Embora existam atualmente muitas químicas de baterias, e novos tipos se tornem comercialmente viáveis ao longo do tempo, lidamos com os tipos de chumbo-ácido, inundado, AGM e verdadeiro Gel, uma vez que são amplamente utilizados nas aplicações em que nos especializamos. A tecnologia das baterias de chumbo-ácido tem sido utilizada comercialmente há mais de um século. Alguns achados arqueológicos dos materiais apropriados numa configuração feita pelo homem sugerem que o princípio é conhecido e utilizado há muito mais tempo. A sua construção é feita com placas de liga de chumbo e um eletrólito de ácido sulfúrico e água. Uma pilha é composta por um número de células e a química do ácido de chumbo dita uma tensão totalmente carregada de cerca de 2,12 volts por célula. Assim, uma bateria nominal de 6 volts tem três células com uma tensão de carga completa de 6,3 a 6,4 volts, e uma bateria de 12 volts tem seis células e uma tensão de carga completa de 12,7 volts. As baterias de chumbo-ácido de alta qualidade e elevado desempenho podem apresentar uma tensão de célula mais elevada.
A célula tem dois tipos de placas, uma de chumbo e outra de dióxido de chumbo, ambas em contacto com o eletrólito de ácido sulfúrico como um líquido, absorvido num tapete, ou um gel. A placa de dióxido de chumbo (PbO2) reage com o eletrólito de ácido sulfúrico (H2SO4), resultando em iões de hidrogénio e iões de oxigénio (que formam a água) e sulfato de chumbo (PbSO4) na placa. A placa de chumbo reage com o eletrólito (ácido sulfúrico) e deixa sulfato de chumbo (PbSO4) e um eletrão livre. A descarga da pilha (permitindo que os electrões saiam da pilha) resulta na acumulação de sulfato de chumbo nas placas e na diluição do ácido na água. Mais tarde, falaremos mais sobre a sulfatação e os seus problemas. A gravidade específica do eletrólito, medida com um hidrómetro em baterias inundadas, indica a sua carga relativa (força) ou o nível de diluição (descarga). A reversibilidade desta reação dá-nos a utilidade de uma pilha de chumbo-ácido. As versões seladas contêm a água, o hidrogénio, etc. em utilização normal, para recombinação, e eliminam a manutenção da verificação dos níveis de água e a corrosão à volta dos terminais.
Carregar a bateria é inverter o processo acima descrito e implica sujeitar a bateria a tensões superiores à sua tensão atual. Quanto mais elevada for a tensão, mais rápida será a taxa de carga, sujeita a algumas limitações. Há um ponto de gaseificação a considerar, e as verdadeiras baterias de gel têm uma tensão de carga de pico mais baixa, porque podem ocorrer bolhas no gel que não se dissipam e resultam em danos na bateria. Mais sobre este assunto no tutorial de carregamento.
O eletrólito pode ser absorvido num material do tipo tapete, de modo a que não haja eletrólito livre (bateria AGM), ou pode estar num formato de gel que também o estabiliza (verdadeira bateria de gel). As baterias de chumbo-ácido actuais distinguem-se basicamente como de ciclo profundo/armazenamento (classificadas em amperes-hora) ou do tipo SLI (arranque/iluminação/ignição) para automóveis, classificadas em amperes de arranque. Existem também tipos combinados, classificados para ambas as funções, mas estes têm normalmente uma classificação de amperes de arranque inferior à de uma bateria de arranque do mesmo tamanho de grupo.
Baterias SLI
As baterias SLI são concebidas para libertar uma grande quantidade de amperes durante um curto período de tempo (uma sequência de arranque) e, em seguida, serem recarregadas de forma relativamente rápida pelo sistema de carregamento do equipamento (alternador). Normalmente, uma sequência de arranque descarrega menos de 3% da capacidade da bateria. As baterias SLI não foram concebidas para descargas profundas repetidas e a sua vida útil é consideravelmente reduzida quando sujeitas a esta situação. Existem baterias húmidas (inundadas) e totalmente seladas, sem manutenção (AGM - absorbed glass mat) nesta classe. Estas têm geralmente um elevado número de placas e as placas são relativamente finas. São classificadas em CA, amperes de arranque (a 32 graus F), e CCA, amperes de arranque a frio (a 0 graus F).
Baterias de ciclo profundo
As baterias de ciclo profundo são concebidas com placas mais espessas, para terem uma taxa de descarga constante e para serem profundamente descarregadas e, subsequentemente, aceitarem recarga. São designadas por baterias para veículos de recreio, marítimas, de ciclo profundo, de armazenamento e, por vezes, para carrinhos de golfe, uma vez que estes são os mercados típicos a que se aplicam, entre outros. Não existe qualquer vantagem em descarregar profundamente as baterias de ciclo profundo como procedimento de manutenção, e estas não têm qualquer efeito de memória. Normalmente, são classificadas em amperes-hora (ah), mas podem ter uma classificação CA e CCA, se tiverem uma finalidade dupla ou forem ocasionalmente utilizadas para arranque.
