Carga equalizadora na bateria de chumbo-ácido
A intenção de equalizar a carga é trazer a tensão de carga de uma bateria de chumbo-ácido para os níveis de gaseificação, de modo que todo o sulfato de chumbo não convertido seja carregado em chumbo e dióxido de chumbo, respectivamente, em NAM e PAM.
Carga igualadora: Baterias equalizadoras
A manutenção adequada das baterias de chumbo-ácido ajuda a melhorar a vida útil da bateria. A carga de igualização é um dos aspectos mais importantes deste procedimento de manutenção.
Definição de carga equalizadora
Para esse tipo de baterias, a intenção de equalizar a carga é levar a tensão de carga de uma bateria de 12V a níveis de gaseificação, de modo que todo o sulfato de chumbo não convertido seja carregado em chumbo e dióxido de chumbo, respectivamente, em NAM e PAM. Quando há gaseamento livre e copioso, todos os íons de sulfato não carregados vão para o eletrólito e aumentam a densidade do ácido.
Vinal em seu livro clássico dá a relação da voltagem das células e dos níveis de gaseamento.
Níveis de gaseamento e tensões celulares a carga de células inundadas
(Créditos: Vinal, G.W., Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, página 262)
| Tensão da Célula (V) | Nível de gaseamento | A composição dos gases evoluiu H 2 Porcentagem | A composição dos gases evoluiu O 2 Porcentagem |
|---|---|---|---|
| 2.2 | Sem gaseamento | - | - |
| 2.3 | Ligeiro | 52 | 47 |
| 2.4 | Normal | 60 | 38 |
| 2.5 | Copioso | 67 | 33 |
Da mesma forma, as baterias não carregadas inicialmente de forma adequada na fábrica requerem uma carga mais equalizável. Isto pode ser evidenciado por um aumento da gravidade específica do electrólito dentro de alguns meses após o comissionamento da bateria, por exemplo, uma bateria do inversor. Normalmente, o valor da gravidade específica será de 1.240 antes do envio. Uma vez atingido este valor, alguns fabricantes param de carregar e assumem que a bateria foi totalmente carregada.
Na verdade, se tivessem continuado a carga inicial, poderiam ter visto um aumento substancial da gravidade específica. Este aspecto da carga inicial indica a presença de sulfato de chumbo não carregado nas placas. Esta quantidade de sulfato de chumbo ajudou a aumentar a gravidade específica do eletrólito no processo de carga adicional.
Como é que a equalização da carga ajuda?
A carga equalizadora ajuda a realizar a vida útil projectada da bateria, evitando falhas prematuras devido a uma carga insuficiente. Uma bateria que recebe carga de igualização regular viverá mais tempo do que uma bateria que não a recebe. Isto é particularmente verdade no caso de baterias de empilhadeiras, baterias de automóveis e baterias de inversores. Já vimos que dar uma bateria de empilhadeira de carga equalizada garante um melhor desempenho da bateria da empilhadeira. O prolongamento da vida útil da bateria através do controle de equalização de carga é a forma estabelecida para um melhor desempenho da bateria.
Em alguns países, a UPS e as baterias de alimentação estacionária não experimentam saídas de energia, mesmo durante alguns minutos num ano. Nessas situações, os fabricantes de baterias aconselham o consumidor a desligar a alimentação da rede por alguns minutos. Isto evitará a “passivação por flutuação”.
O que é uma carga equalizadora para uma bateria
Todos os aspectos discutidos acima também se aplicam às baterias VR. A única diferença é que a tensão de carga para a carga equalizadora é menor. As baterias não devem ser carregadas a mais de 14,4 V (para uma bateria de 12 V) durante uma carga de igualização. As taxas de gaseamento são:
Níveis de gaseamento e voltagens de flutuação de células em carga de células reguladas por válvula
Equalização da tensão de carga
| Tensão da célula (V) | Nível de gaseamento | Eficiência de recombinação (%) | Taxa de gaseamento * | Taxa relativa de gaseamento |
|---|---|---|---|---|
| 2,25 a 2,3 | Gaseamento negligenciável | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | Um pouco de gaseamento | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | Gaseamento | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/h/Ah/célula de: Créditos: C&D Technologies : Boletim Técnico 41-6739, 2012.).1 pé cúbico = 28317 cc (= (12*2,54)3 = 28316,85)
Carga equalizadora - Como é que as baterias VRLA diferem das baterias de chumbo ácido inundadas?
