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LIVROS E ARTIGOS Capítulo 1. Fontes de corrente galvânica de uso único 1.1. Tipos de células galvânicas
Diretório / Baterias e acumuladores As fontes de corrente galvânica descartáveis são um recipiente unificado que contém um eletrólito absorvido pelo material ativo do separador e eletrodos (ânodo e cátodo), por isso são chamadas de células secas. Este termo é usado para se referir a todas as células que não contêm eletrólito líquido. Elementos secos comuns incluem células de carbono-zinco ou células de Leclanche [1]. As células secas são usadas em baixas correntes e modos de operação intermitentes. Portanto, tais elementos são amplamente utilizados em telefones, brinquedos, sistemas de alarme, etc. Como a gama de dispositivos que utilizam elementos secos é muito ampla e, além disso, necessitam de substituição periódica, existem padrões para suas dimensões [1]. Durante o processo de descarga, a tensão das células secas cai da tensão nominal para a tensão de corte (a tensão de corte é a tensão mínima na qual a bateria é capaz de fornecer energia mínima), ou seja, normalmente 1,2 V a 0,8 V/célula dependendo da aplicação. Em caso de descarga, quando conectado a um elemento de resistência constante após fechar o circuito, a tensão em seus terminais diminui drasticamente até um determinado valor, um pouco menor que a tensão original. A corrente que flui neste caso é chamada de corrente de descarga inicial. A funcionalidade de uma célula seca depende do consumo de corrente, da tensão de corte e das condições de descarga. A eficiência do elemento aumenta à medida que a corrente de descarga diminui. Para células secas, a descarga contínua por menos de 24 horas pode ser classificada como descarga de alta taxa. A capacidade elétrica de uma célula seca é especificada para descarga através de uma resistência fixa a uma determinada tensão final em horas dependendo da descarga inicial e é apresentada em gráfico ou tabela. É aconselhável utilizar o gráfico ou tabela do fabricante para uma bateria específica. Isto se deve não só à necessidade de levar em consideração as características do produto, mas também ao fato de cada fabricante dar suas próprias recomendações sobre a melhor utilização de seus produtos. A resistência interna da bateria pode limitar a corrente necessária, por exemplo, quando utilizada numa câmara com flash. A corrente estável inicial que uma bateria pode fornecer por um curto período de tempo é chamada de corrente flash. A designação do tipo de elemento contém designações de letras que correspondem às correntes de flash e à resistência interna do elemento, medidas em corrente contínua e alternada. A corrente do flash e a resistência interna são muito difíceis de medir e as células podem ter uma vida útil longa, mas a corrente do flash pode diminuir. 1.1. Tipos de células galvânicas Elementos de carbono-zinco Os elementos carbono-zinco (manganês-zinco) são os elementos secos mais comuns. As células de carbono-zinco usam um coletor de corrente passivo (carbono) em contato com um ânodo de dióxido de manganês (MnO2), um eletrólito de cloreto de amônio e um cátodo de zinco. O eletrólito está na forma de pasta ou impregna o diafragma poroso. Esse eletrólito é ligeiramente móvel e não se espalha, razão pela qual os elementos são chamados de secos. A tensão nominal da célula de carbono-zinco é de 1,5 V. Os elementos secos podem ser cilíndricos, de disco ou retangulares. O design dos elementos retangulares é semelhante ao dos discos. O ânodo de zinco é feito em forma de vidro cilíndrico, que também é um recipiente. Os elementos do disco consistem em uma placa de zinco, um diafragma de papelão impregnado com uma solução eletrolítica e uma camada comprimida do eletrodo positivo. Os elementos do disco são conectados em série entre si, a bateria resultante é isolada e embalada em uma caixa. Os elementos carbono-zinco são “regenerados” durante uma pausa na operação. Este fenômeno se deve ao alinhamento gradual de heterogeneidades locais na composição eletrolítica que surgem durante o processo de descarga. Como resultado do “descanso” periódico, a vida útil do elemento é prolongada. Isso deve ser levado em consideração ao usar os elementos de forma intensiva (e usar vários conjuntos para operação para que um conjunto tenha tempo suficiente para restaurar a funcionalidade. Por exemplo, ao usar um player, não é recomendado usar um conjunto de baterias por mais de duas horas consecutivas. Ao trocar dois conjuntos, os elementos do tempo de operação aumentam três vezes. A vantagem dos elementos carbono-zinco é o seu custo relativamente baixo. Desvantagens significativas incluem uma diminuição significativa na tensão durante a descarga, baixa densidade de potência (5...10 W/kg) e curta vida útil. As baixas temperaturas reduzem a eficiência do uso de células galvânicas e o aquecimento interno da bateria aumenta-a. Um aumento na temperatura causa corrosão química do eletrodo de zinco pela água contida no eletrólito e ressecamento do eletrólito. Esses fatores podem ser compensados de certa forma mantendo a bateria em temperaturas elevadas e introduzindo uma solução salina na célula através de um orifício pré-fabricado. Elementos alcalinos Assim como as células de carbono-zinco, as células alcalinas usam um ânodo de MnO2 e um cátodo de zinco com um eletrólito separado. A diferença entre as células alcalinas e as células de carbono-zinco é a utilização de um eletrólito alcalino, pelo que praticamente não há evolução de gás durante a descarga, podendo ser hermeticamente seladas, o que é muito importante para diversas de suas aplicações. . A voltagem das células alcalinas é aproximadamente 