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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Bateria. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Uma bateria elétrica é uma fonte de corrente reutilizável, cuja principal especificidade é a reversibilidade dos processos químicos internos, o que garante a sua utilização cíclica repetida (através de carga-descarga) para armazenamento de energia e alimentação autónoma de diversos dispositivos e equipamentos elétricos, bem como como para fornecer fontes de energia de backup em medicina, manufatura e outras áreas.
A descoberta do efeito acumulativo é uma das invenções mais importantes e significativas no campo da engenharia elétrica. Muitas vezes houve e há necessidade de fornecer eletricidade a dispositivos ou mecanismos em um local onde não há fontes de energia. Por muito tempo, uma bateria galvânica foi usada para esses fins, mas era uma fonte de corrente fraca, cara e excessivamente volumosa. A criação de uma bateria elétrica simplificou muito essa tarefa. Em 1802, Ritter descobriu que duas placas de cobre imersas em ácido e conectadas a uma bateria galvânica são carregadas e podem ser usadas como fonte de corrente constante por um curto período de tempo. Este fenômeno foi posteriormente estudado por muitos outros cientistas. Em 1854, o médico militar alemão Wilhelm Sinsteden observou o seguinte efeito: quando a corrente passava por eletrodos de chumbo imersos em ácido sulfúrico diluído, o eletrodo positivo era coberto com dióxido de chumbo PbO2, enquanto o eletrodo negativo não era submetido a nenhuma alteração. Se tal elemento fosse então curto-circuitado, interrompendo a passagem de corrente através dele de uma fonte constante, então uma corrente constante aparecia nele, que era detectada até que todo o dióxido de chumbo fosse dissolvido no ácido. Assim, Sinsteden chegou perto de criar um acumulador, mas não tirou nenhuma conclusão prática de sua observação. Apenas cinco anos depois, em 1859, o engenheiro francês Gaston Plante acidentalmente fez a mesma descoberta e construiu a primeira bateria de chumbo-ácido da história. Este foi o início da tecnologia de bateria. O acumulador de Plante consistia em duas placas de chumbo idênticas enroladas em um cilindro de madeira. Eles foram separados um do outro por uma junta de tecido. Assim disposto, o dispositivo foi colocado em um recipiente com água acidificada e conectado a uma bateria elétrica. Algumas horas depois, desconectando a bateria, foi possível remover uma corrente suficientemente forte da bateria, que manteve seu valor constante por algum tempo.
O que explica os processos que ocorrem na bateria? Como em uma célula galvânica, a corrente elétrica aqui é consequência de uma reação química que pode ocorrer muitas vezes em ambas as direções. Imagine que começamos a carregar uma bateria descarregada conectando-a a uma fonte DC. Normalmente, a massa ainda não carregada da placa de chumbo positiva contém os restos do ciclo anterior - óxido de chumbo PbO e sulfato de chumbo PbSO4, e a negativa - apenas óxido de chumbo PbO. Sob a ação de uma corrente elétrica, o eletrólito - água acidificada - começa a se decompor: o oxigênio é liberado no eletrodo positivo, que oxida imediatamente o óxido de chumbo e o sulfato de chumbo em peróxido de PbO2 (além disso, o resíduo ácido SO4 entra em solução) e hidrogênio é liberado na placa negativa. Este último se combina com o oxigênio do óxido, formando chumbo metálico e água. Então o gás começa a se acumular nos poros da placa de chumbo. Se uma bateria carregada estiver conectada a um circuito, a corrente que passa pela bateria durante o carregamento muda sua direção. Como resultado, na placa onde o oxigênio foi liberado anteriormente, começa a ser liberado o hidrogênio, que reage com o oxigênio do peróxido de chumbo. Na outra placa, o oxigênio é liberado. O ácido sulfúrico do líquido passa para o eletrodo positivo e novamente forma sulfato de chumbo, enquanto o hidrogênio e o chumbo na placa negativa são oxidados, o primeiro em água, o segundo em óxido de chumbo. De uma forma um tanto simplificada (sem levar em conta processos paralelos), a reação química de descarga tem a forma: Pbo2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. Ao carregar, os fenômenos vão na direção oposta. Essa reação, acompanhada pela liberação de uma corrente elétrica, continua até que a quantidade de óxido de chumbo em ambas as placas seja equilibrada. A mesma reação ocorre em uma bateria aberta, mas muito mais lenta. Ao carregar (devido à liberação de um resíduo ácido na solução), a gravidade específica do líquido na bateria aumenta e, quando descarregada, diminui (porque, ao descarregar, o ácido sulfúrico se combina com o óxido de chumbo e forma sulfato de chumbo no eletrodos). Durante a descarga, a energia das reações químicas é convertida em energia elétrica e, durante o carregamento, vice-versa. Uma desvantagem significativa da bateria Plante era sua pequena capacidade - ela descarregava muito rapidamente. Plante logo percebeu que a capacidade poderia ser aumentada por uma preparação especial da superfície das placas de chumbo, que deveria ser o mais porosa possível. Para conseguir isso, Plante descarregou uma bateria carregada e, em seguida, passou novamente uma corrente por ela, mas na direção oposta. Este processo de formação de placas foi repetido muitas vezes por aproximadamente 500 horas e pretendia aumentar a camada de óxido de chumbo em ambas as placas. Até a invenção do dínamo, as