A química básica das duas versões da bateria de chumbo-ácido é a mesma. As reacções de descarga são semelhantes, mas as reacções de carga diferem nos seus passos intermédios.
Os gases (hidrogênio e oxigênio) evoluíram perto do fim da carga em uma bateria de chumbo ácido inundada são ventilados. O oxigénio gasoso evoluiu na placa positiva das células VR facilmente se deslocam para a placa negativa e oxidam o chumbo, devido aos coeficientes de difusão mais elevados num meio gasoso. Esta é uma reacção rápida nas células VR. Tal movimento de gases não é possível em células inundadas devido aos menores coeficientes de difusão. Condições semelhantes às células inundadas ocorrerão em células VR também se o AGM estiver totalmente saturado e a reação de recombinação de oxigênio começará somente quando a condição de eletrólitos famintos começar a se desenvolver devido à eletrólise da água e perda de alguma água.
Em uma célula regulada por válvula, a evolução do hidrogênio é inibida pela formação de sulfato de chumbo durante a carga. Este sulfato de chumbo leva o potencial da placa negativa a valores mais positivos para que a evolução do hidrogênio seja muito reduzida. Ligas especiais também são utilizadas na rede negativa, que terá maior sobretensão de hidrogênio.
Carga igualadora: As baterias VRLA para a construção têm as seguintes diferenças:
- O volume do electrólito é menor na bateria VRLA. Isto é intencionalmente mantido assim porque deve haver uma passagem para o oxigénio evoluído do PAM para contactar o NAM através de poros insaturados no separador do tapete de vidro absorvente (AGM). Para compensar o volume reduzido do electrólito, é utilizado ácido de densidade mais elevada nas baterias VR. Isto também compensará as reduzidas capacidades de baixa taxa.
-
Os elementos são altamente comprimidos em bateria VRLA. Este aspecto desempenha o papel mais importante no aumento da vida útil das baterias. A compressão da parede do contentor separador de placas é parte integrante do design. Isto assegura uma boa difusão electrolítica entre as placas e o separador. A vida útil também é aumentada devido à redução da expansão positiva de material ativo e à consequente perda de capacidade.
- As baterias VRLA têm uma válvula de resselagem unidireccional em cada célula ou pode haver uma válvula comum para algumas células (particularmente em células de pequena capacidade). Esta válvula multi-funcional funciona da seguinte forma:
i. Evita a entrada acidental de ar atmosférico (oxigénio).
ii. Ajuda no transporte de oxigénio assistido por pressão do PAM para o NAM
iii. Evita a explosão no caso de desenvolvimento de pressão indevida dentro da bateria devido a carga abusiva ou mau funcionamento do carregador.
- O funcionamento adequado das baterias VRLA depende do ciclo interno de oxigénio, que por sua vez depende de uma construção à prova de fugas: a tampa para cobrir a vedação e o pote para cobrir a vedação. O ciclo interno de oxigénio ajuda a reduzir a evolução do hidrogénio e, assim, reduz a perda de água.
Ciclo Interno do Oxigénio
Durante o carregamento da bateria VRLA:
Na placa positiva, o gás O2 é evoluído e são produzidos prótons e elétrons.
2H2O → 4H+ + O2 ↑ + 4e- ……… Eq. 1
O gás oxigénio, os iões de hidrogénio e os electrões evoluíram como resultado da electrólise da água na placa positiva, passando por poros vazios, poros cheios de gás e canais electrolíticos no separador AGM (ou as fissuras finas na matriz electrolítica gelada, no caso de baterias VR geladas) e atingindo as placas negativas. Este gás combina com o chumbo no NAM para se tornar PbO e o oxigénio reduzido combina com os iões de hidrogénio para formar água. Este óxido combina quimicamente com os iões sulfato para formar sulfato de chumbo.
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O + Calor ……… Eq. 2
—————————————————–
Mas, sendo este um processo de carga, o sulfato de chumbo assim produzido tem de ser novamente convertido em chumbo; o ácido sulfúrico é gerado por uma via electroquímica, reagindo com os protões (iões de hidrogénio) e electrões resultantes da decomposição da água nas placas positivas quando estas são carregadas.
2PbSO4 + 4H+ + 4e- → 2Pb + 2H2SO4 ……… Eq. 3
Quando o NAM é convertido em PbSO4 durante uma carga, o potencial da placa negativa torna-se mais positivo (como no caso de uma descarga). Isto ajuda a dificultar a reacção de evolução do hidrogénio. São produzidas quantidades muito pequenas de gás hidrogênio, mas a válvula de via única assegura que a pressão dentro do pote não atinja níveis perigosos, ventilando o hidrogênio para a atmosfera, protegendo assim a bateria contra protuberâncias e outros defeitos.
