Pilhas e baterias

Pilhas e baterias são células galvânicas, ou seja, dispositivos eletroquímicos em que uma reação química ocorre, espontaneamente, para a produção de corrente elétrica. O termo bateria foi criado para designar uma coleção de pilhas unidas em série ou em paralelo, contudo, no cotidiano, os termos acabaram se fundindo e são usados sem distinção.

Podem ser divididas em duas classes: baterias primárias, não recarregáveis, e baterias secundárias, recarregáveis. Dentre as baterias primárias, destacam-se as pilhas alcalinas, a de Leclanché e a de Li/MnO₂; dentre as baterias secundárias, a de chumbo ácido, a de Ni/Cd, e as de íons de lítio.

Pilhas e baterias são amplamente utilizadas no nosso dia a dia, evitando a utilização de ligação de aparelhos à rede elétrica. Contudo, entre suas desvantagens, está a preocupação ambiental com elementos tóxicos presentes em sua constituição.

Leia também: Eletroquímica — ramo da Química que estuda os processos que ocorrem em pilhas e baterias

Resumo sobre pilhas e baterias

• Pilhas e baterias são células eletroquímicas em que uma reação química espontânea ocorre para a geração de corrente elétrica.
• Servem para alimentar diversos dispositivos sem a necessidade de conexão direta à rede elétrica.
• Inicialmente, o termo bateria foi designado para se referir a uma coleção de pilhas unidas em série ou paralelo; contudo, nos dias atuais, os termos são usados sem distinção.
• Baterias primárias são baterias não recarregáveis, destacando-se as pilhas alcalinas, as de Leclanché e as de Li/MnO₂.
• Baterias secundárias são baterias recarregáveis, destacando-se as de chumbo ácido, as de Ni/Cd e as de íons de lítio.
• Uma de suas desvantagens é referente às questões ambientais devido à presença de alguns elementos tóxicos em sua composição.

O que são pilhas e baterias?

Pilhas e baterias são células galvânicas, ou seja, são células eletroquímicas em que uma reação química espontânea ocorre para a geração de uma corrente elétrica. A corrente elétrica é consequência do fluxo de elétrons em um circuito, sendo que esses elétrons são produzidos por uma reação de oxirredução.

Quais as diferenças entre pilhas e baterias?

No cotidiano, os termos acabaram se fundindo e são usados sem distinção. O termo “pilha” deriva do instrumento montado por Alessandro Volta, que consistia em uma torre (daí, uma pilha) de discos metálicos alternados separados por folhas de papel embebidas em uma solução de cloreto de sódio.

Com o ar do tempo, o termo pilha ou a referir a uma célula galvânica constituída por apenas dois eletrodos e um eletrólito, com o objetivo de produzir energia elétrica. O eletrólito consiste em um condutor iônico, o qual pode ser sólido, líquido ou pastoso, e serve para permitir a mobilidade dos elétrons que são produzidos no eletrodo que sofre a semirreação de oxidação ao eletrodo que sofre a semirreação de redução.

Já o termo “bateria” foi inicialmente criado para se referir, tecnicamente, a uma coleção de células galvânicas unidas em série, diante da necessidade de maior voltagem (ou potencial) — a capacidade de forçar uma corrente elétrica em um circuito —; ou em paralelo, diante da necessidade de se produzir uma maior corrente.

Contudo, no dia a dia, os termos são usados indistintamente para descrever células eletroquímicas fechadas que armazenam energia. Para saber mais sobre esse tema, clique aqui.

Veja também: Como funciona a pilha de Daniell?

Tipos de pilhas e baterias

Os tipos de pilhas e baterias que são mais conhecidos são:

→ Baterias primárias

São, essencialmente, não recarregáveis. Delas, destacam-se comercialmente:

• Pilha de zinco/dióxido de manganês (Zn/MnO₂) 

Conhecida como pilha de Leclanché, em alusão ao seu criador, o químico francês George Leclanché, ou como pilha seca. Nela, o eletrólito é composto por uma pasta constituída da mistura entre cloreto de amônio, NH₄Cl, e cloreto de zinco, ZnCl₂.