As baterias de chumbo-ácido de ciclo profundo estão disponíveis em duas configurações - húmida e selada. Uma bateria de célula húmida tem uma maior tolerância à sobrecarga, no entanto, libertará gás hidrogénio durante o carregamento, que deve ser devidamente ventilado, e os níveis de água devem ser verificados frequentemente. As baterias de chumbo-ácido seladas podem ser de construção AGM (Absorbed Glass Mat) ou Gel, e ambas são por vezes designadas por baterias VRLA (valve regulated lead acid). Frequentemente, o termo "Gel" é utilizado para se referir a qualquer bateria verdadeiramente selada e isenta de manutenção, e esta prática causa confusão aos consumidores de baterias, uma vez que o AGM e o verdadeiro Gel têm algumas caraterísticas diferentes, particularmente nos requisitos de carregamento do verdadeiro Gel. Ambos os tipos são isentos de manutenção, não têm líquido para derramar e a gaseificação é mínima. Outras designações para os tipos selados são: eletrólito empobrecido, sem manutenção, célula seca e à prova de derrame. A maioria destes produtos é aprovada pelo Departamento de Transportes (DOT) para transporte aéreo e classificada como não perigosa.
O Gel é o menos afetado por temperaturas extremas, armazenamento em baixo estado de carga e tem uma taxa de descarga interna mais baixa, mas tem requisitos de tensão de carga de pico que são mensuravelmente mais baixos do que uma bateria inundada ou AGM. Uma bateria AGM suporta a sobrecarga um pouco melhor do que a célula de gel. Incluídas na categoria AGM estão a Optima™ e a Odyssey™, bem como várias outras baterias seladas de elevado desempenho. As baterias mais pequenas que encontra em sistemas de alarme domésticos, caixas de UPS (fonte de alimentação ininterrupta) de computadores, etc., que dizem "ácido de chumbo selado", "à prova de derrame" ou "sem manutenção", são quase sempre baterias do tipo AGM. Se não disser "gel" ou se não tiver um "G" no número de peça, não é uma gel.
Baterias de alto desempenho
Mencionámos as baterias de alto desempenho Optima™ e Odyssey™. Existem também outras, como a Rock Racing™. Estas baterias utilizam materiais e técnicas de construção de primeira qualidade e obtêm excelentes resultados, que o preço tende a refletir. As unidades Odyssey apresentam amperes de arranque extremamente elevados durante os primeiros 5 segundos, uma caraterística crítica no arranque de motores de alta cilindrada ou de alta compressão. Também podem ser totalmente descarregadas e recarregadas muitas vezes (classificadas para 400 ciclos a 80% de profundidade de descarga). Para uma dupla finalidade, arranque e ciclo profundo, são difíceis de bater. Mantemos um Odyssey PC1500 carregado e pronto na oficina para saltos de emergência ou outras situações, e para testes. Já foi dito o suficiente.
Capacidade da bateria
A capacidade da bateria é uma medida da energia que a bateria pode armazenar e fornecer a uma carga. É determinada pela quantidade de corrente que uma bateria pode fornecer durante um período de tempo padrão da indústria. A unidade de medida é denominada "ampere-hora" (ah). O padrão da indústria de baterias é uma taxa de 20 horas, ou seja, quantos amperes de corrente a bateria pode fornecer durante 20 horas a 80 graus F até que a tensão caia para 10,5 volts para uma bateria de 12 V e 21 volts para uma bateria de 24 V. Por exemplo, uma bateria de 100 ah fornecerá 5 amperes durante 20 horas. Ocasionalmente, uma empresa ou comerciante utilizará uma taxa de 10 horas ou outra taxa qualquer, por isso, certifique-se de qual a taxa que lhe é dada quando comparar marcas e tamanhos de grupo.
A capacidade da bateria também é expressa como Capacidade de reserva (RC) em minutos. A capacidade de reserva é o tempo em minutos que uma bateria pode fornecer 25 amperes a 80 graus F até que a tensão caia para 10,5 volts para uma bateria de 12 V e 21 volts para uma bateria de 24 V. Uma relação entre as horas-amplificador (ah) e a capacidade de reserva (RC) pode ser aproximada com esta fórmula: ah = RC vezes 0,6
Tamanhos típicos de bateria BCI*Group Tensão da bateria, V Bateria AH 31 12 105 4D 12 200 8D 12 245 GC2 (Carrinho de Golfe) 6 220 * Conselho Internacional de Baterias
Elevadas taxas de descarga da bateria
À medida que a taxa de descarga é aumentada acima da taxa padrão da indústria de 20 horas, a capacidade utilizável diminui, devido ao "Efeito Peukert". A diminuição não é linear e é mostrada no gráfico abaixo.
Capacidade da bateria/taxa de descarga Horas de descarga Capacidade utilizável 20 100% 10 87% 8 83% 6 75% 5 70% 3 60% 2 50% 1 40%
Este facto deve ser tido em consideração quando se dimensiona uma bateria para uma determinada aplicação. Se o consumo de corrente for elevado, a capacidade da bateria deve ser aumentada em relação ao requisito de amperes-hora calculado de forma simples.
