máximas de carga e descarga das bateria AGM são geralmente maiores do que as correntes de bateria gel. A capacidade da bateria AGM geralmente diminui mais lentamente com o aumento da corrente do que a capacidade bateria de gel. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 28
  29. 29. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: VRLA - AGM e GEL: diferenças Baterias AGM e GEL: diferenças É por isso que VRLA tensão de carregamento deve coincidir com a temperatura da bateria - compensação automática de temperatura deve ser usada. Geralmente a máxima de descarga de baterias VRLA é menor em comparação com as baterias tradicionais de mesma capacidade. Aplicações das baterias VRLABaterias de Chumbo As Baterias VRLA modernas são mais caras do que as baterias chumbo-ácidas de estilo mais antigo. Então, elas são preferencialmente usadas em aplicações sensíveis às vantagens principais das baterias AGM e GEL: baixo custo de assistência e ausência de qualquer vazamento da bateria. As principais aplicações são: UPS, reserva de energia em sistemas de comunicações de carros, iates e motos de luxo … 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 29
  30. 30. Electrónica Analógica Baterias de Chumbo – Qualidade AGM/GEL GEL AGMBaterias de Chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 30
  31. 31. Electrónica Analógica Baterias de Chumbo – Qualidade AGM: Características… 4 8 1. Advanced Calcium Ag9TM para alta performance e longa duração. 3 2. Tampas de manutenção. 10 3. Potência de Arranque: 650A. 4. Caixa Duratex TM-Máxima protecção contra 9 vibrações e danos por impactos. 5. Uniões Reforçadas: Resistência a vibrações 11 12 extremas. 2 13 6. Sistema de Separadores Independentes. 14 7. Fundo em Favo-mel. Evita perfurações da 1 caixa.Baterias de Chumbo 5 8. Bornes Roscados em Aço. 9. Saída única de gases. Desvía os gases dos terminais. 15 6 10. Bornes Fundidos. Evita deterioração dos Bornes. 11. Bornes deslocados. Protege as placas, contra 7 fugas. 14. Conectores entre Elementos. El conducto 12. Desenho á prova de salpicos. más eficiente de corriente. 13. Evita Chamas. Elimina o risco de explosão 15. Caixa e Cobertura : Selada á prova de calor. causada por uma chispa externa. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 31
  32. 32. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Descarga Reacção no Terminal (-) Oxidação 1. Pela perda de 2 electrões [2e-] o chumbo oxida-se e fica com carga positiva: Pb → [2e-] + Pb2+ 2. O átomo de chumbo carregado positivamente, reage com o ácido sulfúrico e produz sulfato de chumbo e são libertado 2 iões de hidrogénio do electrólito: Pb2++ H2SO4 → PbSO4 + 2H+ Electrólito = Ácido Sulfúrico → Água (30% de ácido sulfúrico e 70% de água Reacção no Terminal (+) Redução 3. Ao receber 2 electrões [2e-] o dióxido de chumbo é reduzido e parte-se em 2 iões de oxigénio e 1 ião(II) de chumbo: [2e-] + PbO2 → Pb2+ + 2O2-Baterias de Chumbo 4. O ião(II) de chumbo reage com o ácido sulfúrico e produz sulfato de chumbo e outros 2 iões de hidrogénio são libertados: Pb2+ + H2SO4 → PbSO4 + 2H+ 5. Os iões de hidrogénio de (2) e (4) juntos com os iões de oxigénio de (3), perfazem duas moléculas de água: 2H+ + 2H++ 2O2- → 2H2O Reacção da Descarga: Pb + PbO2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O (Sulfato de chumbo + água) 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 32
  33. 33. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Descarga Electrólito: Ácido Sulfúrico H2SO4 → H2O (Água) I Placa Negativa = Ânodo Placa Positiva = Cátodo Pb → PbSO4 PbO2 → PbSO4 Dióxido de Chumbo → Chumbo → Sulfato de Chumbo Sulfato de Chumbo E0 = -0.356V E0 = +1.685V H2SO4 H2SO4 2H+Baterias de Chumbo Pb + H2SO4 H2SO4 + PbO2 + [2e-] + ↓ ↓ [2e-] + 2H+ + PbSO4 2H2O 2H2O + PbSO4 A Tensão duma Bateria: ΔEº = Pot. de oxid. do Redutor – Pot. de oxid. do oxidante =+1.685-(-0.356)=2.041 V 33 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 33