Já o ânodo da pilha é, em geral, zinco metálico na forma de uma chapa que funciona como um invólucro da caixa externa da pilha. Por fim, o cátodo da pilha é constituído por um cilindro de grafite, rodeado por uma mistura de pó de dióxido de manganês e grafite. Essa pilha fornece uma voltagem entre 1,55 V e 1,74 V, sendo a sua reação global:

Zn (s) + 2 MnO₂ (s) + 2 NH₄Cl (aq) → Zn(NH₃)₂Cl₂ (s) + 2 MnOOH (s)

• Pilha de zinco/dióxido de manganês alcalina

Tem a mesma concepção da pilha de Leclanché, porém com a diferença do eletrólito, agora composto por uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH) concentrada (cerca de 30% em massa), contendo, ainda, uma quantidade de óxido de zinco (ZnO). Em relação à pilha de Leclanché, apresenta um invólucro de aço, o qual impede o vazamento da solução alcalina, além de ter maior durabilidade, uma vez que não apresenta reações paralelas. A voltagem produzida é da ordem de 1,55 V, em temperatura ambiente, e a sua reação global é:

Zn (s) + 2 MnO₂ (s) + 2 H₂O (l) → Zn(OH)₂ (s) + 2 MnOOH (s)

• Pilha de lítio/dióxido de manganês 

Emprega o lítio metálico como ânodo, e, no cátodo, é possível a utilização de sólidos com baixa solubilidade no eletrólito (em que se encontra o dióxido de manganês, MnO₂), produtos solúveis no eletrólito ou, ainda, líquidos. O lítio, como todos os metais alcalinos, reage vigorosamente com a água, e, por conta disso, todos os eletrólitos dessas pilhas são não aquosos, contidos em recipientes hermeticamente fechados.

Nessas pilhas, ocorre a oxidação do lítio e a redução do metal presente no óxido. Cada pilha dessa fornece um potencial que pode variar de 3,0 V a 3,5 V, em temperatura ambiente. Saiba mais sobre a pilha de lítio clicando aqui.

→ Baterias secundárias

São baterias recarregáveis, permitindo ao usuário a sua utilização mais de uma vez (centenas ou até milhares de vezes). Em geral, para ser considerada uma bateria secundária, ela deve ar, pelo menos, 300 ciclos completos de carga e descarga com 80% da sua capacidade.

As baterias secundárias são recarregáveis porque as reações químicas são reversíveis. Portanto, em um sentido, ocorre a descarga (reação espontânea), enquanto, em outro sentido, ocorre a carga (reação não espontânea).

A pilha alcalina, citada anteriormente como uma bateria primária, também pode ser recarregável e, portanto, também pode ser considerada uma bateria secundária. Outras principais baterias secundárias são:

• Bateria de chumbo/óxido de chumbo (chumbo/ácido) 

No cátodo dessa bateria, o dióxido de chumbo (PbO₂) reage com ácido sulfúrico (H₂SO₄) durante o processo de descarga, formando sulfato de chumbo (PbSO₄) e água. Já no ânodo, o chumbo reage com os íons sulfato, também formando sulfato de chumbo. Para essa bateria, a reação global descrita é:

Pb (s) + PbO₂ (s) + 2 H₂SO₄ (aq) → 2 PbSO₄ (s) + 2 H₂O (l)

A descarga dessa bateria ocorre, portanto, com consumo de ácido sulfúrico e produção de água, em que um único par de eletrodos é capaz de produzir 2,15 V quando carregado e 1,98 V quando descarregado, em temperatura ambiente. O processo de carga ocorre com a formação, novamente, de chumbo no ânodo e dióxido de chumbo no cátodo.

• Bateria cádmio/óxido de níquel (Ni/Cd) 

Consiste em um ânodo formado por uma liga de cádmio e ferro e um cátodo formado por hidróxido(óxido) de níquel (III) (NiOOH), imersos em uma solução aquosa de hidróxido de potássio (KOH). A reação global dessa bateria é:

Cd (s) + 2 NiOOH (s) + 4 H₂O (l) → Cd(OH)₂ (s) + 2 Ni(OH)₂∙H₂O (s)

Um único par de eletrodos dessa bateria é capaz de gerar, aproximadamente, 1,15 V, em temperatura ambiente. Assim como as pilhas alcalinas, elas são seladas para evitar vazamento de solução cáustica, ou têm válvulas de segurança para descompressão.

Podendo ser fabricadas em diversos tamanhos, tais baterias apresentam uma corrente elétrica relativamente alta, potencial praticamente constante, além de capacidade de operação em temperaturas variadas. Contudo, apresentam maior custo e a presença de um metal altamente tóxico, o cádmio.

