Como funciona a bateria de chumbo-ácido?

Inventado pelo médico francês Gaston Planté em 1859, o ácido de chumbo foi a primeira bateria recarregável para uso comercial. Apesar da sua idade avançada, a química do chumbo continua a ser muito utilizada atualmente. Há boas razões para a sua popularidade; o chumbo-ácido é fiável e barato numa base de custo por watt. Existem poucas outras baterias que forneçam energia a granel tão barata como a de chumbo-ácido, o que torna a bateria rentável para automóveis, carros de golfe, empilhadores, fontes de alimentação marítimas e ininterruptas (UPS).

A estrutura da grelha da bateria de chumbo-ácido é feita de uma liga de chumbo. O chumbo puro é demasiado macio e não se suporta a si próprio, pelo que são adicionadas pequenas quantidades de outros metais para obter a resistência mecânica e melhorar as propriedades eléctricas. Os aditivos mais comuns são o antimónio, o cálcio, o estanho e o selénio. Estas pilhas são frequentemente conhecidas como "chumbo-antimónio" e "chumbo-cálcio".

A adição de antimónio e estanho melhora o ciclo profundo, mas aumenta o consumo de água e aumenta a necessidade de equalização. O cálcio reduz a auto-descarga, mas a placa positiva de chumbo-cálcio tem o efeito secundário de crescer devido à oxidação da grelha quando é sobrecarregada. As baterias de chumbo-ácido modernas também utilizam agentes dopantes como o selénio, o cádmio, o estanho e o arsénico para reduzir o teor de antimónio e cálcio.

O chumbo-ácido é pesado e é menos durável do que os sistemas à base de níquel e lítio quando submetido a ciclos profundos. Uma descarga completa causa tensão e cada ciclo de descarga/carga rouba permanentemente à bateria uma pequena quantidade de capacidade. Esta perda é pequena enquanto a bateria está em boas condições de funcionamento, mas o desgaste aumenta quando o desempenho desce para metade da capacidade nominal. Esta caraterística de desgaste aplica-se a todas as baterias em vários graus.

Dependendo da profundidade da descarga, o chumbo-ácido para aplicações de ciclo profundo proporciona 200 a 300 ciclos de descarga/carga. As principais razões para o seu ciclo de vida relativamente curto são a corrosão da rede no elétrodo positivo, o esgotamento do material ativo e a expansão das placas positivas. Este fenómeno de envelhecimento é acelerado a temperaturas de funcionamento elevadas e quando se utilizam correntes de descarga elevadas. (Ver BU-804: Como prolongar a vida útil das baterias de chumbo-ácido)

Carregar uma bateria de chumbo-ácido é simples, mas é necessário respeitar os limites de tensão corretos. A escolha de um limite de tensão baixo protege a bateria, mas produz um fraco desempenho e provoca uma acumulação de sulfatação na placa negativa. Um limite de tensão elevado melhora o desempenho, mas forma corrosão da grelha na placa positiva. Enquanto a sulfatação pode ser revertida se for reparada a tempo, a corrosão é permanente. (Ver BU-403: Carregamento de chumbo-ácido)

O chumbo-ácido não se presta a um carregamento rápido e, na maioria dos tipos, uma carga completa demora 14-16 horas. A bateria deve ser sempre armazenada no estado de carga total. Uma carga baixa provoca sulfatação, uma condição que retira o desempenho da bateria. A adição de carbono no elétrodo negativo reduz este problema, mas diminui a energia específica. (Ver BU-202: Novos sistemas de chumbo-ácido)

O chumbo-ácido tem um tempo de vida moderado, mas não está sujeito a memória como os sistemas à base de níquel, e a retenção de carga é a melhor entre as baterias recarregáveis. Enquanto o NiCd perde aproximadamente 40% da energia armazenada em três meses, o chumbo-ácido auto-descarrega a mesma quantidade num ano. A bateria de chumbo-ácido funciona bem a temperaturas frias e é superior à de iões de lítio quando funciona em condições negativas. De acordo com a RWTH, Aachen, Alemanha (2018), o custo do chumbo-ácido inundado é de cerca de $150 por kWh, um dos mais baixos das baterias.

Ácido-chumbo selado
A primeira bateria de chumbo-ácido selada, ou sem manutenção, surgiu em meados da década de 1970. Os engenheiros argumentaram que o termo "ácido de chumbo selado" era um termo incorreto, porque nenhuma bateria de ácido de chumbo pode ser totalmente selada. Para controlar a ventilação durante uma carga intensa e uma descarga rápida, foram adicionadas válvulas que libertam os gases em caso de aumento de pressão. Em vez de submergir as placas num líquido, o eletrólito é impregnado num separador humedecido, uma conceção que se assemelha aos sistemas à base de níquel e lítio. Isto permite o funcionamento da bateria em qualquer orientação física sem fugas.

