Como funciona uma bateria automotiva? Como é feita e problemas de uso

(veja no começo desse vídeo como funciona uma bateria)

O que é uma bateria?

Uma bateria é um dispositivo para armazenar energia elétrica em uma forma química e, em seguida, liberá-la como corrente contínua de maneira controlada.

Todos os tipos de baterias contêm um eletrodo positivo e um negativo imersos em um eletrólito, sendo todo o conjunto dentro de um recipiente.

A maioria são baterias de chumbo-ácido, o que significa que elas têm eletrodos positivos e negativos feitos de compostos de chumbo em um eletrólito de ácido sulfúrico diluído.

As baterias de chumbo-ácido são baterias secundárias, o que significa que podem ser recarregadas depois de serem descarregadas. 

As baterias primárias podem ser descarregadas apenas uma vez e depois descartadas; exemplos são alguns tipos de tochas e baterias de rádio.

Como funciona uma bateria

O eletrodo positivo é feito de dióxido de chumbo e o eletrodo negativo é feito de chumbo poroso.

Quando uma carga elétrica (por exemplo, luzes ou um motor de partida) é conectada através da bateria, uma corrente flui através do eletrólito na bateria e através da carga externa. Isso faz com que a bateria descarregue, o que resulta na composição química de ambos os eletrodos mudando para o sulfato de chumbo.

Uma bateria pode ser carregada colocando uma corrente através da bateria de uma fonte externa de eletricidade, como um alternador, dínamo ou unidade de carregamento. Isso converte o sulfato de chumbo de volta aos materiais originais de dióxido de chumbo e de chumbo poroso.

À medida que a bateria se torna carregada, a eletricidade começa decompor (hidrolisar) a água no eletrólito em seus elementos constituintes de hidrogênio e oxigênio, que são liberados como gás. É por isso que uma bateria “gasta” agua quando é carregada.

Veja também: Como escolher a melhor bateria?

Do que uma bateria é feita?

Grades

Como os eletrodos positivos e negativos são feitos de materiais fracos, eles precisam de um suporte mecânico que é fornecido por uma grade feita de uma liga de chumbo; chumbo por conta própria seria muito mole.

Além de fornecer um suporte para os eletrodos (o material ativo), a rede também conduz eletricidade dos eletrodos para a carga externa.

Eletrodos

Os eletrodos são inicialmente feitos de uma mistura de óxido de chumbo e sulfato de chumbo. Isso é convertido em dióxido de chumbo na placa positiva e chumbo poroso na placa negativa quando a bateria é inicialmente carregada.

O eletrodo negativo também contém pequenas quantidades de aditivos para dar à bateria um bom desempenho de descarga em baixas temperaturas para melhorar a partida.

A combinação de grade e eletrodo é normalmente chamada de placa.

Separador

O separador é um isolante colocado entre as placas positivas e negativas para evitar que elas encurtem juntas.

O separador precisa ser microporoso com orifícios muito pequenos para permitir que os íons fluam através do separador de uma placa para outra. Ele também precisa ser capaz de resistir às altas temperaturas e condições de oxidação fortemente ácidas que ocorrem em uma bateria.

Porém, esses separadores não devem impedir a migração dos íons, devem ser resistentes ao ácido e serem feitos de material poroso pelo qual o eletrólito possa circular livremente. Esse tipo de estrutura microporosa impede que as fibras de chumbo muito finas penetrem nos separadores e causem curtos-circuitos.

A maioria dos separadores modernos é feita de polietileno microporoso, que tem as propriedades certas para atender às condições exigentes dentro da bateria.

Eletrólito

O eletrólito é ácido sulfúrico diluído. Isso funciona como um condutor para transportar íons elétricos entre as placas positivas e negativas quando a bateria está sendo carregada ou descarregada.

Quando o ácido sulfúrico é diluído em água, as moléculas do ácido se dividem em íons de hidrogênio
carregados positivamente (H+) e em íons de resto de ácido carregados negativamente (SO42-). Essa divisão é necessária para tornar o eletrólito condutivo e para possibilitar a reação química durante o processo de carga e descarga.

O ácido também participa da descarga, pois os íons sulfato reagem quimicamente nos eletrodos para produzir o sulfato de chumbo.

