Experimentos
Em 1749, Benjamin Franklin, EUA, polímata e fundador, usou o termo “bateria” para descrever um conjunto de capacitores ligados que ele usou para suas experiências com a eletricidade. Esses capacitores eram painéis de vidro revestidos com metal em cada superfície. Esses capacitores foram carregados com um gerador estático e descarregados tocando metal em seu eletrodo. Ligá-los juntos em uma “bateria” deu uma descarga mais forte. Originalmente ter o significado genérico de “um grupo de dois ou mais objetos semelhantes funcionando juntos”, como em uma bateria de artilharia, o termo passou a ser usado para voltaica pilhas e dispositivos semelhantes, em que muitas células eletroquímicas foram conectados na forma de Franklin capacitores. Hoje, mesmo uma única célula eletroquímica, também conhecida como célula seca, é comumente chamada de bateria.
invenção
Luigi Galvani foi um médico, físico, biólogo e filósofo italiano, que descobriu eletricidade animal. Em 1780, ele e sua esposa Lucia descobriram que os músculos das pernas de sapos mortos se contraíram quando atingidos por uma faísca elétrica. Galvani acreditava que a energia que impulsionou essa contração veio da própria perna. Ele chamou de “eletricidade animal” quando dois metais diferentes foram conectados em série com a perna de um sapo e um ao outro.No entanto, Alessandro Volta – o físico e químico italiano-um amigo e colega cientista de Luigi Galvani, discordou, acreditando que esse fenômeno foi causado por dois metais diferentes unidos por um intermediário úmido. Ele verificou essa hipótese por meio de experimentos e publicou os resultados em 1791. Em 1800, Volta inventou a primeira bateria verdadeira, que passou a ser conhecida como pilha voltaica. A pilha voltaica consistia em pares de discos de cobre e zinco empilhados uns sobre os outros, separados por uma camada de pano ou papelão embebida em salmoura (ou seja, o eletrólito). Ao contrário do frasco de Leyden, a pilha voltaica produziu uma eletricidade contínua e corrente estável, e perdeu pouca carga ao longo do tempo quando não estava em uso, embora seus primeiros modelos não pudessem produzir uma tensão forte o suficiente para produzir faíscas. Ele experimentou vários metais e descobriu que zinco e prata deram os melhores resultados.
Volta acreditava que o atual foi o resultado de dois materiais diferentes, simplesmente tocando—obsoleta teoria científica conhecida como tensão de contato—e não o resultado de reações químicas. Como consequência, ele considerou a corrosão das placas de zinco como uma falha não relacionada que talvez pudesse ser corrigida alterando os materiais de alguma forma. No entanto, nenhum cientista conseguiu evitar essa corrosão. De fato, observou-se que a corrosão foi mais rápida quando uma corrente mais alta foi desenhada. Isso sugeriu que a corrosão era realmente parte integrante da capacidade da bateria de produzir uma corrente. Isso, em parte, levou à rejeição da teoria da tensão de contato de Volta em favor da teoria eletroquímica.
os modelos de pilha originais de Volta tinham algumas falhas técnicas, uma delas envolvendo o vazamento de eletrólito e causando curtos-circuitos devido ao peso dos discos comprimindo o pano embebido em salmoura. William Cruickshank, um cirurgião militar escocês e químico, resolveu esse problema colocando os elementos em uma caixa em vez de empilhá-los em uma pilha. Isso era conhecido como a bateria da calha. O próprio Volta inventou uma variante que consistia em uma cadeia de xícaras cheias de uma solução salina, ligadas por arcos metálicos mergulhados no líquido. Isso era conhecido como a coroa das Copas. Esses arcos eram feitos de dois metais diferentes (por exemplo, zinco e cobre) soldados juntos. Este modelo também provou ser mais eficiente do que suas pilhas originais, embora não tenha sido tão popular.
outro problema com as baterias de Volta foi a curta duração da bateria (na melhor das hipóteses, uma hora), causada por dois fenômenos. A primeira foi que a corrente produziu eletrólise da solução eletrolítica, resultando em uma película de bolhas de hidrogênio se formando no cobre, que aumentou constantemente a resistência interna da bateria (esse efeito, chamado polarização, é neutralizado nas células modernas por medidas adicionais). O outro era um fenômeno chamado ação local, em que curtos-circuitos minúsculos se formariam em torno de impurezas no zinco, fazendo com que o zinco se degradasse. O último problema foi resolvido em 1835 pelo inventor inglês William Sturgeon, que descobriu que o zinco amalgamado, cuja superfície havia sido tratada com algum mercúrio, não sofria de ação local.Apesar de suas falhas, as baterias de Volta fornecem uma corrente mais estável do que os frascos de Leyden e possibilitaram muitos novos experimentos e descobertas, como a primeira eletrólise da água pelo cirurgião Inglês Anthony Carlisle e o químico Inglês William Nicholson.
