Bateria de Níquel Ferro ou Bateria Edison Funcionamento e Características

Qual bateria está se tornando cada vez mais popular, dado o grande potencial de desenvolvimento para transformá-la em uma bateria de alta densidade energética para veículos elétricos? A resposta seria a Bateria de Níquel-Ferro ou Bateria Edison. Em uma palavra, uma bateria Ni-Fe é uma bateria muito robusta. Esta bateria tem uma alta tolerância para sobrecarga, descarga excessiva, curto-circuito, etc. Esta bateria pode funcionar igualmente bem mesmo se não for carregada por um longo período. Devido ao seu peso, esta bateria é usada em aplicações onde o peso da bateria não importa, por exemplo, no sistema de energia solar, no sistema de energia eólica, etc., como backup. A durabilidade e a vida útil de uma célula de níquel-ferro são muito maiores do que as de uma bateria de chumbo-ácido, mas ainda assim, a bateria de níquel-ferro perdeu sua popularidade devido ao seu alto custo de fabricação.

Vamos dar uma olhada em algumas características específicas da bateria de níquel-ferro (Ni-Fe) ou Bateria Edison.

Esta bateria pode ter capacidade de entrega de energia de 30 a 50 kW por kg de seu peso. A eficiência de carregamento desta bateria é de cerca de 65%. Isso significa que 65% da energia elétrica de entrada é armazenada nesta bateria como energia química durante o processo de carregamento. A eficiência de descarga é de cerca de 85%. Isso significa que a bateria pode entregar 85% da energia armazenada à carga como energia elétrica e o restante é descarregado devido à auto-descarga da bateria. Se a bateria for deixada sem uso por 30 dias, ela perderá apenas 10% a 15% de sua energia armazenada devido à auto-descarga. A bateria de níquel-ferro tem uma vida útil significativamente maior, que é de 30 a 100 anos. Este período é muito maior que a vida útil normal de uma bateria de chumbo-ácido, que é de cerca de dez anos. A tensão nominal por célula de níquel-ferro é de 1,4 V.

Bateria de Níquel-Ferro

Os componentes básicos utilizados na Bateria de Níquel-Ferro são hidróxido de níquel(III) como catodo, ferro como ânodo e hidróxido de potássio como eletrólito. Adicionamos sulfato de níquel e sulfeto férreo ao material ativo.

Construção das Baterias Edison

A capacidade da célula Ne-Fe depende do tamanho e número de placas positivas e negativas. A aparência de ambas as placas neste tipo de células de bateria é a mesma. Ambas as placas consistem em uma grade retangular feita de ferro revestido de níquel. Cada um dos orifícios da grade é preenchido com uma caixa de aço perfurada e revestida de níquel.

Embora ambas as placas pareçam ser as mesmas, elas contêm materiais ativos diferentes. As caixas de aço perfuradas e revestidas de níquel das placas positivas contêm uma mistura de óxido de níquel e carbono moído, e algumas das placas negativas contêm grãos finos de óxido de ferro com poeira fina de carbono. Nas duas placas, a poeira fina de carbono, misturada com os materiais ativos, ajuda a aumentar a condutividade elétrica. Usamos 20% de potassa diluída como eletrólito.

O ferro revestido de níquel é usado para fazer o recipiente contendo o eletrólito e os eletrodos. Pás de ebonite são colocadas entre as placas de polaridades diferentes para evitar que entrem em contato direto e causem um curto-circuito. Há outra particularidade na construção da bateria Edison ou bateria de níquel-ferro, que o número de placas negativas é uma a mais do que o número de placas positivas, e a última placa negativa é conectada eletricamente ao recipiente. As placas de mesma polaridade são soldadas a uma tira comum, e formam uma célula, e combinando várias células, a bateria é construída.

Operação das Baterias de Níquel-Ferro

Já sabemos que a principal operação da bateria de níquel-ferro é a reação química dentro da bateria, que é conhecida como eletrolise. A eletrolise nada mais é do que a reação química que ocorre quando há corrente, podendo ser tanto causa quanto resultado da reação química. A química da célula de níquel-ferro é muito complicada, pois a fórmula exata para o material ativo positivo ainda não está bem estabelecida. Mas, se podemos assumir que o material seja Ni(OH)3, então podemos explicar até certo ponto. Durante o carregamento, o composto de níquel nas placas positivas é oxidado para peróxido de níquel. O processo de carregamento muda o composto de ferro para ferro esponjoso nas placas negativas.

Na condição totalmente carregada, o material ativo das placas positivas é hidróxido de níquel [Ni(OH)3], enquanto que nos bolsos da placa negativa é ferro, Fe. Quando a célula entrega corrente à carga, o material ativo da placa positiva muda de Ni(OH)3 para Ni(OH)2 e o da placa negativa muda de ferro para hidróxido férreo (Fe(OH)2). O processo eletroquímico na Bateria Edison pode ser expresso pela equação

A equação expressa tanto o fenômeno de carregamento quanto o de descarga. O fluxo do lado direito da equação é a reação do fenômeno de descarga, e o fluxo do lado esquerdo da equação expressa o fenômeno de carregamento. A reação ocorre pela transferência de elétrons através do circuito externo para a placa positiva durante a descarga. Existe uma provisão para liberar o fumo corrosivo gerado durante a eletrolise dentro da bateria, de modo que não é necessária cuidados especiais na montagem da célula.

Características das Baterias de Níquel-Ferro

A força eletromotriz (FEM) de uma bateria Edison totalmente carregada é de 1,4 V. A tensão média de descarga é de cerca de 1,2 V e a tensão média de carregamento é de cerca de 1,7 V por célula. As características deste tipo de bateria são mostradas na figura abaixo.

As características de tensão da bateria de níquel-ferro são semelhantes às da célula de chumbo-ácido. A FEM totalmente carregada é de 1,4 V e diminui lentamente para 1,3 V e, em seguida, muito lentamente para 1,1 ou 1,0 V durante a descarga. A partir do gráfico, podemos ver que não há limite inferior para a tensão de descarga além do qual a saída da bateria será zero. É por isso que, após certo período, a bateria para de fornecer qualquer saída. A FEM da bateria é diretamente proporcional à temperatura, o que significa que a FEM da bateria aumenta com o aumento da temperatura.
O tempo médio de carregamento de uma bateria é de 7 horas e o tempo de descarga é de 5 horas. Outra característica da bateria Edison é que a operação contínua em temperaturas mais altas diminui a vida útil da bateria, o mesmo acontece se a bateria for carregada por mais tempo que o tempo médio de carregamento.
A eficiência de amper-hora e watt-hora desta bateria de níquel-ferro é de 85% e 60%, respectivamente. A uma temperatura de 4oC, a capacidade da bateria Edison cai para zero, por isso a bateria deve ser aquecida antes da operação