Recipiente e Tampa

Estes são normalmente feitos de polipropileno, que é um plástico leve mas forte. Ao contrário de alguns plásticos, ele não se torna frágil quando está frio e, portanto, pode resistir a choques durante o manuseio. Não é atacado por ácido e também pode suportar os fluidos (gasolina, diesel, fluido de freio, anticongelante) normalmente encontrados em um veículo.

O que faz uma bateria livre de manutenção?

Há 30 anos, as baterias perdiam água a uma taxa alta, e os motoristas eram aconselhados a verificar o nível de ácido como um de seus controles semanais; As baterias modernas, livres de manutenção, não precisam de adição de água durante toda a vida em condições normais de operação. Aliás, durante o mesmo período, a vida útil da bateria duplicou de 2 anos para 4-5 anos.

No passado, as redes de baterias eram feitas de uma liga de chumbo com 10% de antimônio; o propósito do antimônio era dar rigidez, já que o chumbo puro seria muito mole por conta própria. Infelizmente, um pouco do antimônio se dissolveu no ácido e resultou na perda de água da bateria.

Com o aprimoramento da tecnologia de baterias, conseguimos reduzir o conteúdo de antimônio de 10% para 1,5%, e essa redução resultou em baterias de baixa manutenção, precisando apenas de atenção anual.

A melhoria mais recente tem sido o uso de 0,1% de cálcio como agente endurecedor nas grades em lugar do antimônio; isso causa menos contaminação do ácido e reduz muito a perda de água, tornando a bateria livre de manutenção, para que não seja necessário adicionar água durante sua vida operacional.

Problemas de serviço

Sobrecarga

Os modernos sistemas de carregamento de carros permitem que apenas uma pequena corrente entre na bateria quando ela está totalmente carregada. Se houver uma falha no alternador, uma corrente muito mais alta passará pela bateria durante todo o tempo em que o carro estiver em funcionamento. 

Essa corrente fará com que a bateria perca água rapidamente, destruindo as características de ausência de manutenção da bateria e também reduzirá a vida útil da bateria, danificando as grades positivas.

Uma cor castanha escura / preta no fundo dos plugues de ventilação é um forte sinal de sobrecarga.

Se um alternador (veículo não-Start-Stop) tiver uma voltagem acima de 14,8 Volts a temperaturas normais, isso geralmente indica que o sistema de carga está com defeito. A falha de diodo comum no retificador verá voltagens de carregamento de 16,0 V na bateria, o alternador deve ser reparado imediatamente para evitar mais danos à bateria.

Nota com os mais recentes veículos Start-Stop com Regeneração de Energia de Freio, voltagens mais altas (15.2V) são usadas para maximizar a eficiência de carga e reduzir os períodos de carga do alternador.

Ciclismo Profundo

Os modernos sistemas de carregamento mantêm a bateria em um estado de alta carga enquanto o carro está funcionando na maioria das condições de operação. No entanto, a bateria descarregará sob condições anormais ou se o carro estiver em condições de suportar uma carga, por exemplo, luzes. Nos carros modernos quando estacionados, normalmente há um consumo constante de energia na bateria, causado por componentes como o computador, o sistema de alarme, o relógio, etc., o que faz com que a bateria seja descarregada. Dependendo do veículo, isso pode levar semanas ou meses.

As baterias do veículo são projetadas para aceitar alguns ciclos de descarga e recarga, mas não são projetadas para aplicações nas quais existem ciclos constantes de carga e descarga (ciclagem profunda). As baterias de lazer foram projetadas para esses tipos de aplicação e têm uma construção especial para permitir que sejam operadas em ciclos contínuos.

A ciclagem profunda contínua das baterias do veículo causará falhas, pois o material ativo positivo cairá gradualmente no fundo da bateria, reduzindo a capacidade das placas de armazenar eletricidade.

Um grande número de pequenas partículas pretas / marrons no eletrólito é uma forte indicação de que a bateria foi ciclada a fundo.

Sulfatação

A sulfatação é uma parte normal da operação de uma bateria e ocorre sempre que uma bateria é descarregada. Quando a bateria é recarregada, a sulfatação (sulfato de chumbo) é transformada novamente em material ativo.

