Pilhas Primárias e Secundárias

Pilhas Primárias e Secundárias Por Guilherme Cadorim”

História das Pilhas A história da pilha é bastante antiga e nos remete ao nome de Luigi Galvani, médico e professor de anatomia da Universidade de Bolonha, que tinha em seus estudos uma área que reunia interesses quanto aos efeitos de descargas elétricas; Galvani observou que ocorrência de movimento na perna de uma rã, mesmo que amputada ou dissecada, quando essa fazia parte de um circuito elétrico. Ele descreveu essa experiência em seus estudos como se existisse uma “eletricidade animal” e mais tarde os publicou. Alessandro Volta discordou das conclusões de Galvani e passou a realizar testes, chegando mais tarde a resoluta de que, mais atenção deveria ser dada aos metais e não a rã pois, os músculos só se contraiam devido aos contatos elétricos e os metais interagiam entre si de forma ainda pouco conhecida. Conclui mais tarde que a diferença dos metais era quem causava o fenômeno. Para prosseguir em seus trabalho Volta precisou reformular os conceitos de eletricidade e foi nesse ponto em que ele disse: “ A quantidade de eletricidade que é posta em movimento pelo contato de metais não é pequena; Ela é de fato considerável, mesmo sendo pouco detectada no eletrômetro e facilmente isolada por mais condutores”. Volta estava certíssimo. A força elétrica dava entrada no mundo. A Pilha era inicialmente uma pilha de discos de zinco e cobre, cada um separado por outros discos de papelão umedecidos com água acidulada.

O que é uma pilha? A pilha é uma fonte portátil de energia que é composta de três itens básicos: um ânodo, um cátodo e um eletrólito. Ânodo - Eletrodo Negativo da Pilha (pólo negativo) Cátodo - Eletrodo Positivo da Pilha (pólo positivo) Eletrólito - Condutor iônico que envolve os eletrodos de uma pilha, ou seja, solução condutiva entre os dois eletrodos. Estes três componentes podem ser feitos de muitos materiais diferentes e também podem ser combinados de várias formas. A escolha do material a ser usado, o tipo, e a qualidade destes materiais são importantes para determinar os níveis de energia e de desempenho da pilha.

Como funciona uma pilha? Para ilustrar como funciona a pilha e como interagem seus componentes, veja ao lado o exemplo simplificado de uma pilha e uma lâmpada em funcionamento. A medida que a lâmpada recebe energia da pilha, os elétrons começam a fluir do ânodo, através da conexão externa da lâmpada, e chegam ao cátodo. Conforme a utilização da pilha, a sua voltagem diminui, já que o ânodo e o cátodo fazem trocas eletroquímicas. Esta troca de energia continuará até que o ânodo não possa liberar elétrons e o cátodo não possa recebê-los. Uma vez que a pilha atinge este estado, a lâmpada não acenderá mais. O tempo de duração de uma pilha depende de vários fatores: o tamanho da pilha, o consumo de energia da lâmpada ou de qualquer outro aparelho e quanto tempo usa-se a pilha

As pilhas dividem-se em 2 tipos principais: As PRIMÁRIAS – são aquelas de uso descartável, que não aceitam recarga. Dos vários tipos existentes as mais comuns são as de zinco-carvão (baratas e de baixa capacidade) e as alcalinas, que embora custem mais caro, apresentam uma capacidade maior, sendo de menor custo por watt na maioria das aplicações. As SECUNDÁRIAS – são as que podem ser recarregadas.

Secundárias Pilhas NiCd O primeiro tipo de pilha recarregável que apareceu nas aplicações domésticas foram as chamadas Níquel Cádmio, ou NiCd. Este nome obviamente deriva das matérias primas usadas em sua confecção. Estas pilhas são bastante robustas e de baixa resistência interna, portanto capazes de oferecer elevadas correntes. Em contrapartida não apresentam grande capacidade (para os padrões atuais) e tem uma limitação de cerca de 500 ciclos de carga / descarga. São afetadas pelo chamado efeito memória, que veremos mais adiante. As pilhas NiCd devem ser descartadas nos coletores de lixo seletivo, pois o Cádmio é um metal altamente poluente e seu uso vem sendo banido em vários paises. Tudo indica que este tipo de pilha deve desaparecer.

