Bateria de chumbo ácido | |
Bateria de carro (12 V, 40 Ah ) | |
Características | |
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Energia / Peso | 20−40 Wh / kg |
Energia / Volume | 40−100 Wh / ℓ |
Eficiência de carga-descarga | 50−92 % |
Autodescarga | 3–20% / mês |
Tempo de vida | min. 4 a 5 anos |
Número de ciclos de carga | 500 a 1.200 |
Tensão nominal por célula | 2,1 V |
Uma bateria de chumbo é um conjunto de baterias de chumbo - ácido sulfúrico conectadas em série para obter a tensão desejada e incluídas no mesmo invólucro. Placas e grades de chumbo são na verdade feitas de chumbo endurecido (por exemplo, usando estanho , cádmio e estrôncio , uma pequena porcentagem da liga).
Este sistema de "armazenamento" de eletricidade é amplamente utilizado na indústria , no equipamento de veículos ferroviários e automóveis (incluindo camiões), mas também sempre que existe uma necessidade de energia eléctrica imediatamente disponível (aviões, satélite, etc. ).
O acumulador de chumbo-ácido foi inventado em 1854 por Wilhelm Josef Sinsteden. Em 1859 , o francês Gaston Planté melhorou significativamente a bateria de chumbo-ácido. Ele foi realmente o primeiro a desenvolver a bateria recarregável. Originalmente, os acumuladores estavam localizados em tanques de vidro. Posteriormente, sistematizamos o uso de tanques plásticos, mais resistentes a choques.
Hoje em dia, as baterias sem manutenção estão se difundindo: terminais tratados com antissulfatantes, placas de chumbo-cálcio, eliminando a necessidade de completar o nível do líquido e, portanto, permitindo a vedação.
As baterias são o principal uso do chumbo hoje. Esta técnica simples e robusta também é muito competitiva e permanece até hoje a principal técnica para baterias de arranque de veículos. Assim, em 2010, as baterias de chumbo-ácido representavam mais de 99% da tonelagem de baterias utilizadas no automóvel.
Em 2011, pesquisadores da Universidade de Helsinque e Uppsala conseguiram pela primeira vez reproduzir corretamente, desde os primeiros princípios da física, a tensão nominal de 2,1 V observada para a bateria no chumbo. A química clássica por si só não explicaria esse valor. Segundo eles, é preciso incluir os efeitos da relatividade de Einstein no cálculo para chegar ao valor observado.
Uma bateria de chumbo-ácido é essencialmente caracterizada por:
Os valores máximos são dados pelo fabricante para uma bateria nova e carregada a 100%, variam sensivelmente com o estado de carga , deterioram-se com o tempo e também com o uso que é feito da bateria.
A carga é uma desproporção forçada, as reações eletroquímicas nos eletrodos sendo as seguintes:
A reação geral pode, portanto, ser escrita:
A descarga é uma mediamutação espontânea, as reações eletroquímicas nos eletrodos sendo as seguintes:
A reação geral pode, portanto, ser escrita:
A bateria de chumbo-ácido é a que possui a menor energia específica , 35 Wh / kg , depois da bateria de níquel-ferro . Mas por ser capaz de fornecer uma corrente de pico de grande intensidade, útil para a partida elétrica de motores de combustão interna, ainda é muito utilizado, em particular em veículos automotores e na maioria dos veículos ferroviários. Também tem a vantagem de não ser sensível ao efeito memória .
Esta bateria é utilizada para alimentar os componentes elétricos dos veículos com motores de combustão interna, principalmente o arranque elétrico. Quando o motor está funcionando, ele é recarregado por um dínamo ou alternador .
Historicamente, as baterias de automóveis ou motocicletas costumavam ser de 6 V (três células). Desde a década de 1980, baterias de 12 V (seis células) foram generalizadas para carros e motocicletas, enquanto veículos pesados ou militares usam 24 V e, finalmente, os veículos ferroviários usam grupos que variam de 36 V na Suíça (duas baterias de 18 V em série), 72 V na França a 110 V na maioria dos outros países europeus.
Nota: em 2012, os carros elétricos (autonomia de cerca de 60 a 500 km ) eram menos numerosos do que os automóveis com motores térmicos (autonomia de cerca de 600 a 2.500 km ).
Baterias de chumbo-ácido são usadas para alimentar todos os tipos de maquinário elétrico, equipamentos de segurança e comissionamento, bem como iluminação de emergência na maioria dos trens. Eles são montados principalmente em grupos de seis baterias de 12 V para produzir 72 V e são redundantes em caso de falha de um dos dois grupos.