primeiras baterias práticas
Daniell cell
um professor de Química Inglês chamado John Frederic Daniell encontrou uma maneira de resolver o problema da bolha de hidrogênio na pilha voltaica usando um segundo eletrólito para consumir o hidrogênio produzido pelo primeiro. Em 1836, ele inventou a célula de Daniell, que consiste em uma panela de cobre preenchida com uma solução de sulfato de cobre, na qual é imerso um recipiente de barro não vidrado preenchido com ácido sulfúrico e um eletrodo de zinco. A barreira de barro é porosa, o que permite que os íons passem, mas evita que as soluções se misturem.
a célula Daniell foi uma grande melhoria em relação à tecnologia existente usada nos primeiros dias do desenvolvimento da bateria e foi a primeira fonte prática de eletricidade. Ele fornece uma corrente mais longa e confiável do que a célula voltaica. Também é mais seguro e menos corrosivo. Tem uma tensão de funcionamento de aproximadamente 1,1 volts. Logo se tornou o padrão da indústria para uso, especialmente com as novas redes telegráficas.
a célula de Daniell também foi usada como o primeiro padrão de trabalho para definição do volt, que é a unidade de força eletromotriz.
célula de pássaro
uma versão da célula de Daniell foi inventada em 1837 pelo médico do Hospital de Guy, Golding Bird, que usou um gesso da barreira de Paris para manter as soluções separadas. As experiências de Bird com esta célula foram de alguma importância para a nova disciplina da eletrometalurgia.
pot cell poroso
a versão pot porosa da célula Daniell foi inventada por John Dancer, um fabricante de instrumentos de Liverpool, em 1838. Consiste em um ânodo Central de zinco mergulhado em um vaso de barro poroso contendo uma solução de sulfato de zinco. O vaso poroso é, por sua vez, imerso em uma solução de sulfato de cobre contida em uma lata de cobre, que atua como cátodo da célula. O uso de uma barreira porosa permite que os íons passem, mas evita que as soluções se misturem.
célula de gravidade
na década de 1860, um francês chamado Callaud inventou uma variante da célula de Daniell chamada célula de gravidade. Esta versão mais simples dispensou a barreira porosa. Isso reduz a resistência interna do sistema e, assim, a bateria produz uma corrente mais forte. Ele rapidamente se tornou a bateria de escolha para as redes telegráficas americanas e britânicas, e foi amplamente utilizado até a década de 1950.
a célula de gravidade consiste em um frasco de vidro, no qual um cátodo de cobre fica no fundo e um ânodo de zinco é suspenso sob a borda. Os cristais de sulfato de cobre são espalhados ao redor do cátodo e, em seguida, o frasco é preenchido com água destilada. À medida que a corrente é desenhada, uma camada de solução de sulfato de zinco se forma no topo ao redor do ânodo. Esta camada superior é mantida separada da camada inferior de sulfato de cobre por sua densidade mais baixa e pela polaridade da célula.
a camada de sulfato de zinco é clara em contraste com a camada de sulfato de cobre azul profundo, o que permite que um técnico meça a vida útil da bateria com um relance. Por outro lado, esta configuração significa que a bateria pode ser usada apenas em um aparelho estacionário, caso contrário, as soluções se misturam ou derramam. Outra desvantagem é que uma corrente deve ser continuamente extraída para evitar que as duas soluções se misturem por difusão, por isso não é adequada para uso intermitente.
célula Poggendorff
o cientista alemão Johann Christian Poggendorff superou os problemas com a separação do eletrólito e do despolarizador usando um pote de barro poroso em 1842. Na célula Poggendorff, às vezes chamada de célula Grenet devido aos trabalhos de Eugene Grenet por volta de 1859, o eletrólito é ácido sulfúrico diluído e o despolarizador é ácido crômico. Os dois ácidos são fisicamente misturados, eliminando o pote poroso. O eletrodo positivo (cátodo) é duas placas de carbono, com uma placa de zinco (negativa ou ânodo) posicionada entre elas. Devido à tendência da mistura ácida de reagir com o zinco, é fornecido um mecanismo para elevar o eletrodo de zinco longe dos ácidos.