A bateria selada contém menos eletrólito do que o tipo inundado, daí o termo "acid-starved". Talvez a vantagem mais significativa do chumbo-ácido selado seja a capacidade de combinar oxigénio e hidrogénio para criar água e evitar a secagem durante o ciclo. A recombinação ocorre a uma pressão moderada de 0,14 bar (2psi). A válvula serve de ventilação de segurança se a acumulação de gás aumentar. Deve ser evitada a ventilação repetida, uma vez que tal conduzirá a uma eventual secagem. De acordo com a RWTH, Aachen, Alemanha (2018), o custo do VRLA é de cerca de $260 por kWh.

Surgiram vários tipos de chumbo-ácido selados e os mais comuns são o gel, também conhecido como chumbo-ácido regulado por válvula (VRLA), e o tapete de vidro absorvente (AGM). A célula de gel contém um gel de tipo sílica que suspende o eletrólito numa pasta. Os packs mais pequenos, com capacidades até 30Ah, são frequentemente designados por SLA (ácido de chumbo selado). Embaladas num recipiente de plástico, estas baterias são utilizadas para pequenas UPS, iluminação de emergência e cadeiras de rodas. Devido ao seu baixo preço, serviço fiável e baixa manutenção, a SLA continua a ser a escolha preferida para cuidados de saúde em hospitais e lares de idosos. A VRLA maior é utilizada como reserva de energia para torres repetidoras de telemóveis, hubs de Internet, bancos, hospitais, aeroportos e muito mais.

O AGM suspende o eletrólito num tapete de vidro especialmente concebido para o efeito. Isto oferece várias vantagens em relação aos sistemas de chumbo-ácido, incluindo um carregamento mais rápido e correntes de carga elevadas instantâneas a pedido. A AGM funciona melhor como uma bateria de gama média com capacidades de 30 a 100Ah e é menos adequada para grandes sistemas, como UPS. As utilizações típicas são as baterias de arranque para motociclos, a função start-stop para automóveis micro-híbridos, bem como para veículos marítimos e de recreio que necessitem de algum ciclo.

Com o ciclo e a idade, a capacidade da AGM diminui gradualmente; o gel, por outro lado, tem uma curva de desempenho em forma de cúpula e mantém-se na gama de alto desempenho durante mais tempo, mas depois cai subitamente no fim da vida útil. A AGM é mais cara do que a inundada, mas é mais barata do que a de gel. (O gel seria demasiado caro para utilização em automóveis com arranque/paragem).

Ao contrário da bateria inundada, a bateria de chumbo-ácido selada foi concebida com um potencial de sobretensão baixo para impedir que a bateria atinja o seu potencial de geração de gás durante a carga. O excesso de carga provoca gaseificação, ventilação e subsequente esgotamento da água e secagem. Consequentemente, as baterias de gel, e em parte também as AGM, não podem ser carregadas até ao seu potencial máximo e o limite de tensão de carga deve ser definido para um valor inferior ao de uma bateria inundada. Isto também se aplica à carga flutuante em carga completa. No que diz respeito ao carregamento, o gel e o AGM não são substitutos diretos do tipo inundado. Se não estiver disponível um carregador específico para AGM com definições de tensão mais baixas, desligue o carregador após 24 horas de carga. Isto evita a formação de gás devido a uma tensão de flutuação demasiado elevada. (Ver BU-403: Carregamento de ácido-chumbo)

A temperatura de funcionamento óptima para uma bateria VRLA é de 25°C (77°F); cada aumento de 8°C (15°F) acima deste limite de temperatura reduz a vida útil da bateria para metade. (Consulte BU-806a: Como o calor e a carga afectam a vida útil da bateria) As baterias de chumbo-ácido estão classificadas para uma taxa de descarga de 5 horas (0,2C) e 20 horas (0,05C). A bateria tem um melhor desempenho quando descarregada lentamente; as leituras de capacidade são substancialmente mais elevadas numa descarga mais lenta do que na taxa de 1C. O chumbo-ácido pode, no entanto, fornecer correntes de impulso elevadas de vários C, se o fizer durante apenas alguns segundos. Este facto torna o chumbo-ácido adequado como bateria de arranque, também conhecida como arranque-luz-ignição (SLI). O elevado teor de chumbo e o ácido sulfúrico fazem com que o ácido de chumbo não seja amigo do ambiente.

As baterias de chumbo-ácido são normalmente classificadas em três utilizações: Automóvel (arranque ou SLI), força motriz (tração ou ciclo profundo) e estacionária (UPS).

Baterias de arranque
A bateria de arranque foi concebida para fazer arrancar um motor com uma carga momentânea de alta potência que dura cerca de um segundo. Para o seu tamanho, a bateria é capaz de fornecer uma corrente elevada, mas não pode ser submetida a um ciclo profundo. As baterias de arranque são classificadas com Ah ou RS (capacidade de reserva) para indicar a capacidade de armazenamento de energia, bem como CCA (amperes de arranque a frio) para indicar a corrente que uma bateria pode fornecer a uma temperatura fria. A norma SAE J537 especifica 30 segundos de descarga a -18°C (0°F) com o ampere CCA nominal sem que a tensão da bateria desça abaixo dos 7,2 volts. RC reflecte o tempo de funcionamento em minutos a uma descarga constante de 25. (SAE significa Society of Automotive Engineers.) Consulte também BU-902a: Como medir o CCA.