0,1 V menor que a das células de carbono-zinco nas mesmas condições. Portanto, esses elementos são intercambiáveis. A voltagem das células com eletrólito alcalino muda significativamente menos do que a das células com eletrólito salino. Células com eletrólito alcalino também apresentam maior energia específica (65...90 Wh/kg), potência específica (100...150 kWh/m3) e maior vida útil. O carregamento de células e baterias de manganês-zinco é realizado por corrente alternada assimétrica. Você pode carregar as células com um eletrólito salino ou alcalino de qualquer concentração, mas não muito descarregado e sem eletrodos de zinco danificados. Dentro do prazo de validade estabelecido para um determinado tipo de célula ou bateria, é possível restaurar a funcionalidade múltiplas vezes (6...8 vezes) [2]. O carregamento de baterias e células secas é realizado a partir de um dispositivo especial que permite obter uma corrente de carga na forma necessária: com uma proporção de componentes de carga e descarga de 10:1 e uma proporção de durações de pulso desses componentes de 1: 2. Este dispositivo permite carregar baterias de relógios e ativar pequenas baterias antigas. Ao carregar as baterias do relógio, a corrente de carga não deve exceder 2 mA. O tempo de carregamento não é superior a 5 horas. A bateria que está sendo carregada é ligada por meio de duas cadeias de diodos com resistores conectadas em paralelo. A corrente de carga assimétrica é obtida como resultado da diferença nas resistências dos resistores. O fim da carga é determinado pela cessação do crescimento da tensão na bateria. A tensão do enrolamento secundário do transformador do carregador é selecionada de forma que a tensão de saída exceda a tensão nominal do elemento em 50...60%. O tempo de carregamento da bateria usando o dispositivo descrito deve ser de cerca de 12 a 16 horas. A capacidade de carga deve ser aproximadamente 50% maior que a capacidade nominal da bateria. elementos de mercúrio Os elementos mercúrio são muito semelhantes aos elementos alcalinos. Eles usam óxido de mercúrio (HgO). O cátodo consiste em uma mistura de zinco em pó e mercúrio. O ânodo e o cátodo são separados por um separador e um diafragma impregnado com uma solução alcalina a 40%. Esses itens têm vida útil mais longa e capacidades maiores (para o mesmo volume). A voltagem de uma célula de mercúrio é aproximadamente 0,15 V menor que a de uma célula alcalina. Os elementos de mercúrio são caracterizados por alta energia específica (90...120 Wh/kg, 300...400 kWh/m3), estabilidade de tensão e alta resistência mecânica. Para dispositivos de pequeno porte, foram criados elementos modernizados dos tipos RC-31S, RC-33S e RC-55US. A energia específica dos elementos RC-31S e RC-55US é de 600 kWh/m3, os elementos RC-33S são de 700 kWh/m3. Os elementos RC-31S e RC-33S são usados para alimentar relógios e outros equipamentos. Os elementos RC-55US destinam-se a equipamentos médicos, em particular a dispositivos médicos implantáveis. Os elementos RC-31S e RC-33S operam por 1,5 anos em correntes de 10 e 18 μA, respectivamente, e o elemento RC-55US garante a operação de dispositivos médicos implantados por 5 anos. Os elementos de mercúrio operam na faixa de temperatura de 0 a +50oC; existem os elementos RC-83X e RC-85U resistentes ao frio e os elementos resistentes ao calor RC-82T e RC-84, que são capazes de operar em temperaturas de até +70oC. . Existem modificações dos elementos em que são utilizadas ligas de índio e titânio em vez de pó de zinco (eletrodo negativo). Como o mercúrio é escasso e tóxico, as células de mercúrio não devem ser descartadas depois de totalmente utilizadas. Eles devem ser reciclados. elementos de prata Eles têm cátodos “prateados” feitos de Ag2O e AgO. Sua tensão é 0,2 V maior que a dos carbono-zinco em condições comparáveis [1]. Células de lítio Elas usam ânodos de lítio, um eletrólito orgânico e cátodos feitos de vários materiais. Possuem vida útil muito longa, altas densidades de energia e operam em ampla faixa de temperatura, pois não contêm água. Como o lítio tem o maior potencial negativo em relação a todos os metais, as células de lítio são caracterizadas pela tensão nominal mais alta com dimensões mínimas.Compostos orgânicos são geralmente usados como solventes nessas células. Os solventes também podem ser compostos inorgânicos, por exemplo, SOCl2, que também são substâncias reativas. A condutividade iônica é garantida pela introdução de sais com grandes ânions em solventes, por exemplo: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. A condutividade elétrica específica de soluções eletrolíticas não aquosas é 1...2 ordens de grandeza menor que a condutividade de soluções aquosas. Além disso, os processos catódicos neles geralmente ocorrem lentamente, portanto, em células com eletrólitos não aquosos, as densidades de corrente são baixas. As desvantagens das células de lítio incluem seu custo relativamente alto, devido ao alto preço do lítio e aos requisitos especiais para sua produção (necessidade de atmosfera inerte, purificação de solventes não aquosos). Também deve ser levado em conta que algumas células de lítio são explosivas se abertas. Esses elementos são geralmente feitos em um design de botão com tensões de 1,5 V e 3 V. Eles fornecem energia com sucesso para circuitos com um consumo de cerca de 30 μA em modo constante ou 100 μA em modos intermitentes. As células de lítio são amplamente utilizadas em fontes de alimentação de backup para circuitos de memória, instrumentos de medição e outros sistemas de alta tecnologia. Voltar (Introdução) Para a frente (Baterias das principais empresas do mundo)
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