Que elemento é utilizado nas pilhas? As baterias alimentam quase tudo o que usamos hoje em dia - desde smartphones e computadores portáteis a veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de rede em grande escala. Mas alguma vez parou para se perguntar que elementos fazem realmente funcionar uma pilha? Por exemplo, o que é que realmente no interior aquela caixa que lhe permite armazenar e libertar energia sempre que precisar dela?
Quando se compreende a composição química por detrás das pilhas, não se satisfaz apenas a curiosidade - obtém-se uma visão do seu desempenho, segurança e dos verdadeiros desafios de sustentabilidade que elas colocam.
Este guia explora os principais elementos que compõem os vários tipos de baterias, a razão pela qual estes materiais específicos são importantes, o impacto que têm no funcionamento e na segurança das baterias e as alternativas que os cientistas estão a desenvolver para o armazenamento de energia no futuro. Se quiser saber não só o que está dentro mas porquê se esses materiais são importantes, vai ter uma leitura útil.
Bateria de iões de sódio 12v 200ah
Bateria de sódio doméstica Kamada Power 10kWh
Quais são os principais elementos utilizados nas pilhas?
As pilhas armazenam energia quimicamente e libertam-na sob a forma de eletricidade através de reacções electroquímicas entre dois eléctrodos - ânodo e cátodo - com um eletrólito no meio. Mas o problema é o seguinte: o elementos que formam esses eléctrodos determinam totalmente o funcionamento da pilha.
Então, quais são os elementos que as baterias actuais utilizam normalmente? Estes são os que mais aparecem:
- Lítio (Li): Esta é a estrela das baterias de iões de lítio. É super leve e tem uma grande quantidade de energia por grama.
- Chumbo (Pb): Encontra-o nas baterias de chumbo-ácido mais antigas, frequentemente utilizadas em automóveis ou em sistemas de energia de reserva.
- Níquel (Ni): Este metal aumenta o ciclo de vida e a durabilidade das baterias de NiCd e NiMH.
- Cobalto (Co): Estabiliza muitos cátodos de iões de lítio e aumenta a sua energia - mas tem um custo.
- Manganês (Mn): Ajuda a reduzir os custos e torna as baterias de lítio mais seguras.
- Cádmio (Cd): Outrora popular nas pilhas NiCd, é agora evitado por ser tóxico.
- Zinco (Zn): É barato e seguro, normalmente utilizado em pilhas alcalinas e de zinco-ar.
- Grafite (C): Isto forma o ânodo de referência nas baterias de iões de lítio.
- Enxofre (S): Um novo material catódico para baterias de lítio-enxofre, com grande potencial energético.
- Sódio (Na): Os investigadores gostam deste para baterias de iões de sódio. Está em todo o lado e custa menos.
Cada um destes elementos tem um papel muito específico no desempenho de uma bateria, na sua duração, na sua segurança e no seu custo. As escolhas não são aleatórias - são estratégicas.
Tabela 1: Elementos comuns da bateria e suas principais propriedades
| Elemento | Tipos de pilhas primárias | Principais vantagens | Principais preocupações |
|---|
| Lítio | Iões de lítio | Alta densidade energética, leve | Exploração mineira ética, custos |
| Chumbo | Chumbo-ácido | Baixo custo, corrente de pico elevada | Pesado, tóxico |
| Níquel | NiCd, NiMH | Durável, bom ciclo de vida | Toxicidade (Cd em NiCd), custo |
| Cobalto | Cátodos de iões de lítio | Estabiliza o cátodo, energia | Custo elevado, questões éticas |
| Manganês | Cátodos de iões de lítio | Segurança, redução de custos | Densidade energética moderada |
| Cádmio | NiCd | Duradouro | Altamente tóxico |
| Zinco | Alcalino, Zinco-ar | Barato, seguro | Capacidade de recarga limitada |
| Grafite | Ânodos de iões de lítio | Intercalação estável de lítio | Capacidade limitada |
| Enxofre | Lítio-enxofre | Energia teórica muito elevada | Questões relativas ao ciclo de vida |
| Sódio | Ião de sódio | Abundante, de baixo custo | Menor densidade energética |
Como os diferentes tipos de pilhas utilizam elementos diferentes
A química das baterias muda com cada caso de utilização - dependendo do custo, da procura de energia e das necessidades de desempenho. Vamos analisar os tipos mais comuns e os elementos que os compõem:
1. Pilhas de iões de lítio (Li-ion)
Elementos envolvidos: Lítio, Cobalto, Níquel, Manganês, Grafite
Atualmente, as pessoas utilizam baterias de iões de lítio em tudo, desde telefones a veículos eléctricos, principalmente porque oferecem uma elevada densidade energética (150-250 Wh/kg) e um bom ciclo de vida. Os iões de lítio movem-se entre um ânodo de grafite e um cátodo fabricado com materiais como o óxido de lítio-cobalto (LiCoO₂), o óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) ou o fosfato de lítio-ferro (LFP).
- O cobalto ajuda a estabilizar o cátodo, embora suscite problemas de custos e de direitos humanos.
