Que tipos de pilhas existem?

1. Pilhas primárias: De utilização única, não podem ser reutilizadas.

Pilhas de zinco-carbono, pilhas alcalinas, pilhas de zinco-manganês em pasta, pilhas de zinco-manganês em cartão, pilhas alcalinas de zinco-manganês, pilhas-botão (pilhas-botão de zinco-prata, pilhas-botão de lítio-manganês, pilhas-botão de zinco-manganês), pilhas de zinco-ar, pilhas primárias de lítio-manganês, etc., pilhas de mercúrio.

Existem dois tipos de pilhas com base na camada de isolamento: pilhas de tipo pasta e pilhas de tipo placa. As baterias do tipo placa dividem-se ainda em baterias de cartão do tipo C (tipo amónio) e do tipo P (tipo zinco) com base em diferentes electrólitos.

A bateria tradicional de células secas de zinco-manganês em pasta utiliza dióxido de manganês natural de baixa atividade como material do elétrodo positivo, com amido e farinha como camada de isolamento da pasta, e um eletrólito composto principalmente por cloreto de amónio (H4CL) e solução aquosa de cloreto de zinco. O elétrodo negativo é uma lata de zinco. O seu desempenho em termos de descarga é geralmente fraco, a capacidade é baixa e a bateria é propensa a fugas no final da sua utilização, mas é pouco dispendiosa.

As pilhas de cartão do tipo C (tipo amónio) substituem o papel de pasta por papel de pasta. Isto aumenta a quantidade de enchimento do elétrodo positivo em cerca de 30%, e o manganês de alta atividade substitui o manganês natural em 30-70%, pelo que a capacidade é melhorada e a gama de utilização é alargada. São normalmente utilizados em pequenas aplicações de descarga de corrente, como relógios, controlos remotos, rádios, lanternas, etc.

As pilhas de cartão do tipo P (tipo zinco) utilizam um eletrólito à base de cloreto de zinco e o material do elétrodo positivo é inteiramente constituído por pó de manganês de elevada atividade, como o manganês eletrolítico ou o manganês ativo. O seu desempenho à prova de fugas é muito superior ao das pilhas do tipo pasta e do tipo C, sendo utilizadas em aplicações de descarga contínua de corrente elevada, como em máquinas fotográficas, pistolas de flash, gravadores, máquinas de barbear, brinquedos eléctricos, etc.

As pilhas alcalinas cilíndricas de zinco-manganês, também conhecidas como pilhas alcalinas, são a variedade com melhor desempenho da série de pilhas de zinco-manganês. Foram desenvolvidas em meados do século XX como uma melhoria das pilhas de zinco-manganês. A pilha utiliza uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH) ou de hidróxido de sódio (NaOH) como eletrólito, com uma estrutura de elétrodo negativo oposta à das pilhas de zinco-manganês. O elétrodo negativo é uma pasta semelhante a um gel, com pregos de cobre como coletor de corrente. O elétrodo positivo encontra-se no exterior, com o material ativo e o material condutor comprimidos num anel e ligados ao invólucro da bateria. Os eléctrodos positivo e negativo são separados por um separador especial.

O invólucro exterior é geralmente fabricado com fita de aço niquelado 08F, laminado a frio e estampado, e serve também de coletor de corrente do elétrodo positivo. O material do elétrodo positivo de dióxido de manganês eletroquímico é pressionado num anel firmemente contra a parede interna do cilindro para garantir um bom contacto. O elétrodo negativo utiliza partículas de zinco em pó transformadas em pasta e está localizado no centro da pilha. É inserido um coletor de corrente do elétrodo negativo (geralmente pregos de cobre) e o coletor de corrente é ligado à parte inferior do elétrodo negativo. Na bateria, os eléctrodos positivos são separados por uma membrana (camada de separação), e a parte exterior é selada com um anel de vedação de nylon ou polipropileno para conseguir a vedação da bateria. O aspeto exterior da pilha é quase igual ao das pilhas normais.

2. Pilhas secundárias: Recarregáveis e reutilizáveis.

Pilhas secundárias alcalinas de zinco-manganês, pilhas recarregáveis de níquel-cádmio (Ni-Cd), pilhas recarregáveis de níquel-hidreto metálico (Ni-MH), pilhas recarregáveis de lítio, pilhas de chumbo-ácido, células solares. As baterias de chumbo-ácido dividem-se em: baterias de chumbo-ácido de tipo aberto e baterias de chumbo-ácido totalmente seladas.

Bateria de níquel-cádmio (Ni-Cd), baterias químicas (baterias secundárias).

Bateria de hidreto metálico de níquel (Ni-MH).

Bateria de iões de lítio (Li-ion), baterias de lítio.

Bateria de chumbo-ácido, baterias de chumbo.

Outros.

Baterias de energia física.

Baterias de células solares.

Pilhas microbianas.

Baterias de polímero.

Cada tipo de pilha é composto por quatro componentes básicos: dois eléctrodos de materiais diferentes, um eletrólito, um separador e um invólucro.

