Como é a química das nossas baterias

Uma bateria é um dispositivo que armazena energia química e a converte em eletricidade. Isso é conhecido como eletroquímica e o sistema que sustenta uma bateria é chamado de célula eletroquímica. Uma bateria pode ser composta de uma ou várias células eletroquímicas. Cada célula eletroquímica consiste em dois eletrodos separados por um eletrólito.

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Então, de onde uma célula eletroquímica obtém sua eletricidade? Para responder a essa pergunta, precisamos saber o que é eletricidade. Mais simplesmente, a eletricidade é um tipo de energia produzida pelo fluxo de elétrons. Em uma célula eletroquímica, os elétrons são produzidos por uma reação química que acontece em um eletrodo. E então eles fluem para o outro eletrodo, onde são usados. Para entender isso corretamente, precisamos examinar mais de perto os componentes da célula e como eles são montados.

                                     Célula Eletroquímica


Eletrodos

Para produzir um fluxo de elétrons, você precisa ter um lugar para os elétrons fluam de um lugar para outro, processo que é realizado por eletrodos. Os elétrons fluem de um eletrodo denominado ânodo (ou eletrodo negativo) para outro eletrodo denominado cátodo (o eletrodo positivo).
Mas de onde o ânodo obtém todos esses elétrons em primeiro lugar? Tudo se resume à química que está acontecendo dentro da célula. Existem algumas reações químicas que ocorrem nos eletrodos que precisamos entender.
No ânodo, o eletrodo reage com o eletrólito em uma reação que produz elétrons. Esses elétrons se acumulam no ânodo. Enquanto isso, no cátodo, outra reação química ocorre simultaneamente, permitindo que o eletrodo aceite elétrons.
Quimicamente uma reação eletroquímica envolve a troca de elétrons, que recebe o nome de reação de redução-oxidação, mais comumente conhecida como reação redox. Toda reação redox pode ser dividida em duas semirreações. No caso de uma célula eletroquímica, uma meia-reação ocorre no ânodo e a outra no cátodo. Redução é o ganho de elétrons e é o que ocorre no cátodo; dizemos que o cátodo é “reduzido” durante a reação. A oxidação é a perda de elétrons, então dizemos que o ânodo está “oxidado”.
Cada uma dessas semirreações tem um potencial padrão específico. Pense nesse potencial como a capacidade/eficiência da reação de produzir ou receber elétrons. Esse potencial funciona como um cabo de guerra envolvendo a transferência de elétrons.

Potenciais padrão ideais para uma bateria


Uma característica interessante é que o contato de dois materiais condutores que tenham semirreações com potenciais padrões diferentes podem formar uma célula eletroquímica, porque o mais forte será capaz de retirar elétrons do mais fraco. Mas a escolha ideal para um ânodo em uma bateria seria um material que produzisse uma reação com um potencial padrão significativamente mais baixo (mais negativo) do que o material escolhido para o seu cátodo. O que acabamos dizer é que os elétrons são mais atraídos para o cátodo quando a diferença de potencial em relação ao ânodo é muito alta. Quando temos um caminho fácil para chegar lá – um fio condutor – podemos aproveitar melhor a energia química para fornecer mais eletricidade para um telefone ou qualquer outro dispositivo.
A diferença no potencial padrão entre os eletrodos meio que equivale à força com a qual os elétrons viajarão entre os dois eletrodos. Isso é conhecido como potencial eletroquímico geral da bateria e determina a voltagem da célula. Quanto maior for a diferença, maior será o potencial eletroquímico e maior será a voltagem.
Para aumentar a voltagem da bateria, temos duas opções. Poderíamos escolher diferentes materiais para nossos eletrodos, aqueles que darão à célula um maior potencial eletroquímico. Ou podemos empilhar várias células juntas. Quando as células são combinadas de uma maneira particular (em série), isso tem um efeito aditivo na tensão da bateria. Essencialmente, a força com que os elétrons se movem através da bateria pode ser vista como a força total à medida que ela se move do ânodo da primeira célula por todas as células que a bateria contém até o cátodo da célula final.
Quando as células são combinadas de outra maneira (em paralelo), aumenta a corrente possível da bateria, que pode ser considerada como o número total de elétrons fluindo através das células, mas não sua voltagem.


