UMA bateria, que na verdade é uma célula elétrica, é um dispositivo que produz eletricidade a partir de uma reação química. A rigor, uma bateria consiste em duas ou mais células conectadas em série ou em paralelo, mas o termo geralmente é usado para uma única célula. Uma célula consiste em um eletrodo negativo; um eletrólito, que conduz íons; um separador, também um condutor de íons; e um eletrodo positivo. o eletrólito pode ser aquoso (composto de água) ou não aquoso (não composto de água), na forma líquida, em pasta ou sólida. Quando a célula está conectada a uma carga externa ou dispositivo a ser alimentado, o eletrodo negativo fornece uma corrente de elétrons que fluem através da carga e são aceitos pelo eletrodo positivo. Quando a carga externa é removida, a reação cessa.
Uma bateria primária é aquela que pode converter seus produtos químicos em eletricidade apenas uma vez e, em seguida, deve ser descartada. Uma bateria secundária possui eletrodos que podem ser reconstituídos passando a eletricidade de volta; também chamada de bateria de armazenamento ou recarregável, pode ser reutilizada várias vezes.
Esta bateria usa óxido de níquel em seu eletrodo positivo (cátodo), um composto de cádmio em seu eletrodo negativo (ânodo) e solução de hidróxido de potássio como eletrólito. A bateria de níquel-cádmio é recarregável, para que possa circular repetidamente. Uma bateria de níquel-cádmio converte energia química em energia elétrica após a descarga e converte energia elétrica novamente em energia química após a recarga. Em uma bateria NiCd totalmente descarregada, o cátodo contém hidróxido de níquel [Ni (OH) 2] e hidróxido de cádmio [Cd (OH) 2] no ânodo. Quando a bateria é carregada, a composição química do cátodo é transformada e o hidróxido de níquel muda para oxi-hidróxido de níquel [NiOOH]. No ânodo, o hidróxido de cádmio é transformado em cádmio. Como a bateria está descarregada, o processo é revertido, conforme mostrado na fórmula a seguir.
A bateria de níquel-hidrogênio pode ser considerada um híbrido entre a bateria de níquel-cádmio e a célula de combustível. O eletrodo de cádmio foi substituído por um eletrodo de gás hidrogênio. Essa bateria é visualmente muito diferente da bateria de níquel-cádmio porque a célula é um vaso de pressão, que deve conter mais de mil libras por polegada quadrada (psi) de gás hidrogênio. É significativamente mais leve que o níquel-cádmio, mas é mais difícil de embalar, como uma caixa de ovos.
Às vezes, as baterias de níquel-hidrogênio são confundidas com as baterias de níquel-hidreto metálico, comumente encontradas em telefones celulares e laptops. As baterias de níquel-hidrogênio e de níquel-cádmio usam o mesmo eletrólito, uma solução de hidróxido de potássio, comumente chamada de soda cáustica.
Os incentivos para o desenvolvimento de baterias de níquel / hidreto metálico (Ni-MH) vêm de preocupações ambientais e de saúde para encontrar substituições para as baterias recarregáveis de níquel / cádmio. Devido aos requisitos de segurança do trabalhador, o processamento de cádmio para baterias nos EUA já está em processo de eliminação progressiva. Além disso, a legislação ambiental das décadas de 90 e 21 provavelmente tornará imperativo reduzir o uso de cádmio em baterias para uso do consumidor. Apesar dessas pressões, ao lado da bateria de chumbo-ácido, a bateria de níquel / cádmio ainda possui a maior fatia do mercado de baterias recarregáveis. Outros incentivos para a pesquisa de baterias à base de hidrogênio vêm da crença geral de que o hidrogênio e a eletricidade irão deslocar e, eventualmente, substituir um fração significativa das contribuições que transportam energia dos recursos de combustíveis fósseis, tornando-se a base para um sistema de energia sustentável baseado em fontes renováveis. fontes. Finalmente, existe um interesse considerável no desenvolvimento de baterias Ni-MH para veículos elétricos e veículos híbridos.
O eletrólito KOH pode transportar apenas os íons OH- e, para equilibrar o transporte de carga, os elétrons devem circular pela carga externa. O eletrodo de níquel oxi-hidróxido (equação 1) foi extensivamente pesquisado e caracterizado, e sua aplicação tem sido amplamente demonstrada para aplicações terrestres e aeroespaciais. A maioria das pesquisas atuais em baterias de Ni / Metal Hidreto envolveu a melhoria do desempenho do ânodo de hidreto metálico. Especificamente, isso requer o desenvolvimento de um eletrodo de hidreto com as seguintes características: (1) ciclo de vida, (2) alta capacidade, (3) alta taxa de carga e descarga a uma tensão constante e (4) retenção capacidade.
Esses sistemas são diferentes de todas as baterias mencionadas anteriormente, pois não é usada água no eletrólito. Eles usam um eletrólito não aquoso, que é composto de líquidos orgânicos e sais de lítio para fornecer condutividade iônica. Este sistema possui voltagens muito mais altas do que os sistemas aquosos de eletrólitos. Sem água, a evolução dos gases hidrogênio e oxigênio é eliminada e as células podem operar com potenciais muito mais amplos. Eles também exigem uma montagem mais complexa, pois isso deve ser feito em uma atmosfera quase perfeitamente seca.
Várias baterias não recarregáveis foram desenvolvidas primeiramente com metal de lítio como ânodo. As células-moeda comerciais usadas para as baterias de relógios atuais são principalmente uma química de lítio. Esses sistemas usam uma variedade de sistemas de cátodos que são seguros o suficiente para uso do consumidor. Os cátodos são feitos de vários materiais, como monofluoreto de carbono, óxido de cobre ou pentóxido de vanádio. Todos os sistemas de cátodo sólido são limitados na taxa de descarga que eles suportam.
Para obter uma taxa de descarga mais alta, foram desenvolvidos sistemas de cátodos líquidos. O eletrólito é reativo nesses projetos e reage no cátodo poroso, que fornece locais catalíticos e coleta de corrente elétrica. Vários exemplos desses sistemas incluem cloreto de lítio-tionil e dióxido de lítio-enxofre. Essas baterias são usadas no espaço e para aplicações militares, bem como para sinalizadores de emergência no chão. Geralmente, eles não estão disponíveis ao público porque são menos seguros que os sistemas de cátodo sólido.
Acredita-se que o próximo passo na tecnologia de bateria de íon de lítio seja a bateria de polímero de lítio. Esta bateria substitui o eletrólito líquido por um eletrólito gelificado ou um eletrólito sólido verdadeiro. Supõe-se que essas baterias sejam ainda mais leves que as baterias de íon-lítio, mas atualmente não há planos de pilotar essa tecnologia no espaço. Também não é comum no mercado comercial, embora possa estar ao virar da esquina.
Em retrospecto, percorremos um longo caminho desde o vazamento lanterna baterias dos anos sessenta, quando o vôo espacial nasceu. Existe uma ampla gama de soluções disponíveis para atender às muitas demandas de vôos espaciais, 80 abaixo de zero até as altas temperaturas de uma mosca solar. É possível lidar com radiação massiva, décadas de serviço e cargas que atingem dezenas de quilowatts. Haverá uma evolução contínua dessa tecnologia e uma constante busca por baterias aprimoradas.