3. Pilhas ecológicas e amigas do ambiente

Trata-se de uma classe de baterias de elevado desempenho e não poluentes que foram desenvolvidas e que estão atualmente a ser utilizadas ou em desenvolvimento, incluindo as baterias de armazenamento de níquel de hidreto metálico, as baterias de armazenamento de iões de lítio que estão atualmente a ser utilizadas, as baterias primárias alcalinas de zinco-manganês sem mercúrio que estão a ser promovidas, bem como as células de combustível, as células solares (células fotovoltaicas), etc.

4. Baterias de chumbo-ácido para armazenamento

Em 1859, o cientista francês Plante descobriu a bateria de chumbo-ácido, que consiste em cinco partes básicas: a placa positiva, a placa negativa, o eletrólito, o separador e o recipiente (célula da bateria). A pilha utiliza dióxido de chumbo como material do elétrodo positivo, chumbo como material do elétrodo negativo, ácido sulfúrico como eletrólito e borracha microporosa, cloreto de polivinilo sinterizado, fibra de vidro, polipropileno, etc., como separador.

5. Pilhas de cádmio-níquel e pilhas de hidreto metálico

Ambas utilizam óxido de níquel ou hidróxido de níquel como elétrodo positivo, hidróxido de potássio ou solução aquosa de hidróxido de sódio como eletrólito e cádmio metálico ou hidreto metálico como elétrodo negativo. A bateria de hidreto metálico foi inventada no final dos anos 80, utilizando a reação eletroquímica reversível de ligas absorventes de hidrogénio para libertar hidrogénio. É um produto líder para pequenas baterias secundárias.

6. Baterias de iões de lítio

As baterias de iões de lítio são um termo geral para as baterias que utilizam lítio metálico ou compostos de lítio como materiais activos. Estão divididas em baterias de lítio primárias e baterias de lítio secundárias.

A bateria utiliza materiais de carbono, que permitem a incorporação e extração de iões de lítio, em vez de lítio puro como elétrodo negativo, com compostos de lítio como elétrodo positivo e um eletrólito misto como solução electrolítica.

Os materiais do elétrodo positivo das baterias de iões de lítio consistem normalmente em compostos activos de lítio e o elétrodo negativo é feito de carbono com uma estrutura molecular especial. O material de elétrodo positivo mais comum é o LiCoO2. Durante o carregamento, a tensão aplicada através dos terminais da bateria força o composto do elétrodo positivo a libertar iões de lítio, que depois se incorporam no carbono com uma estrutura molecular em camadas no elétrodo negativo. Durante a descarga, os iões de lítio são extraídos das camadas de carbono e voltam a ligar-se ao composto do elétrodo positivo. A corrente é gerada pelo movimento dos iões de lítio.

Embora o princípio da reação química seja simples, na produção industrial real, é necessário ter em conta muitas questões práticas: os materiais dos eléctrodos positivos requerem aditivos para manter a atividade durante vários ciclos de carga-descarga e os materiais dos eléctrodos negativos têm de ser concebidos a nível molecular para acomodar mais iões de lítio. O eletrólito, que preenche o espaço entre os eléctrodos positivo e negativo, deve não só permanecer estável, mas também ter uma boa condutividade para reduzir a resistência interna da bateria.

Embora as baterias de iões de lítio quase não tenham efeito de memória, a sua capacidade continua a diminuir após vários ciclos de carga-descarga. Isto deve-se principalmente às alterações nos próprios materiais dos eléctrodos positivo e negativo. A nível molecular, as estruturas de orifícios que acomodam os iões de lítio nos eléctrodos positivo e negativo colapsam e entopem gradualmente. Do ponto de vista químico, a atividade dos materiais dos eléctrodos torna-se passiva, conduzindo a reacções secundárias que geram outros compostos estáveis. Do ponto de vista físico, o material do elétrodo positivo pode descolar-se gradualmente. Em resumo, isto reduz o número de iões de lítio que podem mover-se livremente durante o processo de carga-descarga.

A sobrecarga e a descarga profunda causam danos permanentes nos eléctrodos positivos e negativos das baterias de iões de lítio. A nível molecular, a descarga excessiva fará com que o carbono do elétrodo negativo liberte demasiados iões de lítio, provocando o colapso da estrutura em camadas. A sobrecarga forçará a entrada de demasiados iões de lítio na estrutura de carbono do elétrodo negativo, fazendo com que alguns deles não possam ser libertados. É por este motivo que as baterias de iões de lítio estão normalmente equipadas com circuitos de controlo de carga-descarga.

7. Células de combustível

As células de combustível são dispositivos que convertem diretamente a energia de um combustível (como o hidrogénio ou um combustível que contenha hidrogénio) e um oxidante (como o oxigénio puro ou o oxigénio do ar) em eletricidade. Têm uma eficiência elevada, com uma eficiência de conversão eletroquímica que atinge mais de 40%, e não emitem poluentes.