Duração da bateria e profundidade de descarga (DOD)
A vida útil da bateria é reduzida quanto mais profundamente ela for descarregada em cada ciclo. Aumentar a capacidade de um banco de baterias para além dos requisitos mínimos aumentará a vida útil do banco. As verdadeiras baterias de gel tendem a ter um maior número de ciclos do que as baterias AGM quando submetidas a ciclos profundos, daí a sua utilização frequente em carrinhos de golfe e cadeiras de rodas/scooters quando são utilizadas baterias seladas e descarregadas diariamente em profundidade.
Gráfico do ciclo de vida médio Profundidade da descarga Ciclo de vida Ciclo de vida Ciclo de vida Vida % da capacidade AH Grupo 27/31 Grupo 8D Grupo GC2 10 1000 1500 3800 50 320 480 1100 80 200 300 675 100 150 225 550
Efeitos da temperatura nas baterias
As baterias de chumbo-ácido perdem capacidade a baixas temperaturas. A 32 graus Fahrenheit, uma bateria fornecerá cerca de 75% da sua capacidade nominal a 80 graus Fahrenheit. Este facto deve ser tido em consideração quando se dimensiona um banco de baterias com a capacidade necessária para ambientes mais frios. Um compartimento aquecido ou isolado é aconselhável para climas muito frios. A temperatura elevada mantém a química da bateria mais ativa e diminui de forma mensurável a vida útil da bateria. Uma bateria que pode durar 5 anos num ambiente de 60 F a 80 F, pode durar apenas 2 anos num ambiente desértico.
Descarga interna
As pilhas estão sujeitas a uma descarga interna, também designada por auto-descarga. Esta taxa é determinada pelo tipo de pilha e pela metalurgia do chumbo utilizado na sua construção. As pilhas húmidas, com as cavidades no interior para o eletrólito, utilizam uma liga de chumbo-antimónio para aumentar a resistência mecânica. O antimónio também aumenta a taxa de descarga interna para 8% a 40% por mês. Por este motivo, as pilhas húmidas não devem ser deixadas sem manutenção ou sem carga durante longos períodos. O chumbo utilizado na construção de baterias de gel e AGM não requer uma elevada resistência mecânica, uma vez que é estabilizado pelo material do gel ou do tapete. Normalmente, o cálcio é ligado ao chumbo para reduzir a formação de gases e a taxa de descarga interna, que é de apenas 2% a 10% por mês para as baterias AGM e de gel.
Qualquer descarga da bateria, incluindo a descarga interna, produz sulfatação nas placas da bateria como parte do ciclo químico e, com tempo suficiente, esta sulfatação endurece, causando uma diminuição da capacidade da bateria, na melhor das hipóteses, ou a perda total da função. O carregamento de rotina após a utilização, ou a utilização de um carregador "flutuante" durante longos períodos de armazenamento (baterias de barcos, ATVs, etc.) evita esta diminuição da capacidade e maximiza a vida útil da bateria. Uma grande parte (cerca de 50%) das baterias de chumbo-ácido tem a capacidade diminuída ou torna-se inutilizável devido à sulfatação e nunca atinge o seu tempo de vida útil nominal. Existem dispositivos electrónicos (carregadores e dispositivos autónomos) para lidar com a sulfatação, mas a melhor prática é evitar a situação em primeiro lugar com uma gestão adequada da bateria, incluindo a utilização de carregadores "inteligentes" de qualidade.
Resumo sobre como atingir a duração máxima da bateria
Da discussão acima, pode ver-se que existem várias questões relacionadas com a vida útil da bateria. O recarregamento atempado após a utilização, evitando a descarga total, se possível, o carregamento de manutenção de rotina ou a utilização de um carregador "flutuante" em baterias armazenadas ou fora de época (jetski, mota de neve, ATV, etc.) são factores que contribuem para uma boa duração da bateria. Evitar temperaturas extremas, especialmente o calor, sempre que possível, e verificar os níveis de água nas baterias inundadas também são essenciais. Existem algumas aplicações que são mais susceptíveis de chegar ao fim do ciclo de vida de uma bateria e, consequentemente, de ter a capacidade diminuída. As cadeiras de rodas e as trotinetas utilizadas diariamente e com grande intensidade inserem-se nesta categoria.
Ligação em série e em paralelo das baterias
Quando duas ou mais baterias são ligadas em série (positivo a negativo numa cadeia), as suas tensões somam-se mas a sua capacidade AH permanece a mesma. Assim, duas baterias de 12 V e 100 ah ligadas em série resultam num conjunto de 24 V e 100 ah. O negativo de uma bateria liga-se ao positivo de uma segunda bateria, e os restantes terminais são as ligações do sistema.
Quando duas ou mais baterias são ligadas em paralelo (positivo a positivo, negativo a negativo), a sua capacidade AH (amperagem) aumenta, mas a sua tensão permanece a mesma. Assim, duas baterias de 12 V e 100 ah ligadas em paralelo resultam num conjunto de 12 V e 200 ah.
