Por que as baterias vêm em tantos tamanhos e formatos

Se você olhou sua gaveta de utilidades recentemente, deve ter notado os vários formatos, tamanhos e tipos de baterias que alimentam seus dispositivos eletrônicos.Primeiro, existem as pilhas-botão redondas e não recarregáveis ​​para seus relógios e itens pequenos.Existem também as populares pilhas cilíndricas AA e AAA para calculadoras, relógios e controles remotos.Então você tem baterias recarregáveis ​​de íon de lítio em seus laptops e telefones.E não se esqueça da bateria de chumbo-ácido do seu carro.

Sou um professor que estuda baterias e eletroquímica.Para entender por que as baterias vêm em muitos diferentes tamanhos e formas – e servem muitos propósitos – olhar para o passado, ver como as baterias se originaram e como elas se desenvolveram ao longo dos anos.

As primeiras baterias foram fabricadas em 1800 e eram bastante simples.Uma das primeiras manifestações foi série de discos de metal embebidos em salmoura, que o cientista italiano Alessandro Volta descobriu que criava uma corrente elétrica.A primeira bateria de chumbo-ácido foi feita de um alguns pedaços de chumbo em uma jarra de ácido sulfúrico.As versões modernas não são tão diferentes.Eles são mais fáceis de fabricar e contêm vários aditivos para melhorar o desempenho.

Em todos os casos, as baterias funcionam da mesma maneira:uma diferença de tensão entre dois eletrodos diferentes produz uma corrente elétrica, que pode ser descarregada para alimentar um dispositivo.As baterias recarregáveis ​​podem então reverter essa corrente para recarregar.Dentro da bateria, a corrente elétrica é acompanhada pelo fluxo de íons através de um líquido, o eletrólito.

A passagem de cada elétron na corrente é acompanhada pelo transporte de um íon através do eletrólito.Eletrodos que podem armazenar mais íons levam a baterias que podem reter mais carga e, portanto, durar mais com uma única carga.Eletrodos projetados para armazenamento de íons mais rápido levam a baterias que podem descarregar mais rapidamente, para aplicações de alta potência.Por último, ser capaz de carregar e descarregar muitas vezes sem se degradar resulta em baterias com longa vida útil.

Baterias de chumbo-ácido

A bateria de chumbo-ácido foi a primeira bateria recarregável inventada em 1859 por Gaston Plante, que fez experiências com placas de chumbo em solução ácida e descobriu que o fluxo e o armazenamento da corrente elétrica poderiam ser revertidos.

Uma bateria de chumbo-ácido deve ser grande o suficiente para fornecer carga suficiente para dar partida em um carro.Também deve ser utilizável em climas frios e durar muitos anos.Como o eletrólito é um ácido corrosivo, o revestimento externo deve ser resistente para proteger as pessoas e as peças do carro contra possíveis danos.Sabendo de tudo isso, faz sentido que as baterias modernas de chumbo-ácido sejam pesadas e pesadas.

Pilhas alcalinas

Por outro lado, dispositivos domésticos como calculadoras e balanças digitais podem usar baterias menores porque não requerem muita carga.Estas são principalmente baterias alcalinas não recarregáveis ​​que têm sido usadas há décadas.Os tamanhos de células padronizados são AAAA, AAA, AA, C e D, bem como células botão e tipo moeda e muitas outras.Os tamanhos estão relacionados à quantidade de carga que armazenam – quanto maior a bateria, mais ela comporta – e aos tamanhos dos dispositivos que alimentam.

Às vezes, você pode encontrar baterias alcalinas vendidas em formatos retangulares, como baterias comuns de 9 volts, mas abra o invólucro externo e você descobrirá que são simplesmente algumas células cilíndricas conectadas por dentro.As baterias cilíndricas existem há tanto tempo e são tão amplamente utilizadas que simplesmente não faz sentido para as empresas fabricarem algo diferente – seria necessário um investimento para mudar as suas instalações de produção, algo que prefeririam não fazer.

Baterias de íon de lítio

As baterias de níquel-cádmio foram as primeiras baterias recarregáveis ​​amplamente utilizadas para eletrônicos domésticos e foram populares até o final do século XX.Mas eles tinham suas armadilhas.O cádmio é muito tóxico e as baterias sofreram um “efeito memória”, que diminuiu a sua vida útil.

Durante muitas décadas, o lítio foi estudado para uso potencial em baterias recarregáveis ​​devido às suas propriedades únicas como um metal leve que armazena muita energia.Sony primeiro comercializou a bateria de íon de lítio em 1991.

A empresa fabricava células cilíndricas porque eram as mais fáceis de fabricar.Na década de 1990, a Sony fabricava muitas filmadoras e fitas e, portanto, tinha muitos equipamentos para fabricação rolo a rolo.Foi natural reaproveitar esse equipamento para produzir rolos de eletrodos de bateria, que são feitos moldando filmes em folhas de cobre ou alumínio e depois enrolando-os em um cilindro de “rolo de gelatina”.

O invólucro grosso destes células cilíndricas é mecanicamente forte e, para adicionar outra camada de segurança, eles possuem uma válvula de alívio de pressão.Muito rapidamente, estas primeiras células de iões de lítio dominaram o mercado da eletrónica portátil, especialmente para computadores portáteis e telemóveis, porque armazenavam mais energia e duravam mais do que as baterias recarregáveis ​​de níquel-cádmio.

Fatores que moldam as baterias

As baterias são fabricadas em determinados tamanhos e formatos por razões de custo e capacidade de fabricação, mas em outros casos devido a processos de fabricação legados.A demanda do mercado também desempenha um papel.

Por exemplo, os veículos elétricos não decolaram até que a Tesla começou a fabricar carros usando células cilíndricas de bateria de íons de lítio, em vez de bolsas retangulares ou células prismáticas que outros fabricantes de veículos elétricos usaram.As células bolsa e prismáticas podem ser compactadas juntas, mas como as células cilíndricas foram já está sendo produzido em massa para eletrônicos portáteis, a Tesla conseguiu fabricar EVs de baixo custo na década de 2010.

Os formatos e tamanhos que as baterias assumirão no futuro dependem não apenas da quantidade de energia que armazenam, mas também da economia de mercado – quão fácil é fabricar cada tipo de célula, quanto custa fabricá-las e como são utilizadas. para.E esses fatores são uma mistura de inovação e história.