Se uma bateria for deixada vazia por um período de tempo, esta sulfatação lentamente muda sua forma para uma que não pode ser trocada de volta para o material ativo na carga, então, depois de carregada, a bateria não retornará para dar seu desempenho original. Se a sulfatação for ruim o suficiente, o carro não ligará. Este é o problema normalmente referido como sulfatação.

Subcarga

A subcarga ocorre quando a bateria não está recebendo carga suficiente para retorná-la a um estado de carga total; isso vai lentamente causar sulfatação. 

Essa falha pode ocorrer se o carro estiver sendo utilizado apenas ocasionalmente para viagens curtas ou para o início / fim do automobilismo urbano. A subcarga também ocorrerá se a tensão do alternador estiver na região de 13,6 a 13,8 volts.

Voltagem Nominal

No caso das baterias chumbo-ácido, a voltagem (teórica) nominal de uma única célula é definida em 2 volts.

A voltagem nominal da bateria como um todo resulta da multiplicação das voltagens das células individuais pelo número de células conectadas em série.

A voltagem nominal das baterias de partida é de 12 V. Os 24 V necessários para os sistemas elétricos dos caminhões são fornecidos através da conexão em série de duas baterias de 12 V.

Voltagem de Circuito Aberto (OCV)

A voltagem de circuito aberto (ou tensão fora de carga, tensão sem carga) é a voltagem da bateria sem carga. A OCV muda após o término dos processos de carga ou descarga devido à polarização
e efeitos de difusão. Após um determinado tempo, quando a OCV atinge um valor estável, pode-se medir a chamada OCV de estado estável.

A voltagem é obtida através da adição dos valores das voltagens específicas de cada célula. Para seis células, o seguinte se aplica:

Figura 1 – Voltagem das células e a OCV

Como no caso da voltagem das células, a OCV depende do estado de carga da bateria e da temperatura do eletrólito. Se uma OCV for medida pouco tempo depois do processo de carga ou descarga, não será possível obter o verdadeiro estado de carga.

A bateria precisa repousar às vezes até 24 horas, até que um estado estável tenha sido atingido. 

É mais recomendado medir a densidade do eletrólito para determinar o estado de carga, mas isso apenas pode ser feito em modelos de baterias mais antigos, que possuem tampas de roscar.

Veja também: Melhor tensão/voltagem das baterias: 12,6v, 13,8v ou 14,4v?

Efeito da temperatura na capacidade

Chamamos de descarga de uma bateria a reação eletroquímica entre as placas e o ácido sulfúrico diluído.

Quando a temperatura de uma bateria é muito baixa, teremos como conseqüência o aumento da densidade do eletrólito.

Então a taxa de difusão do eletrólito através das placas pode não se manter durante o longo período de descarga e como consequência haverá a redução da capacidade.

A capacidade da bateria estará condicionada à temperatura do ambiente de operação e também à taxa de descarga.

Contudo, vale lembrar que temperaturas abaixo de 25°C reduz a capacidade disponível e temperaturas acima aumentam.

Os valores de capacidade das baterias estão referidos à 25°C e podem ser obtidos através da formula abaixo:

C25ºC = CT / 1 + ∞ (T – 25)

Sendo:

C25ºC – Capacidade em regime nominal, corrigida para 25°C.
CT – Capacidade obtida na Temperatura T.
∞ – Coeficiente de temperatura – ∞ = 0,006 para descarga >1h. ∞ = 0,01 para descarga ≤ 1h.

Efeito temperatura na vida útil

Informações importantes:

• Por ser uma energia química, depois de estar carregada, a bateria se descarrega em torno de 0,1% ao dia. Dependendo de outras condições da mesma,  essa porcentagem pode ser maior. Ou seja, quanto mais velha a bateria, você terá que dar maior manutenção de carga nela.
•  E é de conhecimento geral que a temperatura interfere na reação química, acelerando ou retardando o processo de reação. Dessa forma, todas as baterias sofrem efeito da temperatura: Os modelos mais comuns de chumbo-ácido, não podem passar de 50Cº-60Cº, pois a partir disso, ela começa a “ferver”. Os modelos de baterias estacionárias, são mais sensíveis ainda.
• Alguns modelos são sensíveis à vibrações.