  34. 34. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Descarga No processo de Descarga, o ácido sulfúrico (H2SO4) dissocia-se passando os SO4 ao chumbo (Pb) de ambas as placas (positiva e negativa) formando nelas o sulfato de chumbo (PbSO4); os H2 roubam o oxigénio do óxido de chumbo (PbO2) da placa positiva, formando água (H2O) que diminui a concentração ácida do electrólito. A reacção química gera a corrente eléctrica (electrões livres que lentamente se reúnem nas placas negativas).Baterias de Chumbo Se o processo continuar, o electrólito pode se transformar em água pura e as placas podem ser cobertas de sulfato (PbSO4) e então a actividade eléctrica dentro da bateria pode ser paralisada, ficando descarregada. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 34
  35. 35. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Carga Reacção no Terminal (-) Redução 1. Com a adição de 2 electrões [2e-] reduzindo o sulfato de chumbo e quebrando-o num átomo de chumbo e de 1 ião sulfúrico: [2e-] + PbSO4 → Pb + SO42- 2. O ião sulfúrico de (1), junto com os iões de hidrogénio de (5) formam ácido sulfúrico: 2H+ + SO42- → H2SO4 Electrólito = Água → Ácido Sulfúrico Reacção no Terminal (+) Oxidação 3. Pela perda de 2 electrões [2e-] do sulfato de chumbo que se oxida dividindo-se num ião de chumbo(IV) e 1 ião sulfúrico: PbSO4 → [2e-] + Pb4+ + SO42-Baterias de Chumbo 4. O ião sulfúrico dissolve-se na água e produz ácido sulfúrico e 1 ião de oxigénio é libertado: SO4 + H2O → H2S04 + O2- 5. O ião de chumbo(IV) de (3) junta-se com o ião de oxigénio de (4) e um átomo de oxigénio da água, formam dióxido de chumbo e libertam 2 iões de hidrogénio: Pb4 ++ O2- + 2H2O → PbO2 + 2H+ Reacção da Carga: 2PbSO4 + 2H2O → Pb + PbO2 + 2H2SO4 (chumbo + dióxido de chumbo) 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 35
  36. 36. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Reacções  Reacção no eléctrodo Positivo: Pb(IV)O2 + H2 SO4- + 3H++2e- Pb(II) SO4 + 2H2O  Eo 1.805 V  Reacção no eléctrodo Negativo: Pb(0) + HSO4- + 3H++2e- Pb(II) SO4 + H+ + 2e-  Eo -0.340 V  Reacção total da célula: PbO2 + Pb + 2HSO4- + 4H+ 2PbS O4 + 2H2O  Eo cell 2.145 VBaterias de Chumbo E0 – Á Gravidade específica de 1.3 do H2SO4 Para manter as reacções:  Fornecer Ácido.  Fornecer Electrões. P.T. Moseley, J. of Power Sources 64 (1997) 47-50 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 36
  37. 37. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Carga I Placa Negativa = Ânodo Placa Positiva = Cátodo PbSO4 → Pb PbSO4 → PbO2 Sulfato de Chumbo → Sulfato de Chumbo → Chumbo Dióxido de Chumbo H2SO4 H2SO4 Pb + H2SO4Baterias de Chumbo H2SO4 + PbO2 + [2e-] + 2H+ ↓ ↓ [2e-] + 2H+ + PbSO4 2H2O 2H2O + PbSO4 Electrólito: Ácido Sulfúrico (Água) H2O → H2SO4 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 37
  38. 38. Electrónica Analógica Bateria de Chumbo: Funcionamento - Carga Durante a carga eléctrica : a corrente eléctrica fluindo ao contrário faz a sulfatação libertar o seu sulfato para a solução electrolítica. O processo faz a placa e a solução voltarem à sua composição original. Pode se ver bolhas que são formadas de oxigénio e hidrogénio. Estes gases são expelidos pelo válvula/Vent. A água é formada pela combinação dos gases oxigénio (O2) e hidrogénio(H) = (H2O), razão pela qual só se deve completar o nível somente com água destilada.Baterias de Chumbo A carga reverte o processo destrutivo da bateria que acontece quando ela descarrega. As placas e o electrólito que tinham sido transformados em sulfato e em água são restaurados em sua composição original. Se a bateria está muito ruim pode ser que ela não aceite a carga… 38 22-12-2011 Por : Luís Timóteo Por: Luís Timóteo 38
  39. 39. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Composição.  Eléctrodo Positivo : Dióxido de Chumbo (PbO2)  Eléctrodo Negativo: Chumbo (Pb)  Electrólito: Solução de ácido sulfúrico (H2SO4) e água (H2O) H2OBaterias de Chumbo PbO2 Pb H2O H2O H2O H2O 39 22-12-2011 Por : Luís Timóteo Por: Luís Timóteo 39
  40. 40. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Reacções. • Reacção química (descarga) 2H2O H SO 2 4 2e- 2H+ O22- SO42- Pb2+ 2H+ PbO2 H2SO4 PbSO4 Pb Pb2+ SO4 2- 2e-Baterias de Chumbo PbSO4 H2O H2O H2O H2O H2O 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 40
  41. 41. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Reacções. • Reacção Química (descarga)  Eléctrodo Negativo Pb Pb2+ + 2e- Pb2+ + SO42- PbSO4  Electrólito 2H2SO4 4H+ + 2SO42-Baterias de Chumbo  Eléctrodo Positivo PbO2 + 4H+ + 2e- Pb2+ + 2H2O Pb2+ + SO42- PbSO4 •Geral: Pb + PbO2 + H2SO4 2- 2PbSO4 + 2H2O  A voltagem nominal de cada célula é de cerca de 2.1. As células são, normalmente ligadas em série para obter voltagens mais altas , i.e. 6V, 12 V, 24 V e 48V. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 41
