Como Funciona a Bateria de Chumbo-Ácido ｜ PT

Inventada pelo médico francês Gaston Planté em 1859, a bateria de chumbo-ácido foi a primeira bateria recarregável para uso comercial. Apesar de sua idade avançada, a química do chumbo continua sendo amplamente utilizada hoje. Existem boas razões para sua popularidade; o chumbo-ácido é confiável e econômico em termos de custo por watt. Poucas baterias entregam energia a granel tão baratamente quanto o chumbo-ácido, tornando-o rentável para automóveis, carrinhos de golfe, empilhadeiras, embarcações marítimas e fontes de alimentação ininterrupta (UPS).

A estrutura de grade da bateria de chumbo-ácido é feita de uma liga de chumbo. O chumbo puro é muito macio e não se sustentaria sozinho, então pequenas quantidades de outros metais são adicionadas para obter resistência mecânica e melhorar as propriedades elétricas. Os aditivos mais comuns são antimônio, cálcio, estanho e selênio. Essas baterias são frequentemente conhecidas como "chumbo-antimônio" e "chumbo-cálcio".

A adição de antimônio e estanho melhora o ciclo profundo, mas isso aumenta o consumo de água e aumenta a necessidade de equalização. O cálcio reduz a autodescarga, mas a placa positiva de chumbo-cálcio tem o efeito colateral de crescer devido à oxidação da grade quando é sobrecarregada. As baterias de chumbo-ácido modernas também utilizam agentes de dopagem como selênio, cádmio, estanho e arsênico para reduzir o teor de antimônio e cálcio.

O chumbo-ácido é pesado e menos durável que os sistemas à base de níquel e lítio quando descarregados profundamente. Uma descarga completa causa tensão e cada ciclo de descarga/carga rouba permanentemente uma pequena quantidade de capacidade da bateria. Essa perda é pequena enquanto a bateria estiver em boas condições de funcionamento, mas o desbotamento aumenta uma vez que o desempenho cai pela metade da capacidade nominal. Essa característica de desgaste se aplica a todas as baterias em diferentes graus.

Dependendo da profundidade da descarga, o chumbo-ácido para aplicações de ciclo profundo fornece de 200 a 300 ciclos de descarga/carga. As principais razões para sua vida útil relativamente curta são a corrosão da grade no eletrodo positivo, o esgotamento do material ativo e a expansão das placas positivas. Esse fenômeno de envelhecimento é acelerado em temperaturas de operação elevadas e ao desenhar altas correntes de descarga.

Carregar uma bateria de chumbo-ácido é simples, mas os limites de voltagem corretos devem ser observados. Escolher um limite de voltagem baixo protege a bateria, mas isso produz um desempenho ruim e causa acumulação de sulfatação na placa negativa. Por outro lado, um limite de voltagem alto melhora o desempenho, mas forma corrosão da grade na placa positiva. Embora a sulfatação possa ser revertida se for feito o serviço a tempo, a corrosão é permanente.

O chumbo-ácido não se presta à carga rápida e, na maioria dos tipos, uma carga completa leva de 14 a 16 horas. A bateria deve sempre ser armazenada com carga completa. A baixa carga causa sulfatação, uma condição que reduz o desempenho da bateria. A adição de carbono no eletrodo negativo reduz esse problema, mas isso reduz a energia específica.

O chumbo-ácido tem uma vida útil moderada, mas não está sujeito a efeito de memória como os sistemas à base de níquel e a retenção de carga é a melhor entre as baterias recarregáveis. Enquanto as NiCd perdem aproximadamente 40% de sua energia armazenada em três meses, o chumbo-ácido se autodescarga na mesma quantidade em um ano. A bateria de chumbo-ácido funciona bem em baixas temperaturas e é superior ao íon de lítio quando operando em condições subzero. Segundo a RWTH, Aachen, Alemanha (2018), o custo do chumbo-ácido inundado é de cerca de $150 por kWh, um dos mais baixos em baterias.

Ácido de Chumbo Selado

O primeiro ácido de chumbo selado, ou sem manutenção, surgiu na metade da década de 1970. Os engenheiros argumentaram que o termo "ácido de chumbo selado" era incorreto porque nenhuma bateria de ácido de chumbo pode ser totalmente selada. Para controlar o dreno durante a carga estressante e a descarga rápida, válvulas foram adicionadas para liberar gases se a pressão aumentar. Em vez de submergir as placas em um líquido, o eletrólito é impregnado em um separador umedecido, um design que se assemelha aos sistemas à base de níquel e lítio. Isso permite operar a bateria em qualquer orientação física sem vazamento.

A bateria selada contém menos eletrólito do que o tipo inundado, daí o termo "faminto de ácido". Talvez a vantagem mais significativa do ácido de chumbo selado seja a capacidade de combinar oxigênio e hidrogênio para criar água e evitar o ressecamento durante o ciclo. A recombinação ocorre a uma pressão moderada de 0,14 bar (2 psi). A válvula serve como uma ventilação de segurança se a acumulação de gás aumentar. A ventilação repetida deve ser evitada, pois isso levará eventualmente a um ressecamento. Segundo a RWTH, Aachen, Alemanha (2018), o custo do VRLA é de cerca de $260 por kWh.

Vários tipos de ácido de chumbo selado surgiram e os mais comuns são gel, também conhecido como ácido de chumbo regulado por válvula (VRLA), e tapete de vidro absorvente (AGM). A célula de gel contém um gel de sílica que suspende o eletrólito em uma pasta. Pacotes menores com capacidades de até 30 Ah são frequentemente chamados de SLA (ácido de chumbo selado). Embaladas em um contêiner de plástico, essas baterias são usadas para pequenas UPS, iluminação de emergência e cadeiras de rodas. Devido ao preço baixo, serviço confiável e baixa manutenção, o SLA continua sendo a escolha preferida para assistência médica em hospitais e lares de idosos. O VRLA maior é usado como backup de energia para torres repetidoras celulares, hubs de Internet, bancos, hospitais, aeroportos e muito mais.

