Função da bateria do automóvel

Como funciona uma bateria de automóvel e como é construída?

A função tradicional da bateria no compartimento do motor é bem conhecida: Sem a bateria, o veículo não pode arrancar. Além do motor de arranque, as velas de ignição, as velas de incandescência, as luzes e as aplicações electrónicas necessitam de energia eléctrica. Mas como é que uma bateria é construída e como é que funciona?

Baterias de chumbo-ácido: Componentes e estrutura

Muitos condutores apercebem-se do peso das baterias dos automóveis quando compram uma nova. São possíveis pesos de cerca de 10,5 kg até 30 kg. A razão para isso são as placas de chumbo nas células da bateria.

Componentes e estrutura de uma célula de bateria

Eletrodo positivo:

• Placa positiva: Numa bateria de chumbo-ácido, a placa carregada positivamente (material ativo) é constituída por óxido de chumbo (PbO₂) que está imerso num eletrólito: A grelha positiva é constituída por uma liga de chumbo e é utilizada para conter o material ativo e como coletor de corrente.

Elétrodo negativo:

• Placa negativa: A placa carregada negativamente (material ativo) é constituída por chumbo puro (Pb), que também está imerso num eletrólito.
• Placa negativa: Tal como a placa positiva, esta também é constituída por uma liga de chumbo e tem a mesma finalidade.
  

Os eléctrodos com cargas diferentes estão separados por um saco separador.

O eletrólito é uma mistura de ácido sulfúrico (H₂SO₄) e água destilada. Este eletrólito pode estar na forma líquida (como nas baterias húmidas convencionais ou na tecnologia EFB melhorada), na forma de gel, ou ligado a um tapete de vidro (como na tecnologia AGM para as mais recentes aplicações start-stop).

Vários eléctrodos positivos formam um conjunto de placas positivas e vários eléctrodos negativos formam um conjunto de placas negativas. Juntos, um conjunto de placas negativas e um conjunto de placas positivas formam um bloco de placas. Um bloco de placas é uma célula de bateria.

Uma bateria de arranque convencional é constituída por 6 células ligadas em série, cada uma com uma tensão nominal de 2 V, o que resulta numa tensão de exatamente 12,72 V quando a bateria está totalmente carregada. A capacidade e a capacidade de arranque a frio da bateria resultam do número de placas por célula.

Regra prática: Quanto mais placas uma célula contiver e, por conseguinte, formar uma superfície maior, maior será a potência de arranque a frio (CCA) que a bateria pode fornecer. No entanto, se o espaço na célula for utilizado para menos placas, mas mais espessas, a estabilidade do ciclo é aumentada. Isto significa que a bateria foi concebida para um maior rendimento de carga (processo contínuo de carga e descarga).

As células estão contidas num invólucro que é feito de plástico resistente a ácidos (polipropileno). Numa bateria SLI convencional, esta é fechada com uma tampa com um sistema de labirinto que impede a saída do fluido da bateria e separa o líquido do gás.

As primeiras baterias tinham tampões de rosca que permitiam o seu enchimento com água destilada. As baterias modernas são completamente isentas de manutenção. A água não precisa de ser, nem deve ser, atestada. Embora as baterias AGM ainda tenham “fichas unidireccionais”, estas não devem ser abertas em nenhuma circunstância.

Função da bateria do carro: A energia química transforma-se em energia eléctrica

Uma bateria de automóvel armazena energia sob a forma química e converte-a em energia eléctrica. Neste processo eletroquímico, quatro materiais reagem entre si:

• Hidrogénio (H)
• Oxigénio (O₂)
• Chumbo (Pb)
• Enxofre (S)

A ligação de um consumidor externo inicia a reação química na pilha:

• O eletrólito, uma mistura de ácido sulfúrico (H₂SO₄) e água destilada decompõe-se em iões de hidrogénio (H⁺), de carga positiva, e iões de sulfato (SO₄^2-), de carga negativa.
• Ao mesmo tempo, os electrões (2e^–) viajam do elétrodo negativo para o positivo através do consumidor externo.
• Para compensar este fluxo de electrões, os iões sulfato viajam do eletrólito para o elétrodo negativo, onde reagem com o chumbo (Pb) para produzir sulfato de chumbo (PbSO₄).
• O sulfato de chumbo é também produzido no elétrodo positivo: A ligação do oxigénio (O₂) no óxido de chumbo (PbO₂) é quebrada pela transferência de electrões e o oxigénio passa para o eletrólito. O restante chumbo (Pb) liga-se ao sulfato (SO₄) do eletrólito.
• Neste, o oxigénio liga-se ao hidrogénio para formar água (H₂O). À medida que o ácido sulfúrico é consumido pela formação de sulfato de chumbo, a concentração da solução electrolítica diminui. Quando a concentração do ácido sulfúrico desce abaixo de um determinado nível, a bateria tem de ser recarregada.
• Durante o carregamento, os processos químicos ocorrem na sequência inversa. No final, os elementos originais podem ser encontrados: O elétrodo positivo é constituído por sulfato de chumbo (PbSO₄), o elétrodo negativo por chumbo puro (Pb) e o eletrólito por ácido sulfúrico diluído (H₂SO₄). Como este processo de conversão está associado a perdas, uma bateria só pode suportar um número limitado de ciclos de carregamento. A sua vida útil é, portanto, limitada. 

Problemas com as baterias de chumbo-ácido: Sulfatação e estratificação ácida

Se uma pilha for carregada com uma tensão demasiado baixa, ou se funcionar sempre com uma tensão demasiado baixa (inferior a 80%), ocorre a estratificação ácida, também designada por estratificação. O ácido no eletrólito estratifica-se devido a uma mistura deficiente. As diferentes densidades provocam a estratificação do ácido sulfúrico na parte inferior e da água na parte superior da pilha. Por este motivo, apenas a parte intermédia do eletrólito, ou seja, apenas um terço, pode ser utilizada para o processo de descarga e de carga.

Uma possível causa da formação de camadas ácidas são sobretudo as viagens curtas com a utilização simultânea de um grande número de consumidores eléctricos. Neste caso, o alternador não tem tempo suficiente para recarregar a bateria.

Uma consequência da estratificação do ácido é a sulfatação. Se isto ocorrer na bateria, ou se esta não for constantemente carregada a um nível adequado, o sulfato de chumbo (PbSO₄) cristaliza nos eléctrodos, formando estruturas cristalinas maiores ao longo do tempo. Este processo é conhecido como “sulfatação”. A cristalização impede a reconversão do sulfato de chumbo nos componentes originais chumbo ou óxido de chumbo, o que resulta na prevenção da aceitação da carga e na redução da potência de arranque a frio.

Os cristais afiados podem também danificar os separadores ou causar curto-circuitos nas células.

Para contrariar este efeito e evitar a falha prematura da bateria, esta nunca deve ser sujeita a um nível de carga baixo durante um longo período. Para isso, é aconselhável testar a bateria regularmente e carregá-la totalmente, se necessário.

Gostaria de saber mais sobre este tópico? Como carregar corretamente uma bateria.

Novas tecnologias de baterias: AGM e iões de lítio

Até agora, as baterias convencionais de chumbo-ácido têm tido uma grande quota de mercado. No entanto, o mercado está a mudar rapidamente: As tecnologias inovadoras de baterias para veículos start-stop, como a AGM , utilizam ácido ligado num tapete para proporcionar uma maior estabilidade do ciclo e garantir um desempenho fiável em veículos com maiores necessidades energéticas. Uma outra vantagem da AGM: A estratificação do ácido já não é possível devido ao ácido ligado.
Uma nova geração de baterias de automóveis para veículos micro-híbridos funciona a 48V e utiliza células com tecnologia de iões de lítio.