As baterias de arranque têm uma resistência interna muito baixa que é conseguida através da adição de placas extra para obter uma área de superfície máxima (Figura 1). As placas são finas e o chumbo é aplicado numa forma de esponja que tem a aparência de espuma fina, expandindo ainda mais a área de superfície. A espessura das placas, que é importante para uma bateria de ciclo profundo, é menos importante porque a descarga é curta e a bateria é recarregada durante a condução; a ênfase é colocada na potência e não na capacidade.

Bateria de arranque

Figura 1: Bateria de arranque.
A bateria de arranque tem muitas placas finas em paralelo para obter uma baixa resistência com uma área de superfície elevada.
A bateria de arranque não permite ciclos profundos. Cortesia da Cadex
Bateria de ciclo profundo
A bateria de ciclo profundo foi concebida para fornecer energia contínua a cadeiras de rodas, carros de golfe, empilhadores e muito mais. Esta bateria é construída para uma capacidade máxima e um número de ciclos razoavelmente elevado. Isto é conseguido através da espessura das placas de chumbo (Figura 2). Embora a bateria tenha sido concebida para ciclos, as descargas completas continuam a induzir stress e a contagem de ciclos está relacionada com a profundidade da descarga (DoD). As baterias de ciclo profundo são marcadas em Ah ou minutos de tempo de funcionamento. A capacidade é normalmente classificada como uma descarga de 5 horas e 20 horas.

Bateria de ciclo profundo

Figura 2: Bateria de ciclo profundo.
A bateria de ciclo profundo tem placas espessas para melhorar as capacidades de ciclo.
A bateria de ciclo profundo permite geralmente cerca de 300 ciclos. Cortesia da Cadex
Uma bateria de arranque não pode ser trocada por uma bateria de ciclo profundo ou vice-versa. Embora um sénior inventivo possa sentir-se tentado a instalar uma bateria de arranque em vez de uma bateria de ciclo profundo mais cara na sua cadeira de rodas para poupar dinheiro, a bateria de arranque não duraria muito tempo porque as placas finas semelhantes a esponjas dissolver-se-iam rapidamente com ciclos profundos repetidos.

Existem baterias combinadas de arranque/ ciclo profundo disponíveis para camiões, autocarros, segurança pública e veículos militares, mas estas unidades são grandes e pesadas. Como orientação simples, quanto mais pesada for a bateria, mais chumbo contém e mais tempo durará. A Tabela 3 compara a vida útil típica das baterias de arranque e de ciclo profundo quando submetidas a ciclos profundos.
Uma descarga de 100% refere-se a uma descarga completa; 50% é metade e 30% é uma descarga moderada com 70% restantes.
Ácido-chumbo ou iões de lítio no seu automóvel?
Desde que a Cadillac introduziu o motor de arranque em 1912, as baterias de chumbo-ácido serviram bem como bateria de eleição. Thomas Edison tentou substituir o chumbo-ácido pelo níquel-ferro (NiFe), mas o chumbo-ácido prevaleceu devido à sua natureza robusta e tolerante, bem como ao seu baixo custo. Agora, o chumbo-ácido que serve de bateria de arranque nos veículos está a ser desafiado pelo ião de lítio.

A figura 4 ilustra as caraterísticas do chumbo-ácido e do ião de lítio. Ambas as químicas têm um desempenho semelhante no arranque a frio. O chumbo-ácido é ligeiramente melhor em W/kg, mas o ião de lítio proporciona grandes melhorias no ciclo de vida, melhor energia específica em Wh/kg e boa aceitação de carga dinâmica. O ião de lítio fica aquém do esperado devido ao seu elevado custo por kWh, à complexidade da sua reciclagem e ao seu historial de segurança menos brilhante do que o do chumbo-ácido.

Figura 4: Comparação entre ácido de chumbo e iões de lítio como bateria de arranque.
O ácido de chumbo mantém uma forte liderança na bateria de arranque. O mérito é do bom desempenho a baixas temperaturas, do baixo custo, do bom registo de segurança e da facilidade de reciclagem[1].
O chumbo é tóxico e os ambientalistas gostariam de substituir a bateria de chumbo-ácido por uma química alternativa. A Europa conseguiu manter o NiCd fora dos produtos de consumo e estão a ser feitos esforços semelhantes com a bateria de arranque. As opções são NiMH e iões de lítio, mas o preço é demasiado elevado e o desempenho a baixas temperaturas é fraco. Com uma taxa de reciclagem de 99%, a bateria de chumbo-ácido apresenta poucos riscos ambientais e continuará provavelmente a ser a bateria de eleição.