Princípio de Funcionamento da Bateria: Como uma Bateria Funciona?
Princípio de Funcionamento da Bateria
Uma bateria funciona com base na reação de oxidação e redução de um eletrólito com metais. Quando dois metais diferentes, chamados eletrodos, são colocados em um eletrólito diluído, ocorrem reações de oxidação e redução nos eletrodos, respectivamente, dependendo da afinidade eletrônica do metal dos eletrodos. Como resultado da reação de oxidação, um eletrodo fica carregado negativamente, chamado cátodo, e devido à reação de redução, outro eletrodo fica carregado positivamente, chamado ânodo.
O cátodo forma o terminal negativo, enquanto o ânodo forma o terminal positivo da bateria. Para entender corretamente o princípio básico da bateria, primeiro, devemos ter alguns conceitos básicos sobre eletrólitos e afinidade eletrônica. Na verdade, quando dois metais diferentes são imersos em um eletrólito, haverá uma diferença de potencial produzida entre esses metais.
Descobriu-se que, quando certos compostos específicos são adicionados à água, eles se dissolvem e produzem íons negativos e positivos. Este tipo de composto é chamado de eletrólito. Os exemplos populares de eletrólitos são quase todos os tipos de sais, ácidos e bases, etc. A energia liberada durante a aceitação de um elétron por um átomo neutro é conhecida como afinidade eletrônica. Como a estrutura atômica para diferentes materiais é diferente, a afinidade eletrônica de diferentes materiais será diferente.
Se dois tipos diferentes de metais forem imersos na mesma solução eletrólita, um deles ganhará elétrons e o outro liberará elétrons. Qual metal (ou composto metálico) ganhará elétrons e qual perderá elétrons, depende da afinidade eletrônica desses metais. O metal com baixa afinidade eletrônica ganhará elétrons dos íons negativos da solução eletrólita.
Por outro lado, o metal com alta afinidade eletrônica liberará elétrons e esses elétrons sairão para a solução eletrólita e serão adicionados aos íons positivos da solução. Dessa forma, um desses metais ganha elétrons e o outro perde elétrons. Como resultado, haverá uma diferença na concentração de elétrons entre esses dois metais.
Esta diferença na concentração de elétrons causa um potencial elétrico desenvolvido entre os metais. Este potencial elétrico ou força eletromotriz (FEM) pode ser utilizado como uma fonte de tensão em qualquer circuito eletrônico ou circuito elétrico. Este é um princípio geral e básico da bateria e assim é que uma bateria funciona.
Todas as células de bateria são baseadas apenas neste princípio básico. Vamos discutir uma a uma. Como dissemos anteriormente, Alessandro Volta desenvolveu a primeira célula de bateria, e esta célula é popularmente conhecida como a simples célula voltaica. Este tipo de célula simples pode ser criada muito facilmente. Pegue um recipiente e encha-o com ácido sulfúrico diluído como eletrólito. Agora mergulhamos uma haste de zinco e uma de cobre na solução e as conectamos externamente por uma carga elétrica. Agora sua célula voltaica simples está completa. A corrente começará a fluir através da carga externa.
O zinco em ácido sulfúrico diluído libera elétrons conforme abaixo:
Estes Zn + + íons passam para o eletrólito, e cada um dos Zn + + íons deixa dois elétrons na haste. Como resultado da reação de oxidação acima, o eletrodo de zinco fica carregado negativamente e, portanto, atua como cátodo. Consequentemente, a concentração de Zn + + íons perto do cátodo no eletrólito aumenta.
De acordo com a propriedade do eletrólito, o ácido sulfúrico diluído e a água já se dissociaram em íons hidrônio positivos e íons sulfato negativos conforme abaixo:
Devido à alta concentração de Zn+ + íons perto do cátodo, os H3O+ íons são repelidos em direção ao eletrodo de cobre e descarregados absorvendo elétrons dos átomos da haste de cobre. A seguinte reação ocorre no ânodo:
Como resultado da reação de redução ocorrida no eletrodo de cobre, a haste de cobre fica carregada positivamente e, portanto, atua como ânodo.
Célula de Daniell
A célula de Daniell consiste em um recipiente de cobre contendo solução de sulfato de cobre. O recipiente de cobre em si atua como o eletrodo positivo. Um pote poroso contendo ácido sulfúrico diluído é colocado no recipiente de cobre. Uma haste de zinco amalgamada, mergulhada dentro do ácido sulfúrico, atua como o eletrodo negativo.
O ácido sulfúrico diluído no pote poroso reage com o zinco e, como resultado, o hidrogênio é elaborado. A reação ocorre conforme abaixo:
A formação de ZnSO4 no pote poroso não afeta o funcionamento da célula até que cristais de ZnSO4 sejam depositados. O gás de hidrogênio passa pelo pote poroso e reage com a solução de CuSO4 conforme abaixo:
O cobre formado se deposita no recipiente de cobre.
História da Bateria
No ano de 1936, durante o meio do verão, um túmulo antigo foi descoberto durante a construção de uma nova linha ferroviária perto da cidade de Bagdá, no Iraque. Os artefatos encontrados nesse túmulo tinham cerca de 2000 anos. Entre esses artefatos, havia algumas jarros de argila selados no topo com piche. Uma haste de ferro, cercada por um tubo cilíndrico feito de uma folha de cobre enrolada, projetava-se deste topo selado.
Quando os descobridores encheram esses potes com um líquido ácido, encontraram uma diferença de potencial de aproximadamente 2 volts entre o ferro e o cobre. Esses jarros de argila foram suspeitados de serem células de bateria de 2000 anos. Eles nomearam o pote como bateria parta.
Em 1786, Luigi Galvani, um anatomista e fisiologista italiano, ficou surpreso ao ver que, quando tocou as pernas de uma rã morta com dois metais diferentes, os músculos das pernas contraíram.
Ele não conseguiu entender a razão real, caso contrário, seria conhecido como o primeiro inventor da célula de bateria. Ele pensou que a reação poderia ser devido a uma propriedade dos tecidos.
Depois disso, Alessandro Volta percebeu o mesmo fenômeno em cartolina embebida em água salgada em vez das pernas da rã. Ele intercalou um disco de cobre e um disco de zinco com uma peça de cartolina embebida em água salgada entre eles e encontrou uma
