1) O documento discute diversas tecnologias de conversão e armazenamento de energia eletroquímica, incluindo baterias, células de combustível e supercapacitores. 2) As baterias discutidas incluem níquel-cádmio, níquel-metal hidreto, chumbo-ácido e íon-lítio, comparando suas vantagens e limitações. 3) Outras tecnologias abordadas são células de combustível, como as de hidrogênio, direto de carbono e microbiais

1. PROJETOS EM CONVERSÃO DE ENERGIA
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE TECNOLOGIA
ELETROQUÍMICA
ALAN NUNES BONATTO
AUGUSTO PIZZETTA
ELIELTON GRZEÇA
Tecnologias de Conversão e
Armazenamento de Energia Eletroquímica

2. Conversão Eletroquímica de Energia
Conversão
Hidrogênio, Células de Combustível, Fotoeletroquímico
Conversão e Armazenagem
Baterias, Supercapacitores

3. Baterias
• Dispositivos que utilizam oxidorredução
de materiais para gerar energia elétrica.
• Dispõe de eletrodos que fornecem a
superfície na qual as reações ocorrem
(anodo e catodo), imersos em um meio
com íons em concentrações conhecidas
(eletrólito).
• Ao conectar uma carga, ocorre a
dissociação de prótons e elétrons
através do eletrólito. Os prótons passam
pela membrana causando a redução do
material disposto no catodo.
Reação básica em uma bateria. Fonte: [4].

4. Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Bateriasde NiCd comerciais. Fontes: [14] e [15] .

5. Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Vantagens:
• Carga rápida e simples;
• Elevado número de ciclos de carga/descarga, pode chegar a 1000 ciclos;
• Bom desempenho de carga, inclusive em baixas temperaturas;
• “Longa vida de prateleira” - em qualquer estado de carga;
• Robusta;
• Menor custo-ciclo;
• Boa gama de tamanhos, a maioria das células de NiCd são cilíndricas.

6. Baterias Metal-Metal
Níquel Cádmio (NiCd)
Limitações:
• Relativa baixa densidade de energia - em comparação com os sistemas mais recentes.
• Efeito de memória - o NiCd deve periodicamente descarregado para evitar memória.
• Prejudicial ao meio ambiente - o NiCd contém metais tóxicos. Alguns países limitam o uso este tipo de
bateria;
• Tem relativa elevada auto descarga - precisa ser recarregada após o armazenamento.

7. Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Bateriasde NiMh comerciais. Fontes: [16] e [17] .

8. Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Vantagens:
• 30 - 40 % maior capacidade comparada a uma NiCd padrão.
• Menos propenso a memória do que o NiCd;
• Ciclos periódicos são necessários com menor frequência, em comparação à anterior;
• Ecologicamente correto - contém toxinas leves;
• Rentávelpara a reciclagem.

9. Baterias Metal-Metal
Níquel Metal Hidreto (NiMh)
Limitações:
• Vida útil limitada - 200 a 300 ciclos quando em altas correntes, aconselha-se descargas parciais nesta
situação;
• Corrente de descarga limitada;
• Algoritmo de carga mais complexa e mais lenta em relação ao NiCd;
• Alto custo de manutenção - bateria requer plena descargaregular para evitar a formação cristalina;
• Cerca de 20 % mais caro do que NiCd.

10. Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
• Placa de chumbo e dióxido de chumbo mergulhadas em solução de ácido sulfúrico.
Bateriasde Chumbo Ácido comerciais. Fontes: [18] e [19] .

11. Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Vantagens:
• Barato e simples de fabricar - em termos de custo por watt horas, o SLA é o menos caro;
• Quando usado corretamente, o SLA é durável e fornece um serviço confiável;
• A taxa de auto descargaé uma das mais baixas dos sistemas recarregáveis;
• Exigências de manutenção baixas - sem memória;
• Capaz de taxas de descargaaltas.

12. Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Limitações:
• Não podem ser armazenadas numa condição descarregada;
• Baixa densidade de energia (SLA);
• Permite que apenas um número limitado de ciclos de descarga total;
• Ambientalmentehostil - o eletrólito e o teor de chumbo podem causar danos ambientais.

13. Baterias Metal-Metal
Chumbo Ácido
Baterias de Chumbo Ácido internamentee reação química.
Fontes: [20] e [21] .

14. Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Baterias de Íon-Lítio comerciais. Fontes:[22] e [23] .

15. Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Vantagens:
• Alta densidade de energia - potencial para capacidades ainda maiores;
• Relativa baixa auto descarga - auto descarga é inferior a metade do NiCd e NiMH;
• Baixa Manutenção - nenhuma descargaperiódica é necessária;
• Não possui efeito memória.

16. Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Limitações:
• Requer circuito de proteção;
• Sujeito ao envelhecimento, mesmo se não estiver em uso;
• Caro para fabricar - cerca de 40% maior no custo do que NiCd.

17. Baterias Metal-Metal
Íon-Lítio
Bateria de Íon-Lítio em reação químicade carga e descarga. Fonte: [24]

18. Baterias de Fluxo
Redox Flow Batteries (RFB)
• Possui duas câmaras com componentes químicos
dissolvidos em soluções químicas (eletrólitos)
separadas por uma membrana. Comercialmente,
utilizam-se soluções de Vanádio.
• Os fluídos são bombeados de um lado a outro da
célula, ocorrendo a ionização quando em contato com
os eletrodos.
• Capacidade em aplicações práticas: 1V a 2,2V por
célula.
Princípio de funcionamentode bateriade
fluxo redox (redução – oxidação).Fonte:
[5].

19. Baterias de Fluxo
Redox Flow Batteries (RFB)
Célulade bateriade fluxo com
área de seção de 700cm²
(1kWh). Fonte: [8].

20. Baterias de Fluxo
Hybrid Flow Batteries (HFB)
• Similar as baterias de fluxo redox, as baterias de fluxo híbridas trabalham com o fluido disperso
sobre o eletrólito.
• Neste caso apenas o eletrólito positivo é armazenado em um tanque externo, enquanto o
eletrólito negativo é armazenado entre as placas das células (não há fluxo).
• Aplicações típicas utilizam Zinco-Brometo (ZnBr2) como fluído.

21. Representaçãográfica aproximadadas característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia.
Fonte: [6].

22. Característicasde diferentes tecnologiasde armazenamento de energia. Fonte: [1].

23. Geração de Hidrogênio
Eletrólise da Água em Alta (HT) e Baixa Temperatura (LT)
• Sistemas LT podem operar com uma
grande variação na carga, embora não
alcançam o rendimento de sistemas HT.
• É possível utilizar a própria energia
térmica do processo para auxiliar os
sistemas HT. O sistemapeca no preço, já
que é tecnologia recente e necessita de
condicionamento mais refinado (devido à
alta temperatura).
Princípiosde operação de eletrólise em baixa e alta
temperaturacom diferentes eletrólitos. Fonte: [1].

24. Geração de Hidrogênio
Eletrólise com Auxílio de Carbono
• O processo necessita em torno de um
terço da energia se comparado a
eletrólise da água.
• Possui densidades de corrente menores
que os sistemas anteriores, manifestando
a cinética “lenta” do carbono.
• Pode apresentar boa relação custo-
benefício se operando em HT, no entanto
ainda necessita de estudos devido a
complexidade do sistema.
Reações envolvidasna eletrólisecom auxíliode carbono
em baixae altatemperatura para geração de hidrogênio.
Fonte: [1].

25. Geração de Hidrogênio
Conceito de um sistema de energia renovávela hidrogêniopara geração de energia distribuída.Fonte:[1].

26. Células de Combustível
• Os agentes químicos necessários a reação são fornecidos
e consumidos continuamente.
• Reagentes comumente utilizados são o hidrogênio,
álcool, gás natural (reformadores de hidrocarbonetos),
carvão e oxigênio.
• Diferentes tipos de células, que variam de acordo com o
eletrólito: Náfion (derivado do teflon), ácido fosfórico,
hidróxido de potássio, entre outros.
Esquemáticode célulade combustível
típica. Fonte: [3].

27. Células de Combustível
• Em sistemas HT (>350°C), rendimento de 40% a 60%
(pode chegar a 85% com reaproveitamentodos gases
dispersos).
• Em sistemas LT (<150°C), rendimento de 35% a 40%.
• Temperaturas intermediárias geram sistemas com
rendimento em torno de 50%.
Célulade combustíveltípica. Fonte: [7].

28. Células de Combustível
Microbial Fuel Cells (MFC)
• Converte material orgânico em energia elétrica
através de processos metabólicos por microrganismos.
• Microrganismos formam um biofilme sobre o anodo,
realizando sua oxirredução. Como combustível são
utilizados compostos orgânicos.
• A oxirredução pode ser dada diretamente (elétrons
são carregados diretamente das enzimas respiratórias
da bactéria para o eletrodo) ou através de um
mediador (azul de metileno, tionina, ácido húmico).
• Bactérias com reação direta: Shewanella
putrefaciens, Aeromonas hydrophila.
Modosde operação do MFC. (A)Reação direta,
(B)Reação indireta.Fonte: [1].