O AGM suspende o eletrólito em um tapete de vidro especialmente projetado. Isso oferece várias vantagens aos sistemas de ácido de chumbo, incluindo carga mais rápida e correntes instantâneas de alta carga sob demanda. O AGM funciona melhor como uma bateria de médio alcance com capacidades de 30 a 100 Ah e é menos adequado para sistemas grandes, como UPS. Os usos típicos são baterias de partida para motocicletas, função de partida-parada para carros micro-híbridos, bem como marítimos e RV que precisam de algum ciclismo.

Com o ciclo e a idade, a capacidade do AGM diminui gradualmente; o gel, por outro lado, tem uma curva de desempenho em forma de cúpula e permanece no alto desempenho por mais tempo, mas depois cai repentinamente no final da vida útil. O AGM é mais caro que o inundado, mas é mais barato que o gel. (O gel seria muito caro para uso de partida/parada em carros).

Ao contrário do inundado, a bateria de ácido de chumbo selado é projetada com um baixo potencial de sobretensão para proibir a bateria de atingir seu potencial gerador de gás durante a carga. O carregamento excessivo causa gasificação, ventilação e subsequente esgotamento de água e ressecamento. Consequentemente, o gel e, em parte, também o AGM, não podem ser carregados em seu potencial máximo e o limite de voltagem de carga deve ser ajustado mais baixo do que o de um inundado. Isso também se aplica à carga flutuante na carga completa. Em relação ao carregamento, o gel e o AGM não são substitutos diretos do tipo inundado. Se nenhum carregador designado estiver disponível para AGM com configurações de voltagem mais baixas, desconecte o carregador após 24 horas de carga. Isso evita a gasificação devido a uma voltagem flutuante configurada muito alta.

A temperatura de operação ideal para uma bateria VRLA é de 25°C (77°F); cada aumento de 8°C (15°F) acima desse limite de temperatura reduz pela metade a vida útil da bateria. As baterias de ácido de chumbo são classificadas em uma taxa de descarga de 5 horas (0.2C) e 20 horas (0.05C). A bateria funciona melhor quando descarregada lentamente; as leituras de capacidade são substancialmente mais altas em uma descarga mais lenta do que na taxa de 1C. No entanto, o ácido de chumbo pode fornecer altas correntes de pulso de vários C se feito por apenas alguns segundos. Isso torna o ácido de chumbo adequado como bateria de partida, também conhecida como partida-iluminação-ignição (SLI). O alto conteúdo de chumbo e o ácido sulfúrico tornam o ácido de chumbo ambientalmente prejudicial.

As baterias de ácido de chumbo são comumente classificadas em três usos: automotivo (partida ou SLI), tração (tração ou ciclo profundo) e estacionário (UPS).

Baterias de Partida

A bateria de partida é projetada para acionar um motor com uma carga de alta potência momentânea que dura um segundo mais ou menos. Para o seu tamanho, a bateria pode fornecer uma corrente alta, mas não pode ser cíclica profunda. As baterias de partida são classificadas com Ah ou RS (capacidade de reserva) para indicar a capacidade de armazenamento de energia, bem como CCA (amperes de arranque a frio) para significar a corrente que uma bateria pode fornecer em temperatura fria. SAE J537 especifica 30 segundos de descarga a –18°C (0°F) nos amperes CCA classificados sem que a tensão da bateria caia abaixo de 7,2 volts. RC reflete o tempo de execução em minutos a uma descarga constante de 25%.

As baterias de partida têm uma resistência interna muito baixa que é alcançada adicionando placas extras para obter a máxima superfície. As placas são finas e o chumbo é aplicado em forma de esponja que tem a aparência de uma espuma fina, expandindo ainda mais a superfície. A espessura da placa, que é importante para uma bateria de ciclo profundo, é menos importante porque a descarga é curta e a bateria é recarregada durante a condução; o ênfase está no poder em vez da capacidade.

Bateria de Ciclo Profundo

A bateria de ciclo profundo é projetada para fornecer energia contínua para cadeiras de rodas, carrinhos de golfe, empilhadeiras e mais. Esta bateria é construída para capacidade máxima e uma contagem de ciclo razoavelmente alta. Isso é alcançado tornando as placas de chumbo espessas. Embora a bateria seja projetada para ciclagem, descargas completas ainda induzem estresse e a contagem de ciclo está relacionada com a profundidade da descarga (DoD). As baterias de ciclo profundo são marcadas em Ah ou minutos de tempo de execução. A capacidade é tipicamente classificada como uma descarga de 5 horas e 20 horas.

Uma bateria de partida não pode ser trocada por uma bateria de ciclo profundo ou vice-versa. Embora um idoso inventivo possa ser tentado a instalar uma bateria de partida em vez da mais cara de ciclo profundo em sua cadeira de rodas para economizar dinheiro, a bateria de partida não duraria porque as placas esponjosas finas se dissolveriam rapidamente com repetidas ciclagens profundas.

Existem baterias de partida/ciclo profundo combinadas disponíveis para caminhões, ônibus, veículos de segurança pública e militares, mas essas unidades são grandes e pesadas. Como guia simples, quanto mais pesada for a bateria, mais chumbo ela contém e mais tempo durará. A Tabela 3 compara a vida útil típica das baterias de partida e ciclo profundo quando cicladas profundamente.