PILHAS E BATERIAS: BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

ENGENHARIA ELETRÔNICA

ESDRAS DO ESPIRITO SANTO

PILHAS E BATERIAS: BATERIAS DE ÍON-LÍTIO

ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA DA DISCIPLINA DE QUÍMICA

Toledo

2016

INTRODUÇÃO

O surgimento da primeira pilha elétrica ocorreu após o físico italiano Alessandro Volta concluir, ao repetir o experimento do físico Luigi Galvani, que houve passagem de corrente elétrica ao colocar em contato lâminas de prata e zinco superpostas. Empilhou discos desses metais, separando-os através de um papelão umedecido com solução salina, resultando na soma das tensões elétricas (SILVA; CÂMARA; AFONSO, 2011).

A pilha de Volta foi primordial para o desenvolvimento da física e química modernas, em particular no campo da eletroquímica. Contudo, a eficiência da pilha era comprometida em consequência do fenômeno de polarização. Esse problema foi resolvido pelo químico John Daniell, quando este construiu uma pilha com eletrodo de zinco mergulhado em uma solução de ácido sulfúrico diluído e um eletrodo de cobre mergulhado em uma solução saturada de sulfato de cobre, separadas por uma ponta salina. William Grove foi responsável pela substituição do eletrodo de cobre da pilha de Daniell por platina circundada por um tubo poroso contendo em seu interior ácido nítrico (BOCCHI; FERRACIN; BIAGGIO, 2000).

O termo pilha é empregado em um dispositivo que é constituído apenas por dois eletrodos e um eletrólito. Ao serem conectados a um aparelho elétrico, uma corrente irá fluir pelo circuito, devido à oxidação espontânea de um dos eletrodos, tendo como consequência a liberação de elétrons (eletrodo negativo). Em contrapartida, o material do segundo eletrodo (eletrodo positivo) irá se reduzir através do recebimento dos elétrons. Chama-se de bateria o conjunto de pilhas agrupadas em série ou em paralelo, sendo a associação dependente da exigência por maior potencial (série) ou corrente (paralelo). Pilhas e baterias, são portanto, dispositivos capazes de converter diretamente a energia química de uma reação em energia elétrica (VARELA et.al.; 2002)

O grande aumento tecnológico desde a sua invenção ocasionou uma grande demanda por pilhas e baterias cada vez menores, mais leves e com melhor desempenho. Consequentemente, aumentaram no mercado o número de pilhas e baterias de diversos tipos.

BATERIAS DE ÍON LÍTIO

As baterias são classificadas em baterias primárias e secundárias. As baterias primárias não são recarregáveis, ou seja, quando esgotadas não poderão ser utilizadas para fins energéticos. Em contrapartida, baterias secundárias são recarregáveis (SCHERZ, 2000).

 O funcionamento da descarga de ambos os tipos de bateria são similares, contudo, baterias secundárias são projetadas para descargas de alta potência em longo prazo, enquanto baterias primárias são projetadas para funcionar com descargas curtas em baixos níveis de potência (SCHERZ, 2000).

Utilizadas em computadores portáteis, celulares e em muitos outros aparelhos eletrônicos, as baterias secundárias são de maior interesse tecnologico. A reversibilidade de reações eletroquímicas de inserção ou intercalação permite que grande parte das baterias secundárias operem em temperatura ambiente através de eletrodos de inserção (VARELA et.al.; 2002).

No processo de intercalação em sistemas não aquosos utilizando-se cátions metálicos, os cátions de lítio (Li+) são os que mais facilmente penetram em sólidos hospedeiros através de reações de inserção. Desta forma, os dispositivos secundários de alta densidade de energia que empregam o lítio estão dentre os de maior interesse tecnológico, sendo amplamente estudados (SCHALKWIJK, 2002).

A eficiência de uma bateria de alta densidade de energia está relacionada com a utlização de materiais eletródicos que possuem alta capacidade de carga. Grande parte das baterias atualmente é baseada em metais alcalinos como eletrodos negativos, sendo o lítio um dos mais atrativos, devido ao seu potencial termodinâmico de eletrodo favorável e sua alta capacidade específica (3,86 A h g-1 ), combinados com baixo custo e boa disponibilidade. O lítio possui alta voltagem, alta densidade de energia, baixa taxa de auto descarga, além de operar em uma ampla faixa de temperatura (JULIEN et. al.; 2016).

Células que possuem o ânodo de lítio normalmente são projetadas com eletrólitos não aquosos. Contudo, a utilização de compostos de intercalação como cátodos e de lítio metálico como ânodo resultou em problemas de corrosão, uma vez que o lítio ao se depositar eletroquimicamente no ânodo de lítio durante o processo de recarga do dispositivo faz com que o depósito seja mais poroso do que o metal na sua forma original. Durante os ciclos de recarga, há uma perda de lítio na interface ânodo/eletrólito, fazendo com que este seja instável termodinamicamente, permanecendo estável cineticamente apenas com o filme passivante que é formado na interface. Desta forma, a célula acaba se tornando mais sensível às variações térmicas, mecânicas e elétricas. A resolução deste problema pode ser dada através da utilização de dispositivos íon-Li (VARELA et.al.; 2002).

Os dispositivos íon-Li são projetados com dois eletrodos de intercalação, altamente reversíveis, cuja área superficial do ânodo é de aproximadamente 1 m2/g e não é alterada com os ciclos. Desta forma, o desempenho da célula não é comprometido com o aumento de recargas (VARELA et.al.; 2002).

O funcionamento das baterias de íon-Li é baseado na difusão dos íons de lítio através de uma rede cristalina tanto do catodo como do anodo, sendo que quando é intercalado em um, deintercala do outro, e assim sucessivamente. A neutralidade da intercalação em um eletrodo é mantida através da intercalação de um elétron. Desta forma, o eletrodo receptor do íon intercalante recebe um elétron, sendo reduzido e o eletrodo que cede o íon intercalante, e por conseqüência, um elétron, é oxidado (CHAGAS; URBANO; SCARMINIO, 2006).

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