Secundárias Pilhas NiMH São pilhas de Níquel Metal Hidreto. É a geração atual, com sensíveis vantagens sobre a NiCd, como: * Maior capacidade * Maior quantidade de ciclos de carga descarga (os fabricantes afirmam ser de aproximadamente 1000 se a pilha for corretamente utilizada). * Menos poluente. Mesmo assim é recomendável descartá-las na coleta seletiva

Secundárias Pilhas Li-ion Pilhas de Li íon são sem dúvida a melhor tecnologia disponível hoje na eletrônica de consumo. Porém, são relativamente caras e sua aplicação está limitada a baterias em formatos específicos para cada aplicação. É muito raro encontrá-las nos tamanhos padrões como C, AA, AAA. Bastante usada como bateria para notebooks e pagers Não apresentam efeito memória, ou popularmente dizendo, não “viciam”.

Tensão Uma diferença importante entre as pilhas primárias e as secundárias reside na tensão que a pilha apresenta. As primárias, tanto zinco-carvão como as alcalinas, tem uma tensão de 1,5V, valor este que cai durante o uso. Na maioria das aplicações a pilha é considerada descarregada quando este tensão (sob carga) cai para 60% deste valor, ou seja, atinge 0,9V. Bons aparelhos devem funcionar – embora com desvio nas especificações – com uma tensão de 0,9V por pilha. As pilhas secundárias NiCd e NiMH apresentam uma tensão típica de 1,2V e são consideradas descarregadas quando este valor cai para 1V. Não se deve deixá-las operando abaixo deste valor sob pena de danificá-las.

Diferença de voltagem - Problema Esta diferença de voltagem não costuma apresentar problemas na maioria das aplicações, porém é possível que os mecanismos de detecção de carga sejam “enganados”. Por exemplo, uma câmera digital feita para operar com 3V (duas pilhas primárias em série – 1,5V cada uma) pode indicar “carga baixa” ao usarmos 2 pilhas NiMH que fornecerá 2,4V. Tendo em mente esta diferença de tensão entendemos o aviso incorreto da câmera. No passado as câmeras populares usavam um conjunto de 4 pilhas AA em série, totalizando 6V. Claro que quando se usava nestas câmeras pilhas recarregáveis esta tensão de alimentação totalizava 4,8V. Algumas memórias não podiam ser usadas com tensão baixa (exigiam cerca de 5V) e portanto apresentavam funcionamento irregular quando a câmera era utilizada com pilhas recarregáveis. Alguns fabricantes, para indicar que suas memórias trabalhavam com baixas tensões, colocavam o aviso “3V”. Estas podiam ser usadas em equipamentos acionados por pilhas recarregáveis. Atualmente este problema não existe mais.

Capacidade O principal termo a ser conhecido para se entrar no mundo das pilhas é o de capacidade. A capacidade de uma pilha se refere à quantidade de energia que ela pode reter no processo de carga, energia esta que será disponibilizada no uso. Este dado vem impresso em letras destacadas nas pilhas e é na pratica o grande fator de escolha de uma pilha tendo em vista um uso determinado. A capacidade é informada em miliamperes.hora ou mAh. Suponhamos uma pilha com capacidade de 2200 mAh. Vamos chamar esta capacidade de “C”. Nesta pilha, portanto C= 2200 mAh. Se esta pilha for utilizada num aparelho cuja corrente de consumo é de 200 mA, a duração da carga será de: Duração = C/consumo -> Duração = 2200/200 = 11 horas.

Capacidade Esta regra não é linear. Quanto maior o consumo do aparelho, ou seja, quanto mais ele se aproxima de “C”, maior é o desvio deste cálculo. Se a corrente de consumo for de 2200 mA, igual a C, a duração será inferior a 1 hora porque neste regime de uso as perdas internas são muito grandes. A utilização das pilhas com decorrentes de descarga de valores maiores que C na prática é possível, desde que de alguma forma haja circuitos que monitorem a pilha. Este tipo de uso estressante só deve ser feito se não houver alternativas. Um alto ritmo de descarga associado à resistência interna da pilha leva à produção de calor. Isso fere o atrapalha na vida-útil da pilha. Geralmente os fabricantes especificam a capacidade da pilha tendo em conta uma descarga (ou corrente de uso) de 0,1C. Isto significa que a carga nesta pilha do nosso exemplo terá uma duração de 10 horas se utilizada a uma corrente de 0,1C ou 220 mA.

