Pilha alcalina - Alkaline battery

Bateria alcalina

Comparação de tamanhos de baterias alcalinas (da esquerda para a direita): C , AA , AAA , N , PP3 (9 volts) .
Taxa de autodescarga	<0,3% / mês
Durabilidade do tempo	5-10 anos
Tensão nominal da célula	1,5 V

Uma bateria alcalina (código IEC: L) é um tipo de bateria primária que obtém sua energia da reação entre o metal zinco e o dióxido de manganês .

Em comparação com as baterias de zinco-carbono dos tipos de célula de Leclanché ou cloreto de zinco , as baterias alcalinas têm uma densidade de energia mais alta e vida útil mais longa , mas fornecem a mesma voltagem.

A bateria alcalina tem esse nome porque tem um eletrólito alcalino de hidróxido de potássio (KOH) em vez do cloreto de amônio ácido (NH ₄ Cl) ou cloreto de zinco (ZnCl ₂ ) eletrólito das baterias de zinco-carbono. Outros sistemas de bateria também usam eletrólitos alcalinos, mas usam diferentes materiais ativos para os eletrodos.

As baterias alcalinas representam 80% das baterias fabricadas nos EUA e mais de 10 bilhões de unidades individuais produzidas em todo o mundo. No Japão, as baterias alcalinas respondem por 46% de todas as vendas de baterias primárias. Na Suíça, as baterias alcalinas representam 68%, no Reino Unido 60% e na UE 47% de todas as vendas de baterias, incluindo os tipos secundários. As baterias alcalinas contêm zinco (Zn) e dióxido de manganês (MnO ₂ ) (códigos de saúde 1), que é uma neurotoxina cumulativa e pode ser tóxica em concentrações mais altas. No entanto, em comparação com outros tipos de bateria, a toxicidade das baterias alcalinas é moderada.

As pilhas alcalinas são usadas em muitos itens domésticos, como MP3 players , CD players , câmeras digitais , brinquedos, lanternas e rádios .

História

As baterias de níquel-ferro de Thomas Edison fabricadas sob a marca " Exide ", originalmente desenvolvidas em 1901 por Thomas Edison, usavam um eletrólito de hidróxido de potássio.

Baterias com eletrólito alcalino (em vez de ácido) foram desenvolvidas por Waldemar Jungner em 1899 e, trabalhando independentemente, Thomas Edison em 1901. A bateria seca alcalina moderna usando a química de dióxido de zinco / manganês foi inventada pelo engenheiro canadense Lewis Urry no 1950 no Canadá já, antes que ele começou a trabalhar para a Union Carbide 's Eveready Battery divisão em Cleveland, OH , com base no trabalho anterior de Edison. Em 9 de outubro de 1957, Urry, Karl Kordesch e PA Marsal registraram a patente nos EUA (2.960.558) para a bateria alcalina. Foi concedida em 1960 e atribuída à Union Carbide Corporation.

Quando introduzido no final da década de 1960, o eletrodo de zinco das baterias alcalinas (em comum com as então onipresentes células de carbono-zinco) tinha uma película superficial de amálgama de mercúrio . Seu objetivo era controlar a ação eletrolítica em locais de impureza, o que reduziria a vida útil e promoveria vazamentos. Com as reduções no teor de mercúrio exigidas por várias legislaturas, tornou-se necessário melhorar muito a pureza e a consistência do zinco.

Química

Em uma bateria alcalina, o eletrodo negativo é o zinco e o eletrodo positivo é o dióxido de manganês (MnO ₂ ). O eletrólito alcalino do hidróxido de potássio não é consumido durante a reação, apenas o zinco e o MnO ₂ são consumidos durante a descarga. O eletrólito alcalino do hidróxido de potássio permanece, pois há quantidades iguais de OH ^- consumidas e produzidas.

As semi-reações são:

Zn _(s) + 2OH ^- _{( aq )} → ZnO _(s) + H ₂ O _(l) + 2e ^- [E _oxidação ° = 1,28 V]

2MnO _{2 (s)} + H ₂ O _(l) + 2e ^- → Mn ₂ O _{3 (s)} + 2OH ^- _(aq) [ _redução E ° = +0,15 V]

Reação geral:

Zn _(s) + 2MnO _{2 (s)} ⇌ ZnO _(s) + Mn ₂ O _{3 (s)} [e ° = +1,43 V]

A energia química é armazenada principalmente no zinco metálico, cuja energia livre coesiva por átomo é pelo menos 225 kJ / mol maior (menos estável) do que a dos três óxidos.

Capacidade

Vários tamanhos de células de botão e moeda. Alguns são alcalinos e outros são óxido de prata . Duas baterias de 9 V foram adicionadas como uma comparação de tamanho. Amplie para ver as marcações do código de tamanho.

A capacidade de uma bateria alcalina é maior do que uma célula de Leclanché ou de cloreto de zinco de mesmo tamanho porque o dióxido de manganês é mais puro e denso e menos espaço é ocupado por componentes internos, como eletrodos. Uma pilha alcalina pode fornecer de três a cinco vezes a capacidade de uma pilha ácida.