a célula fornece 1,9 volts. Ele provou ser popular com experimentadores por muitos anos devido à sua relativamente alta tensão; maior capacidade de produzir um consistente atual e a falta de quaisquer vapores, mas a relativa fragilidade de sua fina de vidro, gabinete e a necessidade de ter que levantar a chapa de zinco quando a célula não está em uso, eventualmente, viu-a cair em desuso. A célula também era conhecida como “célula de ácido crômico”, mas principalmente como “célula de bicromato”. Este último nome veio da prática de produzir o ácido crômico adicionando ácido sulfúrico ao dicromato de potássio, embora a própria célula não contenha dicromato.
a célula Fuller foi desenvolvida a partir da célula Poggendorff. Embora a química seja principalmente a mesma, os dois ácidos são mais uma vez separados por um recipiente poroso e o zinco é tratado com mercúrio para formar um amálgama.
Grove cell
a Grove cell foi inventada pelo galês William Robert Grove em 1839. Consiste em um ânodo de zinco mergulhado em ácido sulfúrico e um cátodo de platina mergulhado em ácido nítrico, separado por barro poroso. A célula Grove fornece uma corrente alta e quase o dobro da tensão da célula Daniell, o que a tornou a célula preferida das redes telegráficas Americanas por um tempo. No entanto, emite fumos venenosos de óxido nítrico quando operados. A tensão também cai drasticamente à medida que a carga diminui, o que se tornou um passivo à medida que as redes telegráficas se tornavam mais complexas. Platina foi e ainda é muito caro.
baterias recarregáveis e células secas
chumbo-ácido
até este ponto, todas as baterias existentes seriam drenadas permanentemente quando todas as suas reações químicas fossem gastas. Em 1859, Gaston Planté inventou a bateria de chumbo–ácido, a primeira bateria que poderia ser recarregada passando uma corrente reversa por ela. Uma célula de chumbo-ácido consiste em um ânodo de chumbo e um cátodo de dióxido de chumbo imerso em ácido sulfúrico. Ambos os eletrodos reagem com o ácido para produzir sulfato de chumbo, mas a reação no ânodo de chumbo libera elétrons enquanto a reação no dióxido de chumbo os consome, produzindo assim uma corrente. Essas reações químicas podem ser revertidas passando uma corrente reversa pela bateria, recarregando-a.
o primeiro modelo de Planté consistia em duas folhas de chumbo separadas por tiras de borracha e enroladas em espiral. Suas baterias foram usadas pela primeira vez para alimentar as luzes em vagões de trem enquanto paravam em uma estação. Em 1881, Camille Alphonse Faure inventou uma versão melhorada que consiste em uma rede de grade de chumbo na qual é pressionada uma pasta de óxido de chumbo, formando uma placa. Várias placas podem ser empilhadas para maior desempenho. Este design é mais fácil de produzir em massa.
em comparação com outras baterias, Planté é bastante pesado e volumoso para a quantidade de energia que pode conter. No entanto, pode produzir correntes notavelmente grandes em surtos. Ele também tem uma resistência interna muito baixa, o que significa que uma única bateria pode ser usada para alimentar vários circuitos.
a bateria de chumbo-ácido ainda é usada hoje em automóveis e outras aplicações onde o peso não é um grande fator. O princípio básico não mudou desde 1859. No início da década de 1930, um eletrólito de gel (em vez de um líquido) produzido pela adição de sílica a uma célula carregada foi usado na bateria LT de rádios portáteis de tubo de vácuo. Na década de 1970, as versões “seladas” tornaram-se comuns (comumente conhecidas como “célula de gel” ou “SLA”), permitindo que a bateria fosse usada em diferentes posições sem falha ou vazamento.
hoje, as células são classificadas como “primárias” se produzirem uma corrente apenas até que seus reagentes químicos se esgotem e” secundárias ” se as reações químicas puderem ser revertidas recarregando a célula. A célula de chumbo-ácido foi a primeira célula “secundária”.
célula de Leclanché
Em 1866, Georges Leclanché inventou uma bateria que consiste de um ânodo de zinco e um cátodo de dióxido de manganês envolto em um material poroso, mergulhado em um frasco de solução de cloreto de amónio. O cátodo de dióxido de manganês também tem um pouco de carbono misturado, o que melhora a condutividade e a absorção. Ele forneceu uma tensão de 1,4 volts. Esta célula alcançou um sucesso muito rápido no trabalho de telegrafia, sinalização e sino elétrico.
