As reacções electroquímicas não são reversíveis: durante a descarga a energia eléctrica é libertada, até à exaustão dos compostos químicos. Só podem ser usadas só uma vez até à descarga.

Células (Pilhas/ Baterias) Comerciais

Células Primárias:

Células Secundárias ou Acumuladores:As reacções electroquímicas são reversíveis e os compostos originais podem ser recuperados por aplicação de um potencial entre os eléctrodos. Podem ser recarregadas, até ao número máximo de ciclos de recarga.

Pilha - célula galvânica

Bateria - conjunto de pilhas ou células galvânicas ligadas em série

Características:• Diferença de potencial constante (V), gerada durante um certo tempo, a que corresponde uma corrente eléctrica contínua, também constante. V< f.e.m. (circuito aberto).• Energia total armazenada (E), expressa em W h.• Densidade de Energia (energia total que a pilha fornece dividida pela sua massa, expressa em W h/kg.

PILHAS/BATERIAS PRIMÁRIAS1. Pilhas de Leclanché (pilhas secas)

A – Vedante, em material isolanteB – Cátodo (grafite com a ponta metálica - contacto)C – Ânodo (zinco)D – Mistura de MnO2 (oxidante), e

electrólito, constituído por: NH4Cl

(fonte de H+), e ZnCl2 em água

Reacção Anódica: Zn Zn2+ + 2 e- Reacção Catódica: Mn4+ + e- Mn3+ (reacção verdadeira: 2 MnO2 + 2H+ + 2e- Mn2O3 + H2O) f.e.m.=1.5 V

Aplicações: lanternas, brinquedos, rádios.São as mais baratas no mercado, mas possuem a menor densidade de energia e funcionam mal em aplicações que exijam corrente.

E0 = - 0.763 VZn2+/Zn0

E0 = + 0.95 VMnO2/Mn3+

2. Pilhas AlcalinasÂnodo: Aço em contacto com pó de Zinco

Cátodo: Aço em contacto com pó de MnO2 e grafite

Electrólito: solução aquosa de KOH

plástico protector, isolante

separador em tecido

cátodo: pó de grafite + MnO2 em água e KOH

invólucro em aço, revestido a Níquel (contacto do cátodo)

ânodo: Zinco em pó

colector do ânodo (revestido a Sn)selante em plástico

separador fundo metálico

Reacções parciais de eléctrodo:Zn(s) + 2 OH-(aq)—> ZnO(s) + H2O(l) + 2 e-

2 MnO2(s)+ H2O(l) + 2 e- —>Mn2O3 (s)+ 2 OH- (aq)

Reacção global da pilha:Zn(s) + 2 MnO2(s) —> ZnO(s) + Mn2O3(s) f.e.m.=1.5 V

Aplicações: Rádios, brinquedos, flash de máquinas fotográficas, relógios.

Vantagens: Mais do dobro da densidade de energia e 4 a 9 vezes maior duração que as equivalentes de Leclanché

3. Pilhas de Lítio

Ânodo: Li metálico

Para usos industriais:Cátodo: cloreto de tionilo Electrólito: tetracloreto de lítio

Para consumo:Cátodo: MnO2

Electrólito: um sal de lítio inorgânico composto numa mistura de alta permitividade.

Vantagens: elevada f.e.m.

Aplicações: “pace-makers”, todas as das pilhas alcalinas

E0 = - 3.040 VLi+/Li0

f.e.m. = 3 V

Reacção Anódica:

Reacção Catódica:

Li(s)—> Li+ + e-

E0 = + 0.95 VMnO2/Mn3+2 MnO2 + H2O + 2 e- —>Mn2O3 + 2 OH-

Desvantagens: demasiada reactividade do Li pode levar a inflamações

1. Pilhas Ácidas de Chumbo

PILHAS/BATERIAS SECUNDÁRIAS

6 células ligadas em série, cada uma tendo uma f.e.m. de ~2 V, dando um total de 12 V

Ânodo: Chumbo metálico esponjosoCátodo: Dióxido de chumbo (PbO2)Electrólito: Solução aquosa (~6 M) de H2SO4

Reacção Anódica:

Reacção Catódica:

Reacção Global:

Durante a descarga:

E0 = - 0.36 VPbSO4/Pb0

E0 = + 1.46 VPbO2/Pb2+

Durante a carga:

1. Pilhas Ácidas de Chumbo – Cont.

Aplicações: motores de automóveis, equipamento de construção, barcos de recreio, sistemas de backup. Representam mais de metade das baterias comerciais.