A capacidade de uma bateria alcalina depende fortemente da carga. Uma bateria alcalina de tamanho AA pode ter uma capacidade efetiva de 3.000  mAh em baixo consumo, mas com uma carga de 1 ampere , o que é comum para câmeras digitais, a capacidade pode ser de apenas 700  mAh . A tensão da bateria diminui continuamente durante o uso, de modo que a capacidade total utilizável depende da tensão de corte do aplicativo.

Ao contrário das células Leclanché, a célula alcalina oferece quase a mesma capacidade em cargas leves intermitentes ou contínuas. Em uma carga pesada, a capacidade é reduzida na descarga contínua em comparação com a descarga intermitente, mas a redução é menor do que nas células de Leclanche.

Voltagem

A voltagem nominal de uma pilha alcalina nova conforme estabelecido pelos padrões do fabricante é 1,5 V. A voltagem efetiva de carga zero de uma pilha alcalina não descarregada, entretanto, varia de 1,50 a 1,65 V, dependendo da pureza do dióxido de manganês usado e do conteúdo de óxido de zinco no eletrólito. A tensão média sob carga depende do nível de descarga e da quantidade de corrente que está sendo desenhada, variando de 1,1 a 1,3 V. A célula totalmente descarregada ainda terá uma tensão restante na faixa de 0,8 a 1,0 V. Múltiplas tensões podem ser alcançadas com série de células (três novas baterias alcalinas em série serão capazes de gerar entre 4,5 e 5,0 V).

Atual

A quantidade de corrente elétrica que uma bateria alcalina pode fornecer é aproximadamente proporcional ao seu tamanho físico. Isso é resultado da diminuição da resistência interna à medida que a área de superfície interna da célula aumenta. Uma regra prática é que uma bateria alcalina AA pode fornecer 700 mA sem nenhum aquecimento significativo. Células maiores, como células C e D, podem fornecer mais corrente. As aplicações que requerem correntes de vários amperes, como lanternas potentes e aparelhos de som portáteis, exigirão células de tamanho D para lidar com o aumento da carga.

Construção

Bateria alcalina

As baterias alcalinas são fabricadas em formas cilíndricas padronizadas intercambiáveis ​​com baterias de zinco-carbono e em formas de botão. Várias células individuais podem ser interconectadas para formar uma verdadeira "bateria", como as vendidas para uso com lanternas e a bateria de rádio transistor de 9 volts.

Uma célula cilíndrica está contida em uma lata de aço inoxidável trefilada , que é a conexão catódica. A mistura do eletrodo positivo é uma pasta comprimida de dióxido de manganês com pó de carbono adicionado para aumentar a condutividade. A pasta pode ser prensada na lata ou depositada como anéis pré-moldados. O centro oco do cátodo é revestido por um separador, que evita o contato dos materiais do eletrodo e o curto-circuito da célula. O separador é feito de uma camada não tecida de celulose ou de um polímero sintético. O separador deve conduzir íons e permanecer estável na solução eletrolítica altamente alcalina.

O eletrodo negativo é composto por uma dispersão de pó de zinco em um gel contendo o eletrólito de hidróxido de potássio. O pó de zinco fornece mais área de superfície para a ocorrência de reações químicas, em comparação com uma lata de metal. Isso diminui a resistência interna da célula. Para evitar a formação de gás da célula no final de sua vida, mais dióxido de manganês é usado do que o necessário para reagir com todo o zinco. Além disso, a junta de plástico é geralmente adicionada para aumentar a resistência a vazamentos.

A célula é então envolvida em folha de alumínio , um filme plástico ou, raramente, papelão, que atua como uma camada final de proteção contra vazamentos, além de fornecer uma superfície na qual logotipos e rótulos podem ser impressos.

Ao descrever células de tamanho AAA, AA, C, sub-C e D , o eletrodo negativo é conectado à extremidade plana e o terminal positivo é a extremidade com o botão levantado. Isso geralmente é revertido em células-botão, com a lata cilíndrica de extremidade plana sendo o terminal positivo.

Recarga de baterias alcalinas

Algumas baterias alcalinas são projetadas para serem recarregadas algumas vezes e são descritas como baterias alcalinas recarregáveis . As tentativas de recarregar baterias alcalinas padrão podem causar ruptura ou vazamento de líquidos perigosos que corroem o equipamento. No entanto, é relatado que as baterias alcalinas padrão muitas vezes podem ser recarregadas algumas vezes (normalmente não mais de dez), embora com capacidade reduzida após cada carga; carregadores estão disponíveis comercialmente. A organização de consumidores do Reino Unido Qual? relatou que testou dois desses carregadores com baterias alcalinas Energizer , descobrindo que a capacidade da bateria caiu em média para 10% do seu valor original, com grandes variações, após dois ciclos (sem declarar o quão esgotados estavam antes de recarregar) após recarregá-los duas vezes.