Eletrólito

Mas os eletrodos são apenas uma parte da bateria. Os elétrons têm carga negativa e, como enviamos o fluxo de elétrons negativos pelo nosso circuito da bateria, precisamos encontrar uma maneira de equilibrar esse movimento de carga. Para isso, usamos um eletrólito que é um meio através do qual os íons podem fluir.
Como a reação química no ânodo produz elétrons, para manter um equilíbrio de carga neutro no eletrodo, uma quantidade correspondente de íons carregados positivamente também é produzida. Eles não descem pelo fio externo, mas são liberados para o eletrólito.
Ao mesmo tempo, o cátodo também deve equilibrar a carga negativa dos elétrons que recebe, de modo que a reação que ocorre aqui deve puxar íons carregados positivamente do eletrólito. Alternativamente, ele também pode liberar íons carregados negativamente do eletrodo para o eletrólito.
Assim, enquanto o fio externo fornece o caminho para o fluxo de elétrons carregados negativamente, o eletrólito fornece o caminho para a transferência de íons carregados positivamente para equilibrar o fluxo negativo. Esse fluxo de íons carregados positivamente é tão importante quanto os elétrons que fornecem a corrente elétrica no circuito externo que usamos para alimentar nossos dispositivos. A função de equilíbrio de carga que eles desempenham é necessária para manter toda a reação em execução.
Agora, se todos os íons liberados no eletrólito pudessem se mover completamente livremente através do eletrólito, eles acabariam revestindo as superfícies dos eletrodos e obstruindo todo o sistema. Portanto, a célula geralmente deve ter algum tipo de barreira para impedir que isso aconteça.


Recarregando uma bateria


Algumas baterias comuns são de uso único (conhecidas como baterias primárias ou descartáveis). A viagem que os elétrons fazem do ânodo ao cátodo é unilateral. Ou seus eletrodos se esgotam conforme eles liberam seus íons positivos ou negativos no eletrólito, ou o acúmulo de produtos de reação nos eletrodos impede que a reação continue, e é feito e polvilhado. A bateria acaba na lixeira (ou, com sorte, na reciclagem, mas isso é outro assunto do Nova).
Então, a coisa interessante sobre esse fluxo de íons e elétrons, conforme ocorre em alguns tipos de baterias que têm materiais de eletrodo apropriados, é que também pode retroceder, levando nossa bateria de volta ao seu ponto de partida e dando-lhe um novo sopro de vida. Assim como as baterias transformaram a maneira como pudemos usar vários dispositivos elétricos, as baterias recarregáveis transformaram ainda mais a utilidade e a vida útil desses dispositivos.
Quando conectamos uma bateria quase vazia a uma fonte externa de eletricidade e enviamos energia de volta para a bateria, ela reverte a reação química que ocorreu durante a descarga. Isso envia os íons positivos liberados do ânodo para o eletrólito de volta ao ânodo, e os elétrons que o cátodo absorveu também de volta ao ânodo. O retorno de ambos os íons positivos e elétrons de volta para o ânodo prepara o sistema para que eles pronto para correr de novo: sua bateria é recarregada.
O processo não é perfeito, entretanto. A substituição dos íons negativos e positivos do eletrólito de volta para o eletrodo relevante quando a bateria é recarregada não é tão organizada ou bem estruturada como o eletrodo estava em primeiro lugar. Cada ciclo de carga degrada os eletrodos um pouco mais, o que significa que a bateria perde desempenho com o tempo, e é por isso que mesmo as baterias recarregáveis não funcionam para sempre.
Ao longo de vários ciclos de carga e descarga, a forma dos cristais da bateria torna-se menos ordenada. Isso é exacerbado quando uma bateria é descarregada/recarregada em alta velocidade – por exemplo, se você dirige seu carro elétrico em grandes explosões de velocidade, em vez de continuamente. O ciclo de alta frequência faz com que a estrutura cristalina se torne mais desordenada, resultando em uma bateria menos eficiente.