  42. 42. Electrónica Analógica Baterias de chumbo…  Á medida que a bateria descarrega , a concentração de ácido sulfúrico diminui.  Ao mesmo tempo, sulfato de chumbo é depositado nas placas dos eléctrodos.  Durante a carga segue-se o processo inverso, mas uma pequena parte do sulfato de chumbo fica agarrado as placas dos eléctrodos.  Em cada ciclo de carga/descarga, mais algum sulfato de chumbo é depositado nas placas dos eléctrodos, reduzindo a área de reacção, afectando negativamente a performance da bateria.  A sulfatação dos eléctrodos é um dos principais efeitos que afectam a vida útil dasBaterias de Chumbo baterias.  Para evitar um processo acelerado de sulfatação, as baterias precisam de ser carregadas a 100% a seguir a cada ciclo de descarga, e devem ser mantidas carregada a uma voltagem flutuante maior que a voltagem nominal.  Para as baterias chumbo ácidas, e dependendo da tecnologia, a voltagem flutuante deve ser entre 2.08 V e 2.27 V/célula. Pela mesma razão , não devem descarregar a menos de 1.75 V/célula. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 42
  43. 43. Electrónica Analógica Modelos Baterias de chumbo…Baterias de Chumbo “A New Battery Model for use with Battery Energy Storage Systems and Electric Vehicles Power Systems” H.L. Chan, D. Sutanto “A New Dynamic Model for Lead-Acid Batteries” N. Jantharamin, L. Zhangt Todos os modelos implicam um problema ao conectar baterias de diferentes capacidades em paralelo: uma vez que as resistências internas dependem da capacidade, a bateria com a menor capacidade pode actuar como uma carga para a bateria com a maior capacidade. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 43
  44. 44. Electrónica Analógica Modelos Baterias de chumbo…  A Maior parte dos parâmetros do circuito dependem de:  Estado da Carga.  Ritmo de Carga / Descarga.  TemperaturaBaterias de Chumbo “Internal Resistance and Deterioration of VRLA Battery - Analysis of Internal Resistance obtained by Direct Current Measurement and its application to VlRLA Battery http://www.mhpower.com.au/images/tecfig23.gif Monitoring Technique” SONNENSCHEIN Isamu Kurisawa and Masashi Iwata 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 44
  45. 45. Electrónica Analógica Capacidade das Baterias de chumbo…  A capacidade da Bateria é muitas vezes medida em Ah (Amperes-hora) a um dado ritmo de descarga (geralmente 8 ou 10 horas).  Devido à variação da resistência interna a capacidade é menor se a bateria descarregar mais rapidamente (efeito Peukert).  As capacidades disponíveis das baterias podem variar de poucos Ah a alguns milhares de Ah.Baterias de Chumbo http://polarpowerinc.com/info/operation20/operation25.htm 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 45
  46. 46. Electrónica Analógica Capacidade das Baterias de chumbo… A capacidade da bateria varia com a temperatura.Baterias de Chumbo http://polarpowerinc.com/info/operation20/operation25.htm Alguns fabricantes de carregadores de baterias implementam algoritmos que aumentam a tensão de flutuação em temperaturas mais baixas, e aumentam a tensão de flutuação a altas temperaturas. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 46
  47. 47. Electrónica Analógica Descarga das Baterias de chumbo… A tensão de saída varia durante a descarga, devido à mudança na tensão interna e resistência com o estado de carga. Coup de Fouet Patent 6924622 Battery capacity measurement Anbuky and PascoeBaterias de Chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 47
  48. 48. Electrónica Analógica Descarga das Baterias de chumbo… Fenómeno “Coup de Fouet”Baterias de Chumbo O mapa esquemático da descarga na fase inicial de chumbo-ácido da bateria é mostrado nas Figuras anteriores. A tensão mínima de descarga é chamada de tensão de mergulho Vd (dip voltage) e depois a tensão da bateria recupera para chegar a uma tensão de patamar Vp (plateau voltage). (dip tempo td, plateau tempo tp).  A curva de descarga das baterias de Chumbo-ácido e o fenómeno CDF, Vd, Vp td e tp são os parâmetros do CDF. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 48