A última reacção restabelece o equilíbrio químico da célula. Sendo a soma líquida das reacções (Eq 1) a (Eq 3) zero, a energia eléctrica gasta durante a carga é convertida em calor e não em energia química [Ref. R.F. Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc.,1990, pp.31-60].
A vantagem mais importante de uma célula VRLA é que não é necessário adicionar água como procedimento de manutenção. A vantagem seguinte é que evolui uma quantidade insignificante de gases no decurso do seu funcionamento, devido à sua quase 100% de recombinação com as tensões de flutuação recomendadas de 2,25 a 2,3 V por célula. Além disso, não há restrições de transporte na movimentação dessas baterias de um lugar para outro.
Baterias primárias e recarregáveis
Uma bateria é definida como um dispositivo eletroquímico que pode converter energia química em energia elétrica através de reações redox e assim agir como uma fonte de energia eletroquímica. Mas, não é uma fonte perene de poder. A bateria só fornecerá energia até que haja materiais ativos suficientes para sustentar as reações produtoras de energia. Quando o nível de tensão da bateria atinge um certo nível inferior definido pela química do sistema, as reacções têm de ser invertidas, ou seja, a bateria tem de receber corrente contínua. Este acto de fornecer uma corrente directa na direcção inversa da descarga a uma bateria descarregada para inverter as reacções de descarga é chamado de “carregamento”.
Isto irá regenerar os materiais ativos originais dos produtos de descarga e também irá aumentar a tensão da bateria para valores mais altos, novamente definidos pela química do sistema. Esta declaração é aplicável a baterias que são chamadas secundárias ou baterias de armazenamento. Não é relevante para células primárias, como as utilizadas em tochas e relógios de pulso eléctricos. A diminuição da tensão da bateria durante uma descarga ocorre devido ao esgotamento dos materiais activos e várias outras razões.
Uma unidade independente de bateria é chamada de “célula”. Uma bateria é uma combinação de duas ou mais células ligadas em várias modas diferentes para atingir a tensão e a capacidade nominal projetada ou a taxa total de kWh. Mais comumente, uma bateria monobloco é empregada em automóveis e baterias de chumbo ácido reguladas por válvula (VRLA) e tubulares (até 12V/200 Ah); além desta capacidade, células simples são utilizadas para obter as classificações de kWh necessárias, combinando-as em série ou em paralelo série.
Uma bateria de chumbo ácido de 48V/1500 Ah (ou 72 kWh) pode ter 24 números de células de capacidade de 2V/1500 Ah ligadas em série ou 48 células de capacidade de 2V/750 Ah ligadas em série – em paralelo. Ou seja, 24 células ligadas em série para fazer 48V/750Ah (ou 36 kWh) de bateria. Outra bateria de 48V/750 será conectada em paralelo à primeira para torná-la de 48V/1500 Ah (72 kWh).
Outro exemplo de uma bateria deiões de lítio (Li-ion) de um veículo eléctrico (EV):
Dependendo do tamanho da bateria, o fabricante de EV Tesla utiliza cerca de 6.000-8.000 células por pacote, sendo cada célula de 3,6V/3,1 a 3,4 Ah de capacidade para construir uma bateria de 70 ou 90 kWh.
A bateria Tesla EV de 70 kWh utiliza cerca de 6000 células do tipo 18650 células NCA de 3,7 V/3,4 Ah, ligadas num arranjo complicado em série e paralelo. Tem um alcance de 325 km por carga. (Aqui a figura 18650 refere-se a um tipo particular de célula de íon-lítio com dimensões aproximadas de comprimento (ou altura) 65 mm e diâmetro de 18 mm. O termo “NCA” significa o material catódico utilizado nesta célula, por exemplo, N = Níquel, C = Cobalto e A = alumínio, ou seja, material catódico de óxido de níquel-cobalto-alumínio)
O pacote de 90kWh tem 7.616 células em 16módulos. O peso é de 540 kg. Tem um alcance de 426 km por carga.
Componentes de uma célula de bateria:
Os componentes mais essenciais de uma bateria são:
a. Ânodo (Placa negativa)
b. Cátodo (Placa positiva)
c. Eletrólito (Na bateria de chumbo ácido, o eletrólito é também um material ativo, mas não na maioria dos outros sistemas)
Os três acima são chamados de componentes ativos
É claro que existem componentes inativos como
a. Frasco
b. Grades de coleta atuais
c. Barra de bus ou correias de ligação
d. Separadores
e. Conectores inter-células
f. Postos terminais, etc.