Carga Carregar a pilha significa fazer passar por ela uma corrente elétrica em determinado sentido de forma que, dentro da mesma, reações químicas vão absorver e armazenar energia. A descarga e posterior recarga forma um ciclo completo. Este ciclo pode ser repetido muitas vezes e daí a grande vantagem deste tipo de pilha, que as tornam econômicas. Como nem tudo é perfeito, a cada ciclo de descarga e carga a pilha perde um pouco de sua capacidade de retenção, ou seja, “C” diminui. Isto pode ser percebido com o tempo, quando as pilhas “duram pouco” após carregadas. Nem sempre isto significa fim de vida. Em alguns casos a perda da capacidade deriva de uso incorreto e pode ser consertado através do condicionamento da pilha. Mas, se o condicionamento não resolver, então esta queda de capacidade significa mesmo o fim da vida-útil e as pilhas devem ser substituídas.

Condições de carga Chamamos de condições de carga à intensidade de corrente e o tempo em que a pilha ficará sob carga. O tempo de carga pode ser calculado de forma análoga ao tempo de descarga. Fazendo-se passar pela pilha uma corrente I (em mA), o tempo de carga (Tc) é dado por: Tc = C / I Ex. Ao se carregar uma pilha NiMH que tenha uma capacidade C = 1200 mAh, usando uma corrente de 150 mA, o tempo de carga (teórico) é de: Tc = 1200/150 = 8 horas. Na pratica deve-se acrescentar um pouco mais de tempo, pois as reações químicas no interior da pilha não apresentam eficiência 100%. Somos então induzidos a pensar que podemos ter um tempo de carga bastante curto se usarmos para a carga uma corrente elevada. Por exemplo, usando-se uma corrente numericamente igual a “C”, o tempo de carga seria de 1 hora. Isso é correto e possível desde que vários fatores sejam observados, como: a. Ao carregar uma pilha com uma corrente igual ou próxima a C o desenvolvimento de calor no interior da pilha é enorme. Isso, novamente, fere o 1º mandamento o que implicará num sensível encurtamento da vida útil da pilha, ou seja, o número de ciclos carga-descarga será reduzido. b. Nestas condições de alta corrente, uma vez que a pilha atingiu a carga completa, a corrente de carga precisa ser imediatamente interrompida caso contrário ocorrerá o desenvolvimento de gases no interior da pilha e ela poderá explodir. Mesmo que não o faça, pois há um sistema de segurança para evitar a explosão(vent), a liberação dos gases significa perda de material interno e conseqüente drástica redução na capacidade.

Sistema Vent Essas aberturas existentes na parte superior das pilhas recarregáveis são os chamados “vent”. Servem para aliviar a pressão interna nos casos de aumento de temperatura e falhas dos dispositivos de limitação do carregador.

Condições de carga Por este motivo os carregadores “super rápidos” incorporam vários sistemas para detectar quando a pilha chegou à plena carga. Dizemos vários sistemas porque carga sob alta corrente é uma condição realmente crítica e não pode haver margem a erro. Além disso o carregador também faz um monitoramento da temperatura da pilha e, caso a temperatura suba muito, a corrente de carga é reduzida a um valor seguro. Se não há pressa e se priorizarmos a vida útil da pilha devemos evitar o aumento de temperatura que sempre irá ocorrer numa carga rápida. A melhor maneira de se fazer isso é utilizar a “carga lenta”. A regra básica e clássica de carga lenta recomendada pelos fabricantes é que as pilhas sejam carregadas com uma corrente igual a 0,1C e, para compensar as perdas internas, acrescentar 40% ao tempo calculado, o que garante que efetivamente ela chegue à carga plena.