• Bateria de hidreto metálico/óxido de níquel 

Com funcionamento semelhante à bateria Ni/Cd, essa bateria utiliza como ânodo o hidrogênio absorvido na forma de hidreto metálico (MH), substituindo o cádmio. Um par de eletrodos dessa bateria é capaz de produzir 1,20 V, em temperatura ambiente. A reação global é a que se segue:

MH (s) + NiOOH (s) + H₂O (l) → M (s) + Ni(OH)₂∙H₂O (s)

Têm um desempenho melhor que as baterias de Ni/Cd, contudo com um custo um pouco mais elevado.

• Bateria de íons lítio 

São assim chamadas por não utilizarem o lítio metálico, mas sim íons de lítio (Li⁺) no eletrólito, formado por sais de lítio dissolvidos em solventes não aquosos (o lítio, como os demais metais alcalinos, apresenta uma reação muito vigorosa com a água). Na descarga dessas baterias, os íons de lítio migram desde o interior do material que compõe o ânodo até o interior do material que compõe o cátodo, ao o que os elétrons migram no circuito externo.

Os eletrodos devem ser compostos por materiais de estrutura aberta, de modo que permitam a entrada dos íons Li⁺. Assim, comumente, o grafite é utilizado como ânodo, uma vez que a sua estrutura em camadas permite a presença dos íons entre elas, sem alteração de sua estrutura.

Já no cátodo é comum a utilização de óxidos com estrutura lamelar, como LiCoO₂ e LiNiO₂, ou de espinélio, como LiMnO₂. Durante a descarga dessa bateria, ocorre a oxidação do carbono no ânodo, com conseguinte liberação dos íons Li⁺:

Li_yC₆ (s) → C₆ (s) + y Li⁺ (solv.) + y e⁻

Já no cátodo, o metal (M) do óxido metálico de lítio é reduzido na estrutura do óxido, provocando a entrada de ions Li⁺ em sua estrutura:

Li_xMO₂ (s) + y Li⁺ (solv.) + y e⁻ → Li_x+yMO₂ (s)

Assim, a reação global para a bateria de íons lítio é:

Li_xMO₂ (s) + Li_yC₆ (s) → C₆ (s) + Li_x+yMO₂ (s)

A imagem a seguir demonstra o funcionamento, durante a carga e a descarga, de uma bateria de íons lítio. O separador é um material poroso, que permite a agem dos íons Li⁺. Já alumínio e cobre funcionam como coletores de carga:

As baterias de íons de lítio conseguem fornecer de 3,0 V a 3,5 V por célula galvânica, em temperatura ambiente. Tais baterias se destacam não só pelo bom desempenho, mas pelo fato de serem muito leves, uma vez que o lítio é um metal de baixa densidade.

Para que servem as pilhas e baterias?

As pilhas e baterias são constantemente utilizadas por nós em nosso cotidiano. Tais dispositivos, ao produzirem corrente elétrica, permitem que diversos aparelhos ou maquinários possam funcionar sem a alimentação direta à rede elétrica.

As pilhas, por exemplo, alimentam pequenos dispositivos eletrônicos que temos em casa, como relógios, controles remotos, brinquedos, fechaduras eletrônicas, controles de o de garagem, entre outros diversos.

Já as baterias, com capacidade de produzir maior potencial ou corrente, conseguem alimentar dispositivos que exigem mais energia. As baterias de chumbo/ácido, por exemplo, são utilizadas em veículos automotores, como carros e caminhões, com o intuito de alimentar toda a parte elétrica dos nossos veículos, bem como o motor de partida, que faz a iniciação do motor de combustão.

Também podem ser utilizadas na indústria, garantindo a energia para serviços essenciais em caso de queda de energia e, claro, para a alimentação de luzes de emergência.

As baterias de íons de lítio estão cada vez mais difundidas, muito por conta de seu bom desempenho, da sua durabilidade e leveza, tendo grande utilização em veículos elétricos, além de smartphones, smartwatches, tablets, notebooks e outros gadgets cada vez mais essenciais para nossa rotina.

Vantagens e desvantagens das pilhas e baterias

Dentre as vantagens das pilhas e baterias, é possível citar:

• ausência de necessidade de ligar os dispositivos à rede elétrica;
• no caso de baterias secundárias, estas podem ser recarregadas, permitindo uma ampla vida útil;
• algumas pilhas e baterias têm baixo custo;
• podem ser desenvolvidas em diversos tamanhos, com voltagens e correntes distintas;
• podem ser recicladas;
• algumas pilhas e baterias têm uma massa pequena, sendo bem leves;
• são bastante versáteis, podendo ser utilizadas em pequenos dispositivos e até em aplicações industriais.