Em uma bateria de chumbo-ácido, o eletrólito (ácido sulfúrico diluído) participa na reação de produção de energia, como pode ser visto na reação celular dada abaixo. O ácido sulfúrico é consumido para converter o dióxido de chumbo e o sulfato de chumbo e assim a densidade do eletrólito diminui à medida que a reação de descarga continua. Pelo contrário, quando a célula é carregada, a densidade do eletrólito aumenta à medida que a reação de carga prossegue. A razão é que os íons sulfato absorvidos por ambos os materiais ativos durante a descarga são liberados no eletrólito e assim a densidade do eletrólito aumenta.
Descarga e reacções de carga
As reacções de uma célula galvânica ou bateria são específicas para o sistema ou para a química:
Por exemplo, a célula ácida de chumbo:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 Descarga ↔ Carga 2PbSO4 + 2H2O E° = 2,04 V
Em uma célula de Ni-Cd
Cd + 2NiOOOH + 2H2O Descarga ↔ Carga Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 E° = 1.32 V
Em uma célula Zn-Cl2:
Zn + Cl2 Descarga ↔ Carga ZnCl2 E° = 2,12 V
Em uma célula Daniel (Esta é uma célula primária; aqui note a ausência de setas reversíveis)
Zn + Cu2+ Descarga ↔ Carga Zn2+ + Cu(s) E° = 1,1 V
Equalização da tensão de carga: mais sobre o carregamento de uma bateria
Como descrito acima, uma bateria de armazenamento não é uma fonte perene de energia. Uma vez esgotado, tem de ser recarregado para voltar a obter energia a partir dele. Espera-se que as baterias dêem uma certa vida útil, chamada expectativa de vida. Para obter a vida útil e confiabilidade projetadas, as baterias de armazenamento devem ser devidamente carregadas e mantidas de acordo com as instruções fornecidas pelos fabricantes. Métodos de carregamento adequados devem ser usados para obter a máxima vida útil possível da bateria.
Reações na célula ácida de chumbo:
Durante a descarga: PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
A descarga só prosseguirá até que certas quantidades de materiais condutores estejam presentes na célula; depois disso, a taxa de queda de tensão será tão rápida que a tensão final será atingida em breve. Portanto, há o que se chama tensão de corte ou tensão final, além da qual a descarga não deve ser continuada. Uma nova descarga dificultará a recarga e pode levar a resultados catastróficos inesperados.
As baterias devem ser carregadas imediatamente após a descarga, às taxas recomendadas pelo fabricante ou de acordo com as instruções fornecidas pelo mesmo.
O que acontece durante uma descarga e reacções de carga dentro de uma célula?
Eletrólito: 2H2SO4 = 2H+ +2HSO4‾
Placa negativa: Pb° = Pb2+ HSO4 + 2e
Pb2+ +HSO4‾ = PbSO4 ↓ + H+
⇑ ⇓
Placa positiva: PbO2 = Pb4+ + 2O2-
Pb4+ + 2e = Pb2+
Pb2++ 3H+ +HSO4‾ +2O2- =PbSO4 ¯ ↓+ 2H2O
Sendo o ácido sulfúrico um electrólito forte, é dissociado como iões de hidrogénio e iões bissulfato (também chamado ião sulfato de hidrogénio).
Ao iniciar uma descarga, o chumbo poroso na placa negativa se oxida em íons de chumbo (Pb2+) e como está sempre em contato com o ácido sulfúrico eletrolítico, converte-se em sulfato de chumbo (PbSO4); este último se deposita como material branco nos poros, superfície e fissuras das placas negativas. A primeira reacção (o chumbo que se transforma em iões de chumbo) é electroquímica por natureza, enquanto que a segunda (iões de chumbo que se transformam em sulfato de chumbo) é uma reacção química.
Dizemos que o chumbo se dissolve como íons de chumbo nas proximidades do local da reação e imediatamente se deposita como sulfato de chumbo após a combinação com os íons bissulfato do eletrólito sobre o material ativo negativo (NAM). Esse tipo de reação é chamado de mecanismo de dissolução-deposição ou de dissolução-precipitação em eletroquímica.
Da mesma forma, o material ativo positivo (PAM) combina com os elétrons provenientes do NAM e se torna íons chumbo, que se combina com os íons bissulfato do eletrólito e se deposita como sulfato de chumbo sobre o material ativo positivo, seguindo o mesmo mecanismo de dissolução-deposição.