29. Células de Combustível
Direct Carbon Fuel Cells (DCFC)
• Utiliza um material rico em carbono como
combustível (como a biomassa).
• A reação dispersa dióxido de carbono puro, que pode
ser capturado mais facilmente (e com menos custo)
que as formas tradicionais de conversão a
combustão.
• Devido a sua alta eficiência, requer menos carbono
que os sistemas de combustãopara gerar a mesma
quantidade de energia.
• Eletrólito comum : metal fundido.
Sistema DCFC típico. Fonte: [4].

30. Eficiência teórica e real de diferentes tecnologiasde célulasde combustível.Fonte: [1].
Células de Combustível – Eficiência

31. Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy
Converters (AMTEC)
• Utiliza luz solar incidente, reações nucleares ou até mesmosistemas de combustãocomo fonte de
calor, utilizado em reações químicas para gerar eletricidade.
• Utiliza metal alcalino, geralmente sódio ou potássiocomo fluído, pois possui alta condutividade
iônica (requer menos energia de ionização).
• Eficiência teórica de 15% a 40%. Em sistemas reais 20%.
• O eletrólito separa a seção de alta pressão (> 20kPa) e alta temperatura (700-950°C)do sistema
da de baixa pressão (~100Pa) e baixa temperatura (100-350°C).

32. Alkali Metal Thermo-Electrochemical Energy
Converters (AMTEC)
Princípio de operação dos sistemas AMTEC. Fonte:
[1].
• Com o calor proveniente da fonte externa, o metal
líquido é evaporado e tem sua pressão elevada.
• Na parte inferior a temperatura é reduzida pelo
dissipador, todavia ainda é alta para manter o
metal na forma líquida.
• Devido a alta pressão sobre o eletrólito, surge uma
diferença de potencial sobre os eletrodos. Ao
conectar uma carga no sistema, o vapor do metal é
ionizado, e as cargas positivas são transportadas
pelo eletrólito.
• O vapor de metal é condensado e retorna a seção
do anodo por revaporização.

33. Supercapacitores
• Diferem-se por armazenar energia em
virtude de separação de cargas, diferente
de baterias, as quais armazenam através
de transformação química dos eletrodos.
• Normalmente simétricos, inicialmente
foram abandonados devido a energia
específica máxima que atingiam
(5Wh/kg).
• Supercapacitores híbridos mostram-se
interessantes, através da construção de
eletrodos com estruturas de carbono e
eletrodos de baterias (conjunto).
Característicasbásicas de um supercapacitorde duas
camadas(óxido de titânio-lítio).Fonte: [1].

34. Reatores Eletroquímicos
• Conversão de energia de uma forma para outra afim de facilitar o armazenamento e o transporte
de energia (hidrogênio, amônia, syngas).
• Possibilidade de utilização de eletrólitos sólidos, garantindo uma diversidade de condições de
operação (dependendo da reação).
• Atualmente, dois tipos de sistemas são desenvolvidos. Os que possuem eletrólitos de íon de
oxigênio e os de próton (hídron).
• Novamente os processos em HT se tornam mais interessantes devido a eficiência.

35. • Utilizada membrana condutiva ou mixade íons de oxigênio ou hidrogênio. Normalmente é
aplicado catalisador em ambas lados da membrana (entre os eletrodos) auxiliando no migração
dos íons, que se dá devido ao campo elétrico aplicado ou por uma diferença de potencial.
• Neste processo pode ocorrer redução ou oxidação (processos normalmente fortes em HT) do
reagente, produzindo combustível e produtos químicos adicionais.
• Amônia é um excelente meio de armazenamento com infraestrutura para distribuição e
transporte. Contém em torno de 17,6 wt% (fração de massa)de hidrogênio.
• Amônia ainda é bastantedifundido na indústria, podendo ser produzido a baixo custo em relação
a outros processos de produção de hidrogênio.
Reatores Eletroquímicos
Oxidação Parcial , De- e Hidrogenação, Produção de Amônia

36. • HT garante alta eficiência, sendo neutro a
dióxido de carbono.
• Pode converter resíduos em eletricidade,
calor, gases (monóxido de carbono,
metano, hidrogênio) e combustíveis
líquidos (metanol, etanol, biodiesel).
• A utilização de eletrodos formados por
um semicondutor e um foto catalisador
permite absorver fótons, no entanto
possui baixa eficiência e custo alto. Reações envolvidasem váriosprocessos de produçãode
combustívela partir de resíduos. Fonte: [1].
Reatores Eletroquímicos
Biomassa, Dióxido de carbono e Foto eletroquímico