  49. 49. Electrónica Analógica Descarga das Baterias de chumbo… Fenómeno “Coup de Fouet” Explicação teórica para o fenómeno CDF  Teoria de cristalização de sobrevoltagem (Berndt , Voss [3] and Simon) Teoria Gel-crystal (Pavlov) Dissipação de Oxigénio (Rüetschi and Cahan) Camada Dieléctrica no interface Pb/PbO2 (De Oliveira and Lopes) Efeitos da circulação do electrólito (Armenta-Deu and Victoria Calvo-Baza)Baterias de Chumbo Limitações de transporte de massa através dos poros (Perrin et al.) Infelizmente, até agora não temos um mecanismo racional para explicar o fenómeno "coup de fouet" que tenha em conta todos os resultados das experiências e que seja aceite pela maioria dos pesquisadores. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 49
  50. 50. Electrónica Analógica Métodos de carga das Baterias de chumbo  Métodos:  Voltagem constante.  Corrente constante.  Corrente constante / Voltagem constante.  Problema de equalização celular: como o número de células em série aumenta, a tensão entre as células é mais desigual. Algumas células serão sobrecarregadas e algumas células serão subcarregadas. Esta questão leva a uma falha prematura das células.  Á medida que o estado de carga aumenta, a resistência interna tende a diminuir. Assim, a corrente aumenta levando a novo aumento do estado de carga acompanhada por um aumento na temperatura. Ambos os efeitos contribuem para continuar a diminuir a resistênciasBaterias de Chumbo internas, o que aumenta a corrente e a temperatura ... Este processo de feedback positivo é chamado de fuga térmica. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 50
  51. 51. Electrónica Analógica Eficiência das Baterias de chumbo Considere que, durante a Carga aplica uma corrente constante IC, a tensão VC durante um tempo ΔTC. Desta forma a bateria vai de um estado conhecido de carga ao estado de totalmente carregada. Então a energia transferida para a bateria durante este processo é: Ein = ICVC ΔTC Agora, a bateria está a descarregar com uma corrente constante ID, uma tensão VD durante um tempo ΔTD. O estado final da carga coincide com o estado original da carga. Então a energia fornecida pela bateria durante este processo é: Eout = IDVD ΔTD VD I D TD  Então a eficiência energética é: E   VCBaterias de Chumbo VC I C TC Assim, a eficiência energética é igual ao produto da eficiência de tensão  e da eficiência Coulomb c . Uma vez que as baterias de chumbo-ácido são normalmente carregadas com uma tensão de flutuação de cerca de 2,25 V / célula e a tensão de descarga é de cerca de 2 V / célula, a eficiência de tensão é cerca de 0,88. Em média a eficiência Coulomb é cerca de 0,92. Assim, a eficiência energética é de cerca de 0,80. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 51
  52. 52. Electrónica Analógica Cálculos sobre Baterias de chumbo  A maioria dos cálculos são baseados em algumas taxas específicas de descarga e, em seguida, uma descarga linear é assumida. A suposição linear geralmente não é verdadeira. A não-linearidade é mais evidente para as taxas mais rápidas de descarga. Por exemplo, na bateria abaixo, leva cerca de 2 horas para descarregar a bateria em 44 A, mas é preciso quatro horas para a descarregar a 26 A. Claro, 26x2 não é 44.  Uma solução melhor é considerar as curvas de descarga dadas pelo fabricante e utilizar apenas uma aproximação linear para interpolar a curva de descarga apropriada.  No exemplo abaixo, a bateria pode fornecer 10 A continuamente por cerca de 12 horas. Uma vez que durante a descarga da tensão é de cerca de 12 V, a potência é de 120 W e a energia é cerca de 14,5 kWh.Baterias de Chumbo 10 A – Curva de descarga aproximada. Limite de Descarga Curva Nominal 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 52
  53. 53. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Reacções/ Disulfatação Zona da Zona da Reacção Reacção PbSO4 Linhas de corrente Linhas de corrente Linhas de corrente PbO2 Linhas de corrente Linhas de corrente H2SO4 Pb Grade PbO Porosity Solução: H2SO4Baterias de Chumbo PbO2 PbO PbSO4 PbO 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 53