a forma de célula seca foi usada para alimentar os primeiros telefones—geralmente de uma caixa de madeira adjacente afixada para encaixar as baterias antes que os telefones pudessem extrair energia da própria linha telefônica. A célula Leclanché não pode fornecer uma corrente sustentada por muito tempo. Em longas conversas, a bateria acabaria, tornando a conversa inaudível. Isso ocorre porque certas reações químicas na célula aumentam a resistência interna e, assim, diminuem a tensão. Essas reações se invertem quando a bateria fica ociosa, por isso é bom apenas para uso intermitente.
célula de zinco-carbono, a primeira célula seca
muitos experimentadores tentaram imobilizar o eletrólito de uma célula eletroquímica para torná-la mais conveniente de usar. A pilha Zamboni de 1812 é uma bateria seca de alta tensão, mas capaz de fornecer apenas correntes mínimas. Vários experimentos foram feitos com celulose, serragem, vidro girado, fibras de amianto e gelatina.
em 1886, Carl Gassner obteve uma patente alemã sobre uma variante da célula Leclanché, que passou a ser conhecida como célula seca porque não possui eletrólito líquido livre. Em vez disso, o cloreto de amônio é misturado com gesso de Paris para criar uma pasta, com uma pequena quantidade de cloreto de zinco adicionada para prolongar a vida útil. O cátodo de dióxido de manganês é mergulhado nesta pasta, e ambos são selados em uma casca de zinco, que também atua como ânodo. Em novembro de 1887, ele obteve a patente dos EUA 373.064 para o mesmo dispositivo.
ao contrário das células úmidas anteriores, a célula seca de Gassner é mais sólida, não requer manutenção, não derrama e pode ser usada em qualquer orientação. Ele fornece um potencial de 1,5 volts. O primeiro modelo produzido em massa foi o Columbia dry cell, comercializado pela primeira vez pela National Carbon Company em 1896. O NCC melhorou o modelo de Gassner substituindo o gesso de Paris por papelão enrolado, uma inovação que deixou mais espaço para o cátodo e facilitou a montagem da bateria. Foi a primeira bateria conveniente para as massas e tornou os dispositivos elétricos portáteis práticos e levou diretamente à invenção da lanterna.
paralelamente, em 1887 Wilhelm Hellesen desenvolveu seu próprio desenho de células secas. Foi alegado que o design de Hellesen precedeu o de Gassner.
em 1887, uma bateria seca foi desenvolvida por Yai Sakizō do Japão, então patenteada em 1892. Em 1893, a bateria seca de Yai Sakizō foi exibida na exposição colombiana mundial e recebeu considerável atenção internacional.
NiCd, a primeira bateria alcalina
Em 1899, um cientista sueco, chamado Waldemar Jungner inventou a de níquel–cádmio bateria, uma bateria recarregável que tem de níquel e cádmio eletrodos em uma solução de hidróxido de potássio; a primeira bateria para usar um eletrólito alcalino. Foi comercializado na Suécia em 1910 e chegou aos Estados Unidos em 1946. Os primeiros modelos eram robustos e tinham densidade de energia significativamente melhor do que as baterias de chumbo-ácido, mas eram muito mais caros.
século XX: novas tecnologias e ubiquidade
níquel-ferro
baterias de níquel-ferro fabricadas entre 1972 e 1975 sob a marca “Exide”, originalmente desenvolvida em 1901 por Thomas Edison.
Waldemar Jungner patenteou uma bateria de níquel–ferro em 1899, no mesmo ano que sua patente de bateria Ni-Cád, mas descobriu que ela era inferior à sua contraparte de cádmio e, como conseqüência, nunca se preocupou em desenvolvê-la. Produziu muito mais gás hidrogênio ao ser carregado, o que significa que não poderia ser selado, e o processo de carregamento foi menos eficiente (era, no entanto, mais barato).Vendo uma maneira de obter lucro no já competitivo mercado de baterias de chumbo-ácido, Thomas Edison trabalhou na década de 1890 no desenvolvimento de uma bateria alcalina baseada na qual ele poderia obter uma patente. Edison pensou que se ele produzisse carros elétricos de bateria leves e duráveis se tornaria o padrão, com sua empresa como seu principal fornecedor de baterias. Depois de muitos experimentos, e provavelmente tomando emprestado do design de Jungner, ele patenteou uma bateria alcalina de níquel–ferro em 1901. No entanto, os clientes descobriram que seu primeiro modelo da bateria alcalina de níquel–ferro era propenso a vazamentos, levando a uma curta duração da bateria, e também não superava muito a célula de chumbo-ácido. Embora Edison tenha sido capaz de produzir um modelo mais confiável e poderoso sete anos depois, nessa época o modelo barato e confiável T Ford havia feito dos carros a gasolina o padrão. No entanto, a bateria de Edison alcançou grande sucesso em outras aplicações, como veículos ferroviários elétricos e diesel-elétricos, fornecendo energia de reserva para sinais de cruzamento ferroviário ou para fornecer energia para as lâmpadas usadas em Minas.