Vantagens da carga lenta Ganhamos ainda alguns bônus na carga lenta, como: * Não há o menor problema com sobrecarga. Ou seja, estas 14 horas não são mais críticas. Não há problema algum em deixar a pilha, por ex. 24 horas, ou mais, sob uma corrente de 0,1C. * Não há sobreaquecimento, portanto não há risco de explosão e nem vazamento de material interno. *Esta condição é a que proporciona uma vida-útil longa. Acontece que nem sempre podemos escolher esta condição ótima de carga. Se comprarmos os carregadores existentes no mercado, a grande maioria deles (para não dizer todos), optam pela carga rápida.

Armazenamento Guarde suas pilhas recarregáveis sob temperatura ambiente e de tal forma que seja impossível os contatos entrarem em curto. Tome muito cuidado para não misturá-las, nem as de mesma capacidade. Embora tenham a mesma capacidade, elas podem ter pequenas diferenças no tempo de carga e descarga. Isto significa que devem ser usadas em conjunto, conforme embaladas pelo fabricante. Considerar que as pilhas recarregáveis apresentam uma taxa de auto descarga bem maior que as pilhas primárias. Isto significa que mesmo adequadamente guardadas elas se descarregam. Este efeito é menor nas Litio-ion.

Armazenamento Uma boa maneira de guardá-las é usar estes organizadores plásticos tipo colméia. Eles oferecem uma boa proteção e facilidade de separação dos conjuntos.

Condicionamento Se uma pilha é repetidamente colocada para ser recarregada antes de estar totalmente descarregada, ou seja, quando ainda há um resíduo de carga, pode acontecer o chamado “efeito memória”(ela fica “viciada”). A pilha perde parte de sua capacidade exatamente naquele resíduo que não foi utilizado. Isso era comum acontecer nas NiCd e raramente acontece com as NiMeH e Li-íon. De qualquer forma é bom evitar. Quando acontecer o efeito memória a pilha deve ser “condicionada” e geralmente ela recupera sua capacidade nominal. O condicionamento consiste em se fazer repetidos ciclos de carga completa / descarga completa. A descarga completa não é tão simples. Uma pilha carregada apresenta uma tensão de 1,2V entre seus terminais. Quando em descarga esta tensão vai decrescendo e a pilha é considerada descarregada quando ela atingir 1 Volt. A partir deste ponto deve-se parar a descarga para não danificar a pilha. A descarga condicionada requer um circuito específico. Na pratica este circuito descarrega a pilha através de um resistor ao mesmo tempo que fica comparando a tensão nos terminais da pilha com uma referência de 1V. Quando a pilha atinge este valor a descarga é interrompida e algum aviso é dado indicando que o processo de descarga terminou.

Cuidados com as Pilhas Verificar as instruções de uso do aparelho, certificando-se de que as polaridades ( + ) e ( - ) estão no sentido indicado. As pilhas poderão vazar ou explodir se as polaridades forem invertidas , expostas ao fogo, desmontadas ou recarregadas. Evite misturar com pilhas de outro tipo ou com pilhas usadas , tranportá-las ou armazená-las soltas, pois aumenta o risco de vazamento e super descarga devido a diferente voltagem e capacidade. Este fato também pode causar vazamento ou explosão. Retire as pilhas, caso o aparelho não esteja sendo utilizado, para evitar possíveis danos e eventualidades já que pode ocorrer vazamento do eletrólito das pilhas, o que causará a oxidação no equipamento. No caso de vazamento da pilha, evite contato com a mesma e lave qualquer parte do corpo afetada com água abundante. Ocorrendo irritação, procure auxílio médico. Não remova o invólucro da pilha, “Quando o invólucro é retirado , a pilha pode sofrer curto circuito.”

Do processo de Disposição As pilhas poderão ser dispostas em lixo doméstico conforme Resolução CONAMA 257/263-99 É preferível ainda que elas sejam descartadas em lojas e supermercados que disponibilizem recipientes para tal, mais conhecido como vulgo “pilhão”; Assim ajudamos o meio-ambiente e elas seguem um caminho mais seguro evitando acidentes.

Referências Bibliográficas CARVALHO, Geraldo Camargo de; Química Moderna II; Scipione, São Paulo – 1995. Mundo Vestibular; http://www.mundovestibular.com.br . Brasil Escola; http://www.brasilescola.com

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