Efeito de memória e autodescarga

As reações de descarga e recarga não-completamente reversíveis também contribuem para algo chamado “efeito memória”. Quando você recarrega alguns tipos de baterias recarregáveis sem descarregá-las suficientemente primeiro, elas “lembram” onde estavam nos ciclos de descarga anteriores e não recarregam corretamente.
Em algumas células, é causado pela maneira como o metal e o eletrólito reagem para formar um sal (e a maneira como o sal se dissolve novamente e o metal é substituído nos eletrodos quando você os recarrega). Queremos que nossas células tenham cristais pequenos e uniformes de sal revestindo uma superfície de metal perfeita, mas não é isso que temos no mundo real!
A forma como alguns cristais se forma é muito complexa, e a forma como alguns metais se depositam durante a recarga também é surpreendentemente complexa, razão pela qual alguns tipos de bateria têm um efeito de memória maior do que outros. As imperfeições dependem principalmente do estado de carga da bateria inicial, da temperatura, da tensão de carga e da corrente de carga. Com o tempo, as imperfeições em um ciclo de carga podem causar o mesmo no próximo ciclo de carga e assim por diante, e nossa bateria pega algumas memórias ruins. O efeito de memória é forte para alguns tipos de células, como baterias à base de níquel. Outros tipos, como o íon de lítio, não sofrem com esse problema.
Outro aspecto das baterias recarregáveis é que a química que as torna recarregáveis também significa que elas têm uma tendência maior para a autodescarga. Isso ocorre quando as reações internas ocorrem dentro da célula da bateria, mesmo quando os eletrodos não estão conectados através do circuito externo. Isso faz com que a célula perca parte de sua energia química ao longo do tempo. Uma alta taxa de autodescarga limita seriamente a vida útil da bateria – e faz com que morram durante o armazenamento.
As baterias de íon-lítio em nossos telefones celulares têm uma boa taxa de autodescarga de cerca de 2-3 por cento ao mês, e nossas baterias de chumbo-ácido para carros também são bastante razoáveis – elas tendem a perder 4-6 % ao mês. As baterias à base de níquel perdem cerca de 10-15% de sua carga por mês. Uma bateria alcalina não recarregável perde apenas cerca de 2–3% de sua carga por ano.
Tensão, corrente, potência, capacidade … qual é a diferença?
Todas essas palavras descrevem basicamente a força de uma bateria.
Tensão = força na qual a reação que conduz a bateria empurra os elétrons através da célula. Isso também é conhecido como potencial elétrico e depende da diferença de potencial entre as reações que ocorrem em cada um dos eletrodos, ou seja, com que força o cátodo puxará os elétrons (através do circuito) do ânodo. Quanto mais alta a voltagem, mais trabalho o mesmo número de elétrons pode fazer.
Corrente = o número de elétrons que passam por qualquer ponto de um circuito em um determinado momento. Quanto mais alta a corrente, mais trabalho ele pode fazer com a mesma voltagem. Dentro da célula, você também pode pensar na corrente como o número de íons que se movem através do eletrólito, vezes a carga desses íons.
Potência = tensão x corrente. Quanto maior a potência, mais rápida a taxa em que uma bateria pode funcionar – esta relação mostra como a tensão e a corrente são importantes para descobrir para que uma bateria é adequada.
Capacidade = a potência da bateria em função do tempo, que é usada para descrever por quanto tempo uma bateria será capaz de alimentar um dispositivo. Uma bateria de alta capacidade será capaz de funcionar por um período mais longo antes de ficar sem carga / sem corrente. Algumas baterias têm uma pequena peculiaridade – se você tentar extrair muito delas muito rapidamente, as reações químicas envolvidas não conseguirão acompanhar e a capacidade será menor. Portanto, sempre temos que ter cuidado quando falamos sobre a capacidade da bateria e lembrar para que ela será usada.
Outro termo popular é densidade de energia que é a quantidade de energia que um dispositivo pode conter por unidade de volume, em outras palavras, quanto você consegue pelo seu investimento em termos de potência x tamanho. Com uma bateria, geralmente quanto maior a densidade de energia, melhor, pois isso significa que a bateria pode ser menor e mais compacta, o que é sempre uma vantagem quando você precisa dela para alimentar algo que deseja manter no bolso. É até uma vantagem para carros elétricos – a bateria tem que caber no carro de alguma forma!
Para algumas aplicações, como o armazenamento de eletricidade em uma usina de energia renovável, como um parque eólico ou solar, uma alta densidade de energia não é tanto um problema, pois provavelmente haverá um amplo espaço para armazenar as baterias. O principal objetivo desse uso seria simplesmente armazenar o máximo de eletricidade possível, da maneira mais segura e econômica possível.


Por que tantos tipos?


Uma variedade de materiais (costumavam ser apenas metais) podem ser usados como eletrodos em uma bateria. Ao longo dos anos, muitas, muitas combinações diferentes foram testadas, mas há apenas algumas que realmente foram viáveis para serem usadas comercialmente.
Materiais diferentes têm propriedades eletroquímicas diferentes e, portanto, produzem resultados diferentes quando você os coloca juntos em uma célula de bateria. Por exemplo, algumas combinações irão produzir uma alta tensão, muito rapidamente, mas depois cair rapidamente, incapaz de sustentar essa tensão por muito tempo. Isso é bom se você precisar produzir, digamos, um flash repentino de luz como o flash de uma câmera.
Outras combinações produzirão apenas um tipo de corrente por muito tempo. O uso dessa combinação é ideal, por exemplo, para detectores de fumaça continuem funcionando por muito tempo.
Outra razão para usar diferentes combinações de metais é que muitas vezes duas ou mais células de bateria precisam ser empilhadas para obter a voltagem necessária, e acontece que algumas combinações de eletrodos se empilham com muito mais felicidade do que outras combinações. Por exemplo, as baterias de fosfato de ferro-lítio (um tipo de bateria de íon-lítio) usadas em carros elétricos empilham-se para fazer sistemas de alta tensão (100 ou mais volts), mas você nunca faria isso com aquelas baterias NiCad Walkman que têm quente!
Nossas diferentes necessidades ao longo do tempo levaram ao desenvolvimento de uma grande variedade de tipos de baterias. Para ler mais sobre eles e o que o futuro reserva para a energia da bateria, verifique nossos outros tópicos do Nova.

Fonte:
Australian Academy of Science

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