Já dentre as desvantagens, podemos citar:

• algumas pilhas e baterias podem ter alto custo, dificultando o o;
• algumas pilhas e baterias podem conter elementos perigosos, como é o caso do lítio, que pode reagir violentamente com a água e causar danos;
• algumas pilhas e baterias podem conter elementos tóxicos, como mercúrio, cádmio ou chumbo;
• pilhas e baterias de menor densidade energética ficam mais pesadas para entregar a voltagem ou a corrente desejada;
• pilhas e baterias exigem descarte adequado, não podendo ser descartadas no solo, nos corpos hídricos ou serem queimadas, exigindo políticas para sua coleta e destinação adequadas, como logística reversa;
• baterias primárias, não recarregáveis, têm uma vida útil pequena e, portanto, aumentam a quantidade de rejeitos;
• a temperatura afeta o desempenho das pilhas e baterias.

Saiba mais: Afinal, quais são os riscos de se carregar a bateria do celular?

Exercícios resolvidos sobre pilhas e baterias

Questão 1. (Unesp/2024.1) O sistema Li/MnO₂ é o exemplo mais representativo das pilhas primárias (de uso único) de lítio.

(www.smartkits.com.br)

Essas pilhas empregam eletrólitos dissolvidos em solventes não aquosos, em recipientes selados.

O processo de descarga dessa pilha envolve a reação 4 Li + MnO₂ → 2 Li₂O + Mn

Essa pilha fornece uma diferença de potencial (voltagem) em torno de 3,0 V à temperatura ambiente, mas mostra excelente desempenho em temperaturas superiores.

A grande vantagem das pilhas à base de lítio é a ausência de metais pesados reconhecidamente danosos ao meio ambiente, como mercúrio, cádmio e chumbo. Porém, os perigos relativos à pilha Li/MnO₂ são de outra natureza, estando relacionados ao seu descarte e reciclagem. Após a corrosão do invólucro externo, é liberado o solvente não aquoso, inflamável e tóxico. O lítio metálico não reagido, em contato com água e umidade do ar, desprende calor e gás inflamável (hidrogênio), podendo levar à ignição do produto descartado. Por isso, a presença de voltagem residual nesse resíduo é um problema, pois significa a presença de lítio metálico.

As características listadas para a pilha de lítio tornam a disposição final inadequada e até mesmo a reciclagem uma operação de risco, pela possibilidade de fogo e explosão.

(Jéssica Frontino Paulino et al. “Processamento de pilhas Li/MnO₂ usadas”. Quim. Nova, vol. 30, 2007. Adaptado.)

Para tornar a reciclagem dessa pilha mais segura, o ideal seria o seu descarregamento completo antes do descarte, evitando assim a

A) evaporação do solvente inflamável.

B) redução do lítio metálico pelo oxigênio do ar.

C) reação do óxido de lítio com a água.

D) oxidação do lítio metálico pela água.

E) interação da umidade do ar com o solvente inflamável.

Resposta: Letra D. O lítio, como um metal alcalino, reage vigorosamente com a água, produzindo o gás hidrogênio, o qual é extremamente inflamável e pode entrar em combustão com a energia liberada nessa reação.

2 Li (s) + H₂O (l) → Li₂O (aq) + H₂ (g)

Questão 2. (UFN Verão/2023) Os componentes eletrônicos, celulares, notebooks, entre outros, a cada dia, fazem mais parte de nosso cotidiano. E para esses equipamentos funcionarem, é preciso o uso de pilhas e baterias bem leves e pequenas. As pilhas podem ser definidas como “dispositivos capazes de transformar energia química em energia elétrica por meio de reações espontâneas de oxirredução (em que há transferência de elétrons)”.

Identifique o sentido do fluxo eletrônico nas pilhas e baterias e marque a alternativa correta.

A) Do cátodo para o ânodo.

B) Do ânodo para o cátodo.

C) Do ânodo para o ânodo.

D) Do cátodo para o cátodo.

E) Do cátodo para o cátodo e do ânodo para o ânodo, respectivamente.

Resposta: Letra B. O ânodo é o eletrodo da célula galvânica em que ocorre a semirreação de oxidação. Nesse processo, a espécie perde elétrons, os quais são conduzidos por um meio condutor até o outro eletrodo, o ânodo, em que tais elétrons são utilizados para as semirreações de redução.

Fontes

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Príncípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

BOCCHI, N.; FERRACIN, L. C.; BIAGGIO, S. R. Pilhas e baterias: funcionamento e impacto ambiental. Química Nova Na Escola. n. 11, mai. 2000.