Em 2017, Gautam G. Yadav publicou artigos relatando que as baterias alcalinas feitas intercalando as camadas intermediárias com íons de cobre poderiam ser recarregadas por mais de 6.000 ciclos devido à capacidade teórica do segundo elétron do dióxido de manganês. A densidade de energia dessas baterias recarregáveis ​​com dióxido de manganês intercalado de cobre é relatada em mais de 160Wh / L, a melhor entre as químicas de base aquosa. Ele pode ser capaz de atingir densidades de energia comparáveis ​​ao íon-lítio (> 250Wh / L) se a utilização de zinco nas baterias for melhorada.

Vazamentos

Vazamento de composto de potássio dentro de uma bateria alcalina

As pilhas alcalinas têm tendência a vazar hidróxido de potássio , um agente cáustico que pode causar irritação respiratória, ocular e cutânea. O risco pode ser reduzido não tentando recarregar pilhas alcalinas descartáveis, não misturando diferentes tipos de bateria no mesmo dispositivo, substituindo todas as baterias ao mesmo tempo, armazenando as baterias em um local seco e em temperatura ambiente, e removendo baterias para armazenamento de dispositivos.

Todas as baterias se descarregam gradualmente (instaladas em um dispositivo ou não) e as baterias gastas eventualmente vazam. Temperaturas extremamente altas também podem causar ruptura e vazamento das baterias (como em um carro durante o verão), bem como diminuir a vida útil da bateria.

O motivo dos vazamentos é que, à medida que as baterias se descarregam - seja pelo uso ou autodescarga gradual - a química das células muda e algum gás hidrogênio é gerado. Essa liberação de gases aumenta a pressão na bateria. Eventualmente, o excesso de pressão rompe as vedações isolantes na extremidade da bateria, ou o recipiente de metal externo, ou ambos. Além disso, conforme a bateria envelhece, seu recipiente externo de aço pode corroer ou enferrujar gradualmente, o que pode contribuir ainda mais para a falha de contenção.

Uma vez que um vazamento se formou devido à corrosão do invólucro de aço externo, o hidróxido de potássio absorve dióxido de carbono do ar para formar uma estrutura cristalina de carbonato de potássio que cresce e se espalha da bateria ao longo do tempo, seguindo eletrodos de metal para placas de circuito onde ele começa a oxidação das trilhas de cobre e outros componentes, levando a danos permanentes no circuito.

Os tumores cristalinos que vazam também podem emergir das costuras ao redor das tampas das baterias para formar um revestimento peludo fora do dispositivo, que corrói qualquer objeto em contato com o dispositivo que está vazando.

Disposição

Com a redução do mercúrio em 1996, as pilhas alcalinas podem ser descartadas como lixo doméstico regular em alguns locais. No entanto, as baterias alcalinas mais antigas com mercúrio e os outros metais pesados e produtos químicos corrosivos restantes em todas as baterias (novas e velhas) ainda apresentam problemas para descarte - especialmente em aterros sanitários. Há também a questão de simplificar o descarte de baterias para excluí-las todas, de modo que as mais tóxicas sejam desviadas dos fluxos de resíduos gerais.

O descarte varia de acordo com a jurisdição. Por exemplo, o estado da Califórnia considera todas as baterias como resíduos perigosos quando descartadas e proibiu o descarte de baterias com outros resíduos domésticos. Na Europa, o descarte da bateria é controlado pela Diretiva WEEE e pelos regulamentos da Diretiva de Bateria e, como tal, as baterias alcalinas não devem ser jogadas no lixo doméstico. Na UE, a maioria das lojas que vendem baterias é obrigada por lei a aceitar baterias velhas para reciclagem.

Reciclando

O uso de baterias descartáveis ​​aumenta em 5–6% a cada ano. No passado, as baterias usadas acabavam em aterros sanitários, mas em 2004, o descarte de baterias alcalinas em aterros foi proibido por um regulamento da UE. Os países membros da UE estão empenhados em reciclar 50% das baterias alcalinas até 2016. A necessidade de reciclagem é de 125.000 toneladas por ano. A participação das pilhas alcalinas é de aproximadamente 80% do total.

Nos EUA, apenas um estado, Califórnia, exige que todas as baterias alcalinas sejam recicladas. Vermont também tem um programa estadual de coleta de baterias alcalinas. Em outros estados dos EUA, as pessoas podem comprar kits de reciclagem de baterias usados ​​para enviar baterias para recicladores. Algumas lojas, como a IKEA, também recolhem baterias alcalinas para reciclagem. No entanto, algumas cadeias de lojas que anunciam a reciclagem de baterias (como a Best Buy) aceitam apenas baterias recarregáveis ​​e geralmente não aceitam baterias alcalinas.

Para a reciclagem, os metais das baterias alcalinas trituradas são separados mecanicamente e a massa negra residual é tratada quimicamente para separar o zinco, o dióxido de manganês e o hidróxido de potássio.

Veja também

Notas

Referências

links externos

• Dados de segurança de material alcalino para baterias alcalinas Duracell
• Pilhas alcalinas
• Especificações da marca da bateria alcalina neutra com base nos padrões ANSI
• Visão geral dos padrões e testes de bateria