Durante uma recarga: 2PbSO4 + 2H2O Charge→ PbO2 + Pb + 2H2SO4
Os produtos de reacção obtidos durante a descarga nas placas positivas e negativas são convertidos novamente para os materiais originais durante uma carga. Aqui, as reacções têm designações inversas às de uma descarga. A placa positiva sofre oxidação, enquanto a placa de polaridade oposta sofre redução.
Carga igualadora: Quando está completa a carga completa
Presume-se que as baterias tenham completado a recarga normal, se as seguintes condições forem satisfeitas:
| Parâmetro | Bateria de chumbo ácido inundado | Bateria de chumbo-ácido regulada por válvula (VRLA) |
|---|---|---|
| Tensão e corrente de carregamento | Uma carga de corrente constante é assumida aqui: a tensão de uma bateria no final de uma carga deve ser constante para uma determinada corrente. O valor pode ser de 16,2 a 16,5v para uma bateria de 12v | Para uma tensão constante impressionada (digamos 13,8v a 14,4v para uma bateria de 12v), a corrente deve ser constante durante pelo menos duas horas |
| Gravidade específica do eletrólito | A gravidade específica do electrólito também deve atingir um valor constante. Este valor dependerá da bateria totalmente carregada quando foi fornecida pelo fabricante. | A gravidade específica do electrólito não pode ser medida. |
| Natureza da gaseificação | Gaseamento uniforme e copioso em ambas as placas. O volume de gases que evoluiu será de 1:2 como na água, ou seja, 2 volumes de hidrogênio para 1 volume de oxigênio. | Nos níveis de tensão de carga recomendados para os VRLABs, observa-se uma gaseificação insignificante. A 2,25 a 2,3 volts por célula (Vpc) de carga flutuante, nenhuma evolução de gás é observada. A 2,3 Vpc, uma VRLAB de 12V 100Ah pode emitir uma bateria de 8 a 11 ml/h/12V. Mas a 2,4 Vpc é quase o dobro, 18 a 21 ml/h/12V de bateria. (i. pbq Baterias VRLA, Janeiro de 2010. ii. C&D Technologies: Boletim Técnico 41-6739, 2012). |
Carga equalizadora: o que é uma carga equalizadora para uma bateria?
- Uma bateria de chumbo-ácido recentemente montada requer o enchimento inicial e o carregamento inicial.
- Uma bateria descarregada requer uma recarga normal.
- As baterias ligadas a aparelhos e equipamentos normalmente não estão totalmente carregadas, no sentido em que não atingem a tensão de carga total de > 16 V para uma bateria de 12V. Por exemplo, na aplicação SLI (arranque, iluminação e ignição) em automóveis, a tensão máxima que a bateria pode atingir é de cerca de 14,4 V para uma bateria de 12V. Da mesma forma, as tensões de carga da bateria do inversor/UPS não vão além de 13,8 a 14,4 V. Em tais aplicações, o processo de acumulação de sulfato de chumbo não convertido, tanto em placas positivas como negativas, continua a aumentar à medida que a vida útil da bateria aumenta.
A razão é que os valores das tensões acima referidos não são suficientes para restaurar todos os produtos descarregados para os materiais activos originais. Tais baterias requerem recarga periódica para levar todas as células à carga total e ao mesmo nível. Isto também ajudará a remover os efeitos da estratificação do eletrólito. Essa carga extra é chamada de carga de bancada ou carga de equalização.
Conclusões sobre a taxa de equalização:
A carga de igualização faz parte do procedimento de manutenção. A tensão máxima em que a carga equalizadora pode ser realizada depende do tipo da bateria de chumbo-ácido, seja ela do tipo inundada ou do tipo VRLA. O primeiro tipo de células pode ser carregado em corrente constante a uma voltagem de 16,5 V para uma bateria de 12 V, de modo a levar todas as células de uma bateria ao mesmo nível.
No entanto, as células VRLA devem ser carregadas apenas pelo método de tensão constante e esta tensão impressionada não deve exceder a tensão máxima recomendada de 14,4 V para uma bateria de 12V. Quando a facilidade de carregamento de tensão constante não está disponível, as baterias VRLA podem ser carregadas a corrente constante com monitorização constante da tensão terminal (TV) da bateria. Sempre que a TV se aproximar ou exceder o nível de 14,4 V, a corrente de carga deve ser continuamente reduzida para que a TV não possa ir além de 14,4 V