  54. 54. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - Cristal de chumbo A indústria de bateria tem investido intensamente em pesquisa e desenvolvimento para um novo dispositivo de armazenamento derivado das baterias de chumbo, criando uma geração de baterias chamada de “cristalBaterias de Chumbo: Cristal de chumbo de chumbo”. Estas são ideais para carros eléctricos e tróleis, tecnologias eólica ,solar, e aplicações em UPS, para um mundo mais verde, e mais sustentável. A massa activa no eléctrodo positivo é uma mistura de cristalina e uma quantidade eficaz de superóxido policristalino de chumbo (PbO2). Essas células são caracterizadas, pela sua resistência interna notavelmente inferior, maior actividade, melhor características carga e descarga, menor sulfatação, maior capacidade de armazenamento e maior capacidade de extrair maiores quantidades de corrente eléctrica num período de tempo consideravelmente mais curto, em comparação com as convencionais células de armazenamento de chumbo-ácido. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 54
  55. 55. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - Cristal de chumbo DESIGN Baterias de “chumbo cristal” utilizam novos materiais, novos processos e novas formulações. Não há emissão de vapores prejudiciais gasosos, o electrólito básico é neutro, não corrosivo, e não filtrável através doBaterias de Chumbo: Cristal de chumbo solo. As Baterias de chumbo cristal não provocam poluição e por isso estão de acordo com cada vez mais exigências de protecção ambiental. A arquitectura das baterias de “cristal de chumbo” é composta por placas de chumbo e uma solução ácida de SiO2 (high-conductivity silicate electrolyte) como electrólito. Os primeiros ciclos de carga / descarga ciclos fazem com que o electrólito solidifique e forme uma substância não tóxica cristalina. Disso resulta uma bateria, sem fluido e de alto desempenho e amiga do ambiente. A tecnologia de baterias de chumbo Cristal tem patentes exclusivas. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 55
  56. 56. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - Cristal de chumbo CaracterísticasBaterias de Chumbo: Cristal de chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 56
  57. 57. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - Cristal de chumbo CaracterísticasBaterias de Chumbo: Cristal de chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 57
  58. 58. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - Cristal de chumbo CaracterísticasBaterias de Chumbo: Cristal de chumbo 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 58
  59. 59. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon” Lead-CarbonBaterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 59
  60. 60. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon”Baterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) As baterias de Chumbo Carbono, também conhecidas por Ultra Baterias, são diferentes de outros tipos de baterias, porque combinam a alta densidade de energia de uma bateria de chumbo e alta potência específica de um supercondensador num dispositivo de baixo custo único. Os principais objectivos da pesquisa chumbo- carbono têm sido para estender o ciclo de vida das baterias de chumbo-ácido e aumentar a sua potência. Esta bateria à base de carbono para os veículos híbridos não é apenas a 70% mais leve, mas também recarrega 7 vezes mais rápido. Ela também dura duas vezes mais em comparação com os convencionais baterias de chumbo-ácido. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 60
  61. 61. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon”Baterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) Tecnologia e Funcionamento A tecnologia PBC ® é uma tecnologia de baterias "multi-células” híbridas assimetricamente supercapacitivas, de chumbo-ácido e de carbono. Como uma bateria de chumbo-ácido, esta bateria consiste de uma série de células. Dentro das células individuais, no entanto, a construção é mais complexa. Onde os eléctrodos negativos em baterias de chumbo-ácido são placas esponjosas de chumbo simples, nesta, os eléctrodos negativos são de cinco camadas conjuntas, que consistem de um eléctrodo de carbono, uma barreira de corrosão, um colector de corrente, uma segunda barreira de corrosão e um segundo eléctrodo de carbono. Estes conjuntos de eléctrodos são, então, separados com separadores convencionais e eléctrodos positivos, para formar a nossa bateria, que é preenchida com um electrólito ácido, selada e ligados em série com as outras células. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 61