Vantagens: 30-50 W h/kg. 200-300 ciclos. Baixo custo, ciclo de vida longo, capacidade para aquentar maus tratos. Suportam altas e baixas temperaturas.

Desvantagens: O Pb é pesado e tóxico. Reciclar. Para altas voltagens, a água decompõe-se em H2

e O2, o que requer a reposição do nível. Possibilidade de explosão para concentrações elevadas

desta mistura. Fumos do ácido podem ter efeitos corrosivos na área circundante.

Resolução parcial: baterias “seladas” ou com válvula reguladora (sem manutenção).

2. Pilhas de Níquel-Cádmio (NiCd)

Ânodo: Cádmio (Cd)Cátodo: NiO(OH)Electrólito: KOH aquoso

Reacções parcias de Eléctrodo:Anódica: Cd + 2OH- —> Cd(OH)2 + 2e-

Catódica: NiOOH(s) + H2O(l) + e‐ → Ni(OH)2(s) + OH‐(aq)Reacção global:Cd(s) + 2 NiOOH(s) + 2H2O(l) —> Cd(OH)2(s) + Ni(OH)2 (s)

f.e.m.=1.25 VAplicações: Calculadoras, câmaras digitais, lap tops, desfibriladores, veículos eléctricos

Vantagens: 45-80 W h/kg. 1500 ciclos. V constante ao longo do tempo de vida. Resistência significativamente mais baixa do que outras pilhas com a mesma V, podem fornecer correntes mais elevadas.

E0 = - 0.81 VCd2+/Cd0

E0 = + 0.49 VNiOOH/Ni(OH)2

Desvantagens: o Cd é tóxico. Reciclar.

3. Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

As Baterias dos Carros Híbridos de Hoje

(Hidreto metálico)

Reacção Catódica:

M: Composto intermetálico de fórmula AB5, onde A é uma mistura de terras raras (La, Ce, Ne, Pr) e B um metal como Ni, Co, Mn e/ou Al.

Reacção Anódica:

(Oxihidróxido de Níquel)

O ânodo é de um composto intermetálico capaz de se ligar ao H.O cátodo é de NiOOH.Electrólito alcalino, geralmente KOH.Pode ter 2 a 3 vezes a capacidade de uma pilha do mesmo tamanho de NiCd.

f.e.m.=1.25 V

MH(s) + OH‐(aq) → M(s) + H2O(l) + e‐

NiOOH(s) + H2O(l) + e‐ → Ni(OH)2(s) + OH‐(aq)

MH(s) + NiOOH(s) → M(s) + Ni(OH)2(s)

Reacção Global:

Constituição:1ª geração :38 módulos prismáticos de NiMH PanasonicCada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (228 células)2ª geração :28 módulos prismáticos de NiMH PanasonicCada módulo contém 6 células de 1.2 V ligadas em série (168 células)Voltagem nominal: 201.6 VPeso: 53.3 kgPotência de descarga: 20 kW a 50% de carga. Aumenta com o aumento de temperatura.Computador dedicado para manter a temperatura e o nível de carga óptimos.Arrefecimento das bateriais: pelo ar da cabine.

Toyota Prius

Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

Localização: atrás do banco traseiro

Toyota HighlandereLexus RX 400h

Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

Constituição:240 célulasVoltagem nominal: 288 V convertidos pelo boost em 500 VCada módulo tem o seu próprio sistema de controlo e arrrefecimento. A performance do arrefecimento reduz perdas de eficiência por aquecimento excessivo. O sistema de controloe mantém o nível de carga constante enquanto o motor está ligado.18% mais pequena que a NiMH do Prius, mas fornece potência 40% superior.

Localização: por baixo dos bancos traseiros

Ford Escape

Constituição:250 células NiMH Sanyo, cada uma com 1.3 V. Estão soldadas em módulos de 5 células (50 módulos).Voltagem nominal: 330 V.

Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

Honda Insight

Constituição:120 células NiMH Panasonic, com 1.2 V cada.Voltagem nominal: 144 VTem capacidade para descarga de 100 A , 50 A em carga.

Localização:Por baixo da bagageira, junto da unidade de controlo integrada

Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

Saturn Vue Green Line (GM)

Localização:Por baixo da bagageira (no espaço que seria para o pneu sobressalente)

Desenhada por Cobasys (EUA)Voltagem nominal: 36 VCapaz de fornecer 14.5 kW de potência em picoPotência de 12 V para acessórios e potência para carregar a bateria

Níquel – Hidreto Metálico (NiMH)

As Baterias dos Carros Híbridos de Amanhã e dos Carros Eléctricos

4. Pilhas de Ião Lítio A densidade de energia é superior a qualquer outro tipo de célula, como as NiMH usadas correntemente.É esta capacidade que torna possíveis os carros eléctricos.

Ex:As baterias do EV1 da GM (1997) usavam células ácidas de Pb: cada bateria tinha 276 cm e pesava 545 kg. Com as células de Li armazena-se a mesma quantidade de energia (16 kWh) num contentor com 173 cm pesando 181 kg.

4. Pilhas de Ião Litio

Aplicações: portáteis, telemóveis, veículos eléctricos.Vantagens: voltagem elevada , descarga lenta.110-160 W h/kg. 150-250 ciclos. Desvantagens: Perigo de produzir Li metálico em caso de curto-circuito. Reciclar.

Ânodo: grafite com Li intercalado

Dióxido de Cobalto: Li1-xCoO2 LixC6 - 3.7 VNíquel-Cobalto-Manganês (NCM): LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2

Níquel-Cobalto-Alumiíio (NCA): LiNi0.8Co0.2−xAlxO2

Óxido de Manganês (MnO): LiMn2O4 - 4 VFosfato de Ferro (FePo): LiFePO4 - 3.3 V

Parâmetro crítico: a velocidade à qual o cátodo pode absorver e emitir iões Li+ livres

Cátodo:(compostos de intercalação)

LixC6(s) → x Li+(sol) + 6 C(s) + xe‐

Reacção Anódica:

(oxidação do C)

Reacção Catódica:

(redução do Co)

LixC6(s) + Li1 x‐ CoO2(s) → 6 C(s) + LiCoO2(s)Reacção Global:

Cátodo:Li1-xCoO2

Ânodo:LixC6

Electrólito condutor de iões Li+

CARGA

DESCARGA

Li1 x‐ CoO2(s) + x Li+(sol) + xe‐ → LiCoO2(s)

Convertem a energia química (de combustão) directamente em energia eléctrica Pilhas de Combustível

ânodo poroso

cátodo poroso

H2 O2

H2O

electrólito

Reacção Anódica: H2(g) 2 H+(aq) + 2 e-

Reacção Catódica: O2(g) + 4 e- + 4 H+(aq) 2 H2O(l)Reacção Global: 2 H2(g) + O2(g) H2O(l) f.e.m= 1.23 V

Não são células primárias, porque nem os reagentes nem os produtos são armazenados.Os reagentes têm que ser alimentados continuamente.Não são células secundárias, porque não são recarregáveis.

Aplicações: submarinos não nucleares, aeronaves, primeiros automóveis (GM)Vantagens: Não são poluentes: o único subproduto é H2O e esta pode ser reutilizada pelas tripulações. Desvantagens: preço, armazenamento e transporte de H2.

Ver na membrana as várias hipóteses incluindo polímeros, sais inorgânicos fundidos e electrólitos

Alkali fuel cells Molten Carbonate fuel cells (MCFC)Phosphoric Acid fuel cells (PAFCProton Exchange Membrane (PEM) fuel cells work with a polymer electrolyte in the form of a thin, permeable sheet. Solid Oxide fuel cells (SOFC)

Células Directas de Combustível de Metanol

CO envenena o catalisador de Pt

200 mW/cm2

0.5 V (4-5 bar O2) 140 oC

Catalisadores de Pt-Ru apresentam melhor performance

eléctrodos porosos membrana condutora de protões

O2 /ar

H2O /ar

Liberta CO2