Eles são freqüentemente usados em alarmes anti-intrusão , alarmes de incêndio ou iluminação de segurança por faróis (ou projetores) em grandes edifícios (fábricas, pavilhões esportivos). Em geral, podem ser usados em qualquer sistema que necessite de uma fonte de alimentação de reserva que necessite de uma bateria com boa duração (12 a 48 horas) e onde o peso do cabo não seja importante. Para esses usos, são baterias de “chumbo-gel”. Elas apresentam uma diferença em relação às baterias convencionais de chumbo-ácido (para automóveis): o ácido está contido em uma sílica gel, o que permite que a bateria seja utilizada em todas as posições (o material não flui). Eles são adequados para uso interno (nenhuma ou muito poucas emissões de gás) e para descargas lentas (baixa intensidade) e profundas, ao contrário das baterias de ácido líquido que são destinadas a altas intensidades e descargas parciais. Num veículo, assim que o motor arranca, a bateria é carregada imediatamente pelo alternador.
Essas baterias também podem ser usadas para armazenar energia produzida de forma intermitente, como solar ou eólica.
Uma bateria de chumbo-ácido é carregada aplicando-se uma corrente contínua de qualquer valor a ela (sujeito a limites tecnológicos relacionados à própria bateria ou às suas conexões), desde que não faça com que os terminais da bateria apareçam com uma tensão maior que 2,35 V por célula (valor a 25 ° C ) .
A aplicação desta regra leva à observação na prática de duas fases de carregamento sucessivas:
No final do carregamento, a corrente na fase CV não é cancelada. Ele se estabiliza em um valor baixo, mas não em zero, o que não aumenta mais o estado de carga, mas eletrólise a água do eletrólito . Portanto, é recomendável interromper a carga, ou, se quisermos aplicar uma carga permanente (chamada de manutenção ou “ flutuante ”, a fim de compensar o fenômeno de autodescarga ), baixar a tensão de setpoint para um valor de ordem de 2,3 V por elemento.
O carregamento CC / CV se espalhou porque sozinho permite o carregamento em alta corrente (e, portanto, rapidamente) sem danificar a bateria. Este modo de carregamento é usado em todos os carros: na fase DC , a corrente de carregamento depende essencialmente da velocidade de rotação do alternador (e, portanto, do motor). Na fase CV , a tensão do setpoint é mantida pelo servo-controle constituído pelo regulador de tensão. Isso de fato diminui a corrente de excitação do alternador, de modo que a corrente de saída do alternador nunca resulte em uma tensão maior que 2,35 V por célula (com uma ligeira correção dependendo da temperatura).
Quando, no caso de carregadores baratos, um carregador capaz de limitar sua tensão ao valor de referência correspondente a 2,35 V por célula não estiver disponível, é recomendado limitar o valor da corrente de carga (em amperes) para, por exemplo, 10% do valor da capacidade da bateria (em amperes-hora), a fim de minimizar as consequências danosas do overshoot de tensão que pode ocorrer no final da carga (bem como as consequências danosas para a vida útil dos eletrodos) .
A voltagem de 2,34 V por célula é chamada de " gás V ". Corresponde à voltagem na qual o eletrólito na forma líquida é eletrolisado ( 2 H 2 + O 2)
Uma bateria nunca deve ser descarregada para menos de 20% de sua capacidade nominal. A voltagem não é uma referência confiável ao longo do tempo, pois quanto mais velha a bateria, mais a voltagem tende a cair.
De acordo com a lei de Peukert , quanto mais rápido uma bateria é descarregada, menor sua capacidade.
As principais causas de degradação da bateria são:
A sulfatação representa o acúmulo de sulfato de chumbo nos eletrodos. Este fenômeno aparece naturalmente cada vez que a bateria é descarregada e desaparece durante a recarga. No entanto, sob certas condições (descarga prolongada ou muito profunda, alta temperatura, gaseificação do eletrólito), ilhas estáveis de sulfato de chumbo aparecem e não são mais dissolvidas durante o carregamento. O sulfato de chumbo assim gerado diminui a capacidade da bateria, evitando reações no eletrodo devido à sua baixa condutividade elétrica . O processo de sulfatação é interrompido assim que a bateria é recarregada.
Exemplo: uma bateria sulfatada de 1000 CCA (corrente de pico) em nova condição, mas controlada a 12 V e com uma potência de 500 CCA, será retomada após recarregar uma tensão maior ou igual a 12,6 V, mas a potência medida de 500 CCA será mudar pouco. Uma bateria neste estado não permitirá várias partidas consecutivas de um veículo motorizado e pode causar, por exemplo, uma falha de imobilização do primeiro resfriado.