baterias alcalinas comuns
até o final dos anos 1950, a bateria de zinco-carbono continuou a ser uma bateria de células primárias popular, mas sua vida útil da bateria relativamente baixa prejudicou as vendas. Em 1955, um engenheiro chamado Lewis Urry, trabalhando para a Union Carbide no National Carbon Company Parma Research Laboratory, foi encarregado de encontrar uma maneira de prolongar a vida útil das baterias de zinco-carbono, mas Urry decidiu, em vez disso, que as baterias alcalinas eram mais promissoras. Até então, baterias alcalinas de longa duração eram inviavelmente caras. A bateria de Urry consiste em um cátodo de dióxido de manganês e um ânodo de zinco em pó com um eletrólito alcalino. O uso de zinco em pó dá ao ânodo uma área de superfície maior. Essas baterias foram colocadas no mercado em 1959.
níquel-hidrogénio e níquel-hidreto metálico
a bateria de níquel–hidrogénio entrou no mercado como um subsistema de armazenamento de energia para satélites de comunicação comercial.
as primeiras baterias de hidreto de níquel–metal de grau de consumidor (NiMH) para aplicações menores apareceram no mercado em 1989 como uma variação da bateria de níquel–hidrogênio dos anos 1970. As baterias NiMH tendem a ter maior expectativa de vida do que as baterias NiCd (e sua expectativa de vida continua a aumentar à medida que os fabricantes experimentam novas ligas) e, como o cádmio é tóxico, as baterias NiMH são menos prejudiciais ao meio ambiente.
baterias De Lítio e Íon-lítio
o lítio é o metal com menor densidade e com maior potencial eletroquímico e relação energia-peso. O baixo peso atômico e o pequeno tamanho de seus íons também aceleram sua difusão, sugerindo que seria um material ideal para baterias.Experimentação com baterias de lítio começou em 1912 em G. N. Lewis, mas comercial de baterias de lítio não chegar ao mercado até a década de 1970. Três volts de lítio de células primárias, tais como o tipo CR123A e três volts botão células ainda são amplamente utilizados, especialmente em câmeras e muito pequenos dispositivos.
três desenvolvimentos importantes em relação às baterias de lítio ocorreram na década de 1980. em 1980, um químico americano, John B. Goodenough, descobriu o cátodo LiCoO2 (chumbo positivo) e um cientista de pesquisa Marroquino, Rachid Yazami, descobriu o ânodo de grafite (chumbo negativo) com o eletrólito sólido. Em 1981, os químicos japoneses Tokio Yamabe e Shizukuni Yata descobriram um novo nano-carbonacious-PAS (poliaceno) e descobriram que era muito eficaz para o ânodo no eletrólito líquido convencional. Isso levou uma equipe de pesquisa gerenciada por Akira Yoshino da Asahi Chemical, Japão, a construir o primeiro protótipo de bateria de íon de lítio em 1985, uma versão recarregável e mais estável da bateria de lítio; A Sony comercializou a bateria de íons de lítio em 1991.
em 1997, a bateria de polímero de lítio foi lançada pela Sony e Asahi Kasei. Essas baterias mantêm seu eletrólito em um composto de Polímero sólido em vez de em um solvente líquido, e os eletrodos e separadores são laminados entre si. A última diferença permite que a bateria seja envolvida em um invólucro flexível em vez de em um invólucro de metal rígido, o que significa que essas baterias podem ser moldadas especificamente para caber em um dispositivo específico. Essa vantagem favoreceu as baterias de polímero de lítio no design de dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares e assistentes digitais pessoais, e de aeronaves controladas por rádio, pois essas baterias permitem um design mais flexível e compacto. Eles geralmente têm uma densidade de energia menor do que as baterias normais de íons de lítio.
em 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino receberam o Prêmio Nobel de Química 2019, por seu desenvolvimento de baterias de íons de lítio.