baterias eram de pouco interesse para os engenheiros elétricos, mas quando se tornou possível carregá-las com facilidade e rapidez com um gerador, as baterias se espalharam. Em 1882, Camille Faure melhorou muito a técnica de fazer placas de acumuladores. Se o acumulador Plante começou a funcionar bem somente após repetidas cargas e descargas (até que as placas se tornassem porosas), no acumulador Faure, a formação das placas ocorreu muito mais rapidamente. A essência da melhoria de Faure foi que ele teve a ideia de cobrir cada placa com chumbo vermelho ou outro óxido de chumbo. Quando carregada, uma camada dessa substância em uma das placas se transformou em peróxido, enquanto na outra placa, como resultado da reação, obteve-se um baixo grau de óxido. Durante esses processos, uma camada de óxidos com estrutura porosa se formou em ambas as placas, o que contribuiu para o acúmulo de gases liberados nos eletrodos. Para que a massa de óxidos formada nas placas não caia, elas são cobertas com um pano. A bateria Faure não só carregava mais rápido que a bateria Plante, mas também tinha uma capacidade muito maior e podia produzir uma corrente muito forte. Consistia em placas de chumbo paralelas colocadas próximas umas das outras e conectadas através de uma, de modo que cada eletrodo do mesmo sinal fosse colocado entre dois eletrodos do oposto. A invenção de Faure imediatamente atraiu a atenção dos engenheiros elétricos. O banqueiro alemão Volkmar, que assumiu a produção das baterias Faure, logo as aperfeiçoou ainda mais. Nas baterias anteriores, a camada de óxido, como já mencionado, não aderiu bem à grelha e caiu facilmente ao ser sacudida. Esta foi uma falha grave de projeto, pois impediu o uso de baterias no transporte. Para melhorar a situação, Volkmar sugeriu fazer placas de chumbo não sólidas, mas na forma de grades, cujos orifícios fossem preenchidos com chumbo esponjoso. Em tais grades, a massa ativa não mais simplesmente grudava no chumbo, mas ficava firmemente presa nas células.
No início do século XNUMX, Edison assumiu a melhoria da bateria, que queria torná-la mais adequada às necessidades de transporte. Em conexão com essa tarefa, era necessário aliviar o peso das baterias, aumentar sua capacidade, livrar-se do chumbo venenoso e do ácido sulfúrico cáustico, que corroeram rapidamente as placas de chumbo, após o que tiveram que ser substituídas. Como de costume, Edison começou a trabalhar em grande escala: ele criou um laboratório especial com uma grande equipe de químicos e encarregou-os de pesquisas em todas as áreas acima. Em essência, tratava-se de criar um tipo completamente novo de bateria, na qual o álcali servia como eletrólito e o ferro triturado com algumas impurezas servia como eletrodo negativo. Por muito tempo não foi possível escolher o material para o eletrodo positivo. Como os processos químicos na bateria alcalina eram muito complexos e não totalmente compreendidos, tivemos que literalmente sentir o nosso caminho. Em modelos experimentais, o eletrodo positivo era feito de carbono, cujos poros eram preenchidos com várias substâncias: muitos metais e seus compostos foram testados, mas todos deram resultados insuficientemente bons. Por fim, optamos pelo níquel, que acabou sendo o mais adequado. Então Edison chegou à bateria de ferro-níquel com um eletrólito na forma de potassa cáustica. (A reação química que ocorre durante a descarga em uma bateria alcalina é descrita de forma um tanto simplificada pela equação: 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 +Fe(OH)2; ao carregar, o processo segue na direção oposta; eletrólito KOH, embora crie o ambiente necessário, não participa da reação.) Várias dessas baterias foram feitas para testes extensivos, e aqui os pesquisadores ficaram desapontados - a capacidade da bateria acabou sendo muito pequena. Edison notou que a pureza do material era de grande importância no aumento da capacitância. Ele encomendou níquel canadense de alta qualidade para amostras, após o que a capacidade da bateria triplicou imediatamente. Uma pequena refinaria de ferro e níquel foi construída em West Orange. A capacidade da nova bateria acabou sendo 2 vezes maior que a da antiga. Edison afirmou que este foi o maior avanço na tecnologia de baterias desde o seu início. Outras experiências foram tão bem sucedidas que em 1903 Edison decidiu iniciar a produção industrial de suas baterias em uma fábrica especialmente construída para esse fim. No entanto, as primeiras baterias alcalinas que foram colocadas à venda estavam muito longe de serem perfeitas: elas não mantinham bem um determinado valor de tensão, muitas vezes vazavam e tinham muitos outros pequenos defeitos. Inúmeras reclamações começaram a chegar de distribuidores. Edison teve que parar a planta e voltar a melhorar sua invenção. Apesar dos contratempos, ele continuou acreditando firmemente no sucesso do caso. O refinamento foi confiado a vários grupos ao mesmo tempo: um trabalhou na melhoria da soldagem de vasos acumuladores, o outro no refino de ferro, o terceiro estava envolvido em níquel e aditivos para ele. Em 1905, mais de 10 experimentos adicionais foram realizados e, em 1910, uma bateria significativamente melhorada foi colocada de volta em produção. No primeiro ano, foram produzidos produtos no valor de US$ 1 milhão, e todos tiveram boas vendas. A nova bateria portátil logo se tornou difundida em transportes, usinas de energia, pequenos barcos e submarinos. Autor: Ryzhov K.V.
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