O FUNCIONAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS

O FUNCIONAMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS

1 INTRODUÇÃO

        Uma bateria é como uma “bomba” exercendo uma força sobre os elétrons em um fio. Trata-se de um conversor de energia, pois transforma a energia química em energia elétrica, fornecendo uma diferença de potencial entre os terminais da bateria. Em geral, uma bateria tem dois eletrodos (ou terminais) de diferentes materiais submersos em uma solução química chamada de eletrólito. Pequenas quantidades dos compostos que integram os eletrodos passam para a solução no eletrólito como íons livres (átomos eletricamente carregados que criam terminais positivo e negativo). Quando dois terminais são unidos por um circuito externo, os elétrons podem fluir de um eletrodo para outro. O eletrólito pode ser líquido (tal como ácido sulfúrico diluído em uma bateria de carro) ou uma pasta úmida (como em uma pilha comum). A diferença de potencial da bateria é mantida pela ação química contínua em cada eletrodo.

Obs: Uma bateria nada mais é do que uma sequência de pilhas ligadas em série. Para saber mais sobre o funcionamento de pilhas e baterias, acesse o conteúdo de eletroquímica disponível nos livros de química geral.

        A primeira bateria foi inventada pelo cientista italiano Alessandro Volta (1745-1827). Sua bateria consistia de uma pequena placa de zinco e outra de cobre, separada por um pedaço de papelão que havia sido umedecido em uma solução salina. À medida que o átomo de zinco passa para o eletrólito como íon, Zn – Zn+2 + 2e-, dois elétrons são deixados para trás. Esses elétrons fluem como corrente através de um fio externo até outro eletrodo, ligando-se a um íonde cobre que está em solução, depositando o cobre metálico sobre o eletrodo negativo Cu+2 + 2e-- Cu. Uma bateria comum nos dias de hoje é a de chumbo-ácido, usada em automóveis. Uma vantagem das pilhas recarregáveis é que elas podem sê-lo a seco, ao contrário das comuns. Isto é feito passando-se uma corrente externa pela bateria, na direção oposta à do fluxo de corrente, durante a operação normal. As baterias de chumbo-ácido são populares porque podem ser recarregadas milhares de vezes, têm custo relativamente baixo e fornecem altas correntes por períodos curtos de tempo.

2 BATERIAS COMUNS

        A bateria de chumbo-ácido, geralmente, consiste de seis células conectadas em série. Cada célula tem um eletrodo positivo feito de dióxido de chumbo e um eletrodo negativo feito de chumbo esponjoso puro, ambos imersos em um eletrólito composto de ácido sulfúrico, H2SO4 e água. Quando os dois terminais são conectados por um circuito externo, dois elétrons no eletrodo negativo deixam um átomo de chumbo que passa para a solução como Pb+2. Esses íons positivamente carregados combinam-se aos íons sulfato do eletrólito para formar sulfato de chumbo (PbSO4). No terminal positivo, o dióxido de chumbo PbO2 é convertido em sulfato de chumbo e água, usando os dois elétrons que “fluíram” pelo circuito externo. Como o sulfato de chumbo se deposita em ambos os terminais durante a descarga da célula, a concentração de ácido sulfúrico da bateria diminui. Já que a densidade do ácido sulfúrico é bem maior que a da água, uma queda pronunciada na densidade do eletrólito indica que a célula está descarregada. Quando o depósito de PbSO4 em cada eletrodo é tão grande que o Pb e PbO2

ficam indisponíveis para o eletrólito, dizemos que a bateria está “morta”. A diferença de potencial gerado pelos dois terminais da célula é de 2V, de forma que uma bateria de carro com seis células conectadas em série fornece 6 x 2V = 12V.

        Uma bateria de célula seca (a pilha comum) utiliza um eletrodo de carbono como terminal positivo e um invólucro de zinco como terminal negativo. Uma pasta úmida serve como eletrólito; à medida que ela seca, a voltagem da célula diminui. A pilha também se desgasta à medida que o zinco é utilizado.

Obs: A diferença de potencial em uma pilha ou bateria é representada pela sigla ddp e ela pode ser chamada também de força eletromotriz. tanto a ddp quanto a força eletromotriz são medidas em volts (v).

        Note na Figura 29, a seguir, que a bateria de chumbo-ácido é composta por dois eletrodos, um chamado de ânodo, que é o polo negativo, e o outro chamado de cátodo, que é o polo positivo da bateria. No ânodo ocorre a oxidação do eletrodo, a saída (perda) dos elétrons, perda de massa e aumento na concentração da solução de ácido sulfúrico. Já no cátodo ocorre a redução, chegada dos elétrons, ganho de massa e diminuição da concentração da solução. É através desse fluxo de elétrons que a energia química dos eletrodos é transformada em energia elétrica, fornecendo energia a um carro, por exemplo.

FIGURA 29 - CONFIGURAÇÃO DE UMA BATERIA CHUMBO-ÁCIDO

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FONTE: Disponível em: . Acesso em: 24 fev. 2015.

        A bateria já foi considerada a fonte mais confiável de potência conhecida. Ela é conveniente, portátil, confiável (não tem partes móveis). Duas características de uma bateria são sua tensão e sua capacidade de descarga. Esta última é igual à corrente suprida pela bateria multiplicada pelo número de horas em que ela consegue suprir a referida corrente. Por exemplo, uma boa bateria de carro com 12 volts tem uma capacidade de descarga de 60 amperes-hora, o que significa que ela pode suprir uma corrente de 3A durante 20 horas, ou uma corrente de 10A durante seis horas. Uma bateria de chumbo-ácido armazena 20% de energia disponível em um galão de gasolina. Além disso, é muito pesada.

Obs: Um galão de gasolina contém 3,785 litros!

3 CARROS ELÉTRICOS

        Os carros movidos a eletricidade (EVs) têm sido construídos há muitos anos; e eram tão populares quanto os carros movidos a gasolina na virada do século XIX para o século XX. A primeira multa por excesso de velocidade foi dada a um EVs – por andar a 15 mph! Em 1914, havia 20 mil EVs nas ruas. Os EVs convencionais de hoje têm aproximadamente oito baterias comuns de chumbo-ácido de 12V – pesando mais de 230 kg (500lb) – que levam de seis a oito horas para ser recarregadas. Geralmente eles têm uma autonomia de apenas 60 a 160 milhas e uma velocidade máxima de 60 a 70 mph. Todas as três grandes montadoras de Detroit (Chrysler, Ford e General Motors), Toyota, Honda e Nissan estiveram envolvidas com o desenvolvimento dos EVs em algum momento. Em dezembro de 1996, a GM foi a primeira montadora a comercializar um EVs.