DessulfataçãoExiste uma maneira de reverter o processo de sulfatação de uma bateria. Consiste no envio de pulsos elétricos na frequência de ressonância da bateria (entre 2 e 6 MHz ). Nesse processo, os íons de enxofre colidem com as placas, o que tem o efeito de dissolver o sulfato de chumbo que as cobre.
Para um veículo motorizado, a descarga completa da bateria geralmente ocorre durante baixo consumo por um período prolongado ( por exemplo, luzes superiores), durante o uso frequente do veículo para viagens curtas (o que não deixa tempo para a bateria ser totalmente recarregada), quando o alternador ou qualquer outra parte do sistema elétrico está danificado ou por alto consumo ( por exemplo , faróis médios, ventilação) com o motor parado. A tensão em seguida, é muito baixa nos terminais da bateria, menos do que 10 V para uma bateria cuja tensão nominal é de 12 V .
A condição da bateria de um carro pode ser verificada com um multímetro / voltímetro para verificar a tensão da bateria em repouso (temperatura externa acima de 10 ° C ):
Para veículos estacionados que não são usados por longos períodos de tempo, uma regra geral dá uma descarga de baterias de chumbo-ácido da ordem de 5% ao mês (autodescarga). Esta regra se aplica a uma temperatura de 25 ° C e a descarga é mais rápida em climas frios.
A bateria deve ser recarregada regularmente para não ser danificada por uma descarga completa e para poder dar partida no motor, bastando dirigir por cerca de trinta minutos ou com carregador.
O CCA da bateria, a corrente de pico, que é, portanto, a capacidade de partida a frio, diminui com a temperatura. No inverno, a bateria do veículo perde cerca de 33% da sua potência quando a temperatura cai abaixo de 0 ° C e mais de 50% abaixo de -18 ° C .
É por isso que uma bateria sulfatada que já perdeu parte de seu CCA inicial mostrará sinais de fraqueza no inverno.
A potência necessária para a bateria depende do tipo de motor do veículo: quanto mais pesado e mais eficiente for, mais potência será necessária do motor de partida para dar partida no motor.
Os "carregadores de manutenção da bateria" são úteis, por exemplo, quando o motor do veículo funciona uma vez por mês.
A maioria das baterias novas está apenas parcialmente carregada. Uma bateria nova, que não é recarregada previamente com um carregador adequado, pode ser totalmente descarregada se o veículo não for utilizado para recarregar a bateria (com um número suficiente de quilômetros). Por exemplo :
As baterias totalmente descarregadas devem ser recarregadas em no máximo 48 horas : além disso, o dano é irreversível. A dessulfatação (fornecida por alguns modelos de carregadores de gotejamento) pode estender a vida útil de uma bateria que não está totalmente descarregada.
Os fabricantes de baterias indicam sua vida útil como uma série de ciclos de descarga / recarga padronizados . Ao final de um determinado tempo de operação, dependendo do número e da amplitude dos ciclos, a bateria se esgota: o eletrólito tem uma aparência enegrecida. Exemplo: o uso repetido da plataforma elevatória motorizada de um caminhão com o motor parado acelera o desgaste da bateria do veículo pela bicicleta.
A oxidação é a causa do mau funcionamento da bateria. Quando o nível de eletrólito está muito baixo, as placas entram em contato com o ar e oxidam. A energia de partida é cortada, mesmo se o nível de eletrólito for completado. A falta de eletrólito pode ser decorrente do uso intensivo (exemplo: equipamento auxiliar), de uma alta temperatura externa (maior ou igual a 30 ° C ) ou de uma tensão de carga excessivamente alta.
Acontece que uma bateria cujos terminais estão pouco ou mal apertados vê seus terminais oxidarem, o que impede a passagem de corrente.
Uma maneira de superar isso é cobrir os terminais com uma camada de graxa de cobre.
Baterias de chumbo abertas (empilhadeiras, plataformas aéreas, etc.) têm uma vida útil limitada a aproximadamente 1.500 ciclos. Conforme a energia é armazenada e liberada durante os ciclos de trabalho normais, cristais de sulfato gradualmente se acumulam nos eletrodos, impedindo que a bateria forneça corrente de maneira eficaz. Os cristais realmente “sufocam” a bateria. Mesmo uma carga de dessulfatação nem sempre evita que a bateria tenha de ser substituída após alguns anos.