  62. 62. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon”Baterias de Chumbo: Lead-Carbon (Ultra Battery) Tecnologia e Funcionamento Uma bateria de chumbo-ácido convencional é composta por uma série de células, cada uma contendo um eléctrodo positivo feito de dióxido de chumbo e um eléctrodo negativo de chumbo metálico. Estes são imersos num electrólito de ácido sulfúrico diluído. As Baterias de carro inicialmente tendem a ter placas de eléctrodos finos e baterias chumbo-ácidas com eléctrodos mais grossos para EVs podem tolerar mais descargas "profundas" melhor do que aquelas com as mais finas, mas são mais pesadas​​. Nesta bateria , o eléctrodo negativo é substituído por um feito de carvão activado, um material usado em supercondensadores. Condensadores, como os dos flashes das câmaras fotográficas, que carregam e descarregam rapidamente, mas que não armazenam muita energia. supercondensadores são versões superiores que são capazes de manter uma quantidade razoável de energia, bem como carregá-la e libertá-la rapidamente. Alguns, já são utilizados em conjunto com as baterias de iões de lítio em carros eléctricos para aumentar a aceleração e recuperar energia durante as chamadas travagens "regenerativas" O carbono híbrido (Activado), que está protegido dentro de um sanduíche de outros materiais, é mais eficaz do que o chumbo metálico na libertação e absorção de protões para e do ácido durante o carregamento e a descarga. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 62
  63. 63. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon” Tecnologia e FuncionamentoBaterias de Chumbo: Lead-Carbon (Ultra Battery) Standard VRLA Cell (“Lead-Lead”) Separadores Electrodo PbO2 de Carbono Pb PbO2 ® Célula Supercondensador PbC Cell (“Lead-Carbon”) Chumbo-Ácido + - Assimétrico i i1 Pb i2 Electrodo de Carbono Ultrabateria 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 3 Por: Luís Timóteo 63
  64. 64. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon” Diagrama Esquemático Terminais de Cobre EstanhadoBaterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) Respiradores de Segurança com (M6) Corta Chamas Placas Regulares de PbO2 Separadores AGM Caixa de Polipropileno (Anti Chamas) Ligações intercelulares Eléctrodos Negativos Colectores de corrente Carbono Activado (Proprietários) 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 64
  65. 65. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon”Baterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) Reacções Químicas Reacções da bateria Chumbo –Ácido padrão de são: Eléctrodo Positivo PbO2 + 4H+ + 2SO4- + 2e- ↔ PbSO4 + 2H2O (+1.685 V) Eléctrodo Negativo: Pb +2SO4↔ PbSO4 + 2e- (-0.365 V) Reacção Geral: PbO2 + 2H2SO4 + Pb↔ 2PbSO4 + 2H2O (+2.050 V)  Durante a carga e descarga, o eléctrodo positivo sofre a mesma reacção química que ocorre numa bateria convencional de chumbo-ácido, ou seja, dióxido de chumbo reage com o ácido e os iões de sulfato para formar sulfato de chumbo e água. A principal diferença na bateria PbC é a substituição do eléctrodo negativo por um eléctrodo de carbono activado, que não sofre qualquer reacção química . Em vez disso, a elevada área de superfície do eléctrodo de carbono activado armazena os protões (H +) do ácido numa camada sobre a superfície do eléctrodo. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 65
  66. 66. Electrónica Analógica Baterias de chumbo… Novas tecnologias - PbC ® Cell (“Lead-Carbon”Baterias de Chumbo: Lead-Carbon(Ultra Battery) Reacções Químicas Reacções no Eléctrodo Negativo da bateria PbC Chumbo-Carbono; nC6x-(H+)x ↔ nC6(x-2)-.(H+)x-2 + 2H+ + 2e- (descarregada) Nas baterias convencionais de chumbo ácido a concentração de ácido varia entre muito concentrado no estado de plena carga, a um tanto diluída no estado descarregada sendo o ácido convertido em água. Ao contrário, as baterias de carbono armazenam (H +) no eléctrodo negativo no estado de plena carga, e libertam-nos para o eléctrodo positivo durante a descarga, onde eles são neutralizados, originando água. O resultado é a redução nas oscilações da concentração de ácido, que reduz a corrosão do eléctrodo positivo e leva a vida mais longa do eléctrodo positivo. 22-12-2011 Por : Luís Timóteo 66

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