37. Dados de Uso e Áreas de Pesquisa
• Atualmente no Brasil, a indústria mantem-se fortemente concentrada na produção de baterias
chumbo-ácido (linha automotiva). Embora algumas empresas trabalhem com tecnologias mais
modernas, que melhoram o desempenho de seus produtos, não há empresas que produzam
baterias de níquel-metal hidreto (NiMH) ou de íon-lítio [9].
• Em maio de 2015, a Itaipu Binacional e a Fundação Parque Tecnológico Itaipu (FPTI) assinaram um
acordo com a Mira, empresa de origem inglesa focada em serviços de engenharia, para o
desenvolvimento e fabricação de uma bateria de lítio para uso em veículos elétricos e no
segmentode energia estacionária no Brasil [10].

38. Dados de Uso e Áreas de Pesquisa
• Internacionalmente, no contexto de baterias de uso geral, grande parte das empresas ainda
investe em soluções com baterias de Lítio, e sua produção ainda detém grande parte da produção
mundial.
• Em aplicações na linha automotiva, a produção atual é dispersa em baterias de fluxo e células de
combustível. No entanto, continuamente são realizados estudos nas mais diversas áreas,
incluindo melhorias nas tecnologias atuais e processos de manufatura.
• Tecnologias em desenvolvimento:
• Supercapacitores de grafeno - California NanoSystems Institute at UCLA. Fonte: [11].
• Baterias de Lítio-Ar – IBM .Fonte: [12].
• Microbaterias 3D – Universidade de Ilinois. Fonte: [13].

39. Referências
• [1]. Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies; Sukhvinder P. S.
Badwal*, Sarbjit S. Giddey , Christopher Munnings, Anand I. Bhatt and Anthony F. Hollenkamp;
2014.
• [2]. Electrochemical Technologies for Energy Storage and Conversion, Jiujun Zhang, Lei
Zhang, Hansan Liu, Andy Sun, Ru-Shi Liu, 2012.
• [3]. www.geni.org. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [4]. www.ee.co.za. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [5]. www.large.stanford.edu. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [6]. www.optimal-power-solutions.com. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [7]. www.ecmi-indmath.org. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [8]. www.messib.eu. Acesso em: 03 de setembro de 2015.

40. Referências
• [9]. Baterias automotivas:panorama da indústria no Brasil, as novas tecnologias e como os
veículos elétricos podem transformar o mercado global. Bernardo Hauch Ribeiro de Castro, Daniel
Chiari Barros, Suzana Gonzaga da Veiga.
• [10].http://www.automotivebusiness.com.br/noticia/22085/brasil-tera-fabrica-de-bateria-de-
litio-para-veiculos-elétricos. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [11].http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-scientists-create-quick-charging-hybrid-
supercapacitors. Acesso em: 03 de setembro de 2015.
• [12].http://www.ibm.com/smarterplanet/us/en/smart_grid/article/battery500.html. Acesso em:
03 de setembro de 2015.
• [13].https://news.illinois.edu/blog/view/6367/204839. Acessoem: 03 de setembro de 2015.
• [14].http://www.directindustry.com/prod/power-sonic/product-19906-438153.html. Acessoem:
04 de setembro de 2015.
• [15].http://www.marginup.com/products/43183/Ni-mh-battery-pack-3NH-4-51200MAH.html.
Acesso em: 04 de setembro de 2015.

41. Referências
• [16].http://www.cccme.org.cn/products/detail-8104003.aspx.Acesso em: 04 de setembro de
2015.
• [17].http://rightbattery.com/tag/1-2v-nimh-battery/page/9/. Acesso em: 04 de setembro de
2015.
• [18].http://www.lelong.com.my/ps7-12-sealed-lead-acid-battery-12v-7ah-portablepower-
I1866447-2007-01-Sale-I.htm. Acessoem: 04 de setembro de 2015.
• [19].http://www.directindustry.com/prod/enersys/product-19888-653557.html. Acessoem: 04
de setembro de 2015.
• [20].http://www.primeproducts.in/. Acesso em: 04 de setembro de 2015.
• [21].http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/leadacid.html. Acesso em: 04 de
setembro de 2015.
• [22].http://electronicsgate.com/projects/liioncharger.html. Acesso em: 04 de setembro de 2015.

42. Referências
• [23].http://cammyscomiccorner.com/photowfd/li-ion-rechargeable-battery. Acesso em: 04 de
setembro de 2015.
• [24].https://physicsandsocietybc.wordpress.com/2013/04/03/the-rocking-chair-battery-lithium-
ion-battery/. Acesso em: 04 de setembro de 2015.
• [25].http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_best_battery. Acesso em: 04 de
setembro de 2015.