Para restaurar a capacidade perdida de uma bateria de chumbo / ácido, é necessário forçar a dissolução desses aglomerados de cristais de sulfato de chumbo, o que não ocorre mais durante o ciclo de carregamento convencional. Isso é conhecido como regeneração de bateria, que pode ser feito por meio de um processo usando pulsos elétricos de alta potência, em uma determinada frequência (normalmente algumas centenas de hertz). A energia desses pulsos elétricos é transmitida aos eletrodos. Os cristais de PbSO 4 , que possuem uma resistência maior que o material ativo (Pb / PbO 2 ), irão ressoar sob o efeito dos pulsos. O choque elétrico se transforma em choque mecânico, que inicia e facilita a dissolução dos cristais de sulfato de chumbo no eletrólito. Assim, a superfície ativa dos eletrodos é recuperada e a capacidade da bateria aumenta significativamente. As baterias assim tratadas cobrem funções de armazenamento e condutividade elétrica semelhantes às de uma bateria nova. Este processo é válido em baterias de chumbo-ácido do tipo starter, estacionárias ou de tração.
De acordo com estimativas recentes, cerca de 80% das baterias de chumbo-ácido usadas podem ser regeneradas. No entanto, não é possível restaurar a placa positiva após quatro ou cinco anos de uso normal da bateria. Como resultado, uma bateria de poucos meses pode ser efetivamente regenerada e podemos atingir a taxa de 80% de recondicionamento para funcionar, quanto mais sua duração de uso aumenta com o tempo e menos possível (a degradação natural, devido ao aumento da temperatura da bateria, é inevitável). Este processo é eficaz e vários regeneradores de bateria são usados comercialmente. Por exemplo, uma bateria de chumbo / ácido perde cerca de 50% de sua capacidade após 5 anos de uso. Embora outros problemas possam ser a causa deste envelhecimento (corrosão dos eletrodos, curto-circuito interno, etc.), a principal razão para esta perda de capacidade é muitas vezes a forte sulfatação. Após a regeneração, a capacidade atinge valores que variam de 90% a 100% da capacidade nominal da bateria.
Em 2001, de acordo com um relatório do Senado sobre metais pesados , a cada ano cerca de 7,5 milhões de baterias de automóveis eram substituídas ou abandonadas, possivelmente em estado selvagem (ou seja, 75.000 toneladas de chumbo).
A reciclagem das baterias de chumbo torna-se complexa pela presença de materiais muito diversos ( chumbo metálico , pasta de chumbo , solução de ácido sulfúrico , polipropileno ) e pela periculosidade de alguns destes componentes. Esta reciclagem é mais frequentemente realizada em quatro etapas:
O chumbo refinado é então vendido na forma de lingotes ou blocos. Depois de lavado, o polipropileno triturado é vendido para recicladoras de plásticos. A reciclagem do chumbo assim obtido permite então abastecer novamente as fábricas de baterias. Também é estimado em todo o mundo que em 2011, 55% da produção de chumbo refinado veio de chumbo reciclado.
A capacidade de tratamento das fábricas francesas especializadas nesta atividade está em linha com o pool de baterias usadas coletado anualmente na França. A taxa de arrecadação do setor também é regularmente superior a 100%, conforme revela o relatório anual da ADEME . Além disso, a atuação desse canal de reciclagem atende ao mínimo de reciclagem de 65% do peso, que é definido por lei. As empresas francesas especializadas na reciclagem de baterias de chumbo-ácido também são estritamente regulamentadas pela legislação e estão sujeitas a verificações regulares pelas direcções regionais do ambiente, planeamento e habitação (DREAL). De acordo com um relatório recente do Blacksmith Institute, a indústria de reciclagem de baterias de chumbo-ácido é a mais poluente por sua toxicidade.
Se ingerido ou inalado, o chumbo pode causar intoxicação aguda ou crônica. Pode ser a causa de envenenamento por chumbo . Um bom controle dos riscos apresentados pelas baterias de chumbo-ácido usadas é, portanto, essencial e, por se tratar de um resíduo perigoso para a saúde e o meio ambiente, essas baterias devem ser recolhidas e reprocessadas por empresas especializadas. A fim de prevenir o risco de poluição, as empresas francesas são obrigadas a estabelecer procedimentos de acordo com as melhores técnicas disponíveis e estão sujeitas a controles estritos e regulares . Eles também devem garantir um alto nível de proteção para seus funcionários. Essa proteção envolve treinamento sobre os riscos associados ao chumbo e a utilização sistemática de equipamentos de proteção coletiva e individual . A eficácia dessas medidas é verificada regularmente medindo os níveis de chumbo no sangue dos funcionários.
O desmantelamento realizado em más condições pode causar mortes e poluição duradoura. Isso foi destacado pela Organização Mundial de Saúde em um distrito de Thiaroye-sur-mer (Senegal), onde uma atividade de reciclagem subterrânea foi estabelecida para abastecer um mercado paralelo de baterias. Nesta área, os testes revelaram níveis de chumbo de até 1000 µg / l em algumas pessoas, enquanto concentrações acima de 100 µg / l podem prejudicar o desenvolvimento neurológico em crianças.