- O níquel aumenta a capacidade e o armazenamento de energia.
- O manganês melhora a segurança ao aumentar a resistência ao calor.
- A grafite funciona como uma base estável para os iões de lítio durante o carregamento.
Embora estas combinações funcionem bem, a indústria tenta atualmente reduzir a utilização de cobalto, tanto por razões de custo como por razões éticas.
2. Baterias de chumbo-ácido
Elementos envolvidos: Chumbo, ácido sulfúrico
As pessoas ainda confiam nas baterias de chumbo-ácido para ligar os motores dos automóveis e para alimentar as reservas de emergência - sobretudo porque são baratas e fiáveis. O cátodo utiliza dióxido de chumbo e o ânodo utiliza chumbo esponjoso em ácido sulfúrico.
Apesar da sua idade, os utilizadores mantêm-se fiéis a elas pelo facto de serem recicláveis e económicas.
3. Pilhas de níquel-cádmio (NiCd)
Elementos envolvidos: Níquel, Cádmio
As pilhas NiCd podem durar muito tempo e aguentar uma utilização difícil, mas a toxicidade do cádmio torna-as nocivas. Por este motivo, a maioria das indústrias está a afastar-se lentamente destas pilhas.
Elementos envolvidos: Níquel, metais de terras raras
As pilhas NiMH substituíram as NiCd em muitos aparelhos electrónicos e híbridos. São mais seguras e mais ecológicas, utilizando eléctrodos de hidróxido de níquel e de hidreto metálico.
5. Pilhas alcalinas
Elementos envolvidos: Zinco, dióxido de manganês
Estas são as pilhas de eleição para coisas como comandos à distância e lanternas. Utilizam um ânodo de zinco, um cátodo de manganês e hidróxido de potássio como eletrólito. As pessoas gostam delas pelo seu prazo de validade e custo.
Quadro 2: Comparação dos principais tipos de baterias e das suas principais métricas
| Tipo de bateria | Densidade energética (Wh/kg) | Vida útil do ciclo (ciclos) | Custo | Impacto ambiental |
|---|
| Iões de lítio | 150-250 | 500-2000 | Elevado | Moderado, preocupações éticas |
| Chumbo-ácido | 30-50 | 200-500 | Baixa | Metais tóxicos, recicláveis |
| Níquel-Cádmio | 45-80 | 1000-2000 | Médio | Cádmio tóxico |
| Hidreto metálico de níquel | 60-120 | 500-1000 | Médio | Mais seguro do que NiCd |
| Alcalino | 100-150 (sem recarga) | N/A | Baixa | Descartável, reciclagem limitada |
Porque é que estes elementos são escolhidos?
Os fabricantes de baterias escolhem os elementos com base em várias razões que se sobrepõem:
- Comportamento eletroquímico: Os elementos precisam de potenciais redox favoráveis para funcionar. A baixa massa e a elevada reatividade do lítio tornam-no ideal para este efeito.
- Armazenamento de energia: Alguns materiais retêm mais sumo do que outros. O lítio e o níquel são os principais.
- Estabilidade: As pilhas têm de suportar o calor, o frio e o stress químico sem se avariarem ou provocarem incêndios.
- Preço e disponibilidade: Quanto mais abundante for um elemento, menor será o custo de construir baterias com ele.
- Segurança e ética: Alguns elementos, como o cádmio ou o cobalto, levantam problemas de saúde e laborais, pelo que as empresas tentam agora substituí-los.
Por exemplo, embora o cobalto melhore a energia e a estrutura das baterias, o seu custo e os problemas de extração tornam-no menos atrativo no futuro.
Cada elemento altera a forma como a bateria funciona na vida real:
Densidade e capacidade de energia
- As baterias ricas em níquel podem atingir mais de 250 Wh/kg - ideais para veículos eléctricos de longo alcance.
- As baterias de chumbo-ácido oferecem uma densidade de energia muito inferior, mas funcionam bem para utilizações de curto prazo ou de alta potência.
Taxas de carga/descarga
- O cobalto e o níquel permitem um carregamento rápido e um desempenho estável.
- Os ânodos de grafite permitem que o lítio entre e saia rapidamente, melhorando o tempo de carga.
Segurança e resistência ao calor
- As químicas de manganês e LFP tornam as baterias mais resistentes ao fogo.
- O chumbo e o cádmio são manuseados com cuidado devido aos seus efeitos tóxicos nas pessoas e no ambiente.
Toxicidade e resíduos
- Elementos como o cádmio e o chumbo são perigosos se não forem eliminados corretamente.
- A reciclagem de baterias de iões de lítio está agora a melhorar, ajudando a recuperar metais e a reduzir o impacto nos aterros.
Preocupações ambientais e éticas dos elementos da bateria
A obtenção de determinados materiais para baterias envolve mais do que apenas a sua extração:
- Cobalto da RDC tem sido associada a condições de trabalho inseguras e ao trabalho infantil.
- Extração de lítio em locais secos afecta o abastecimento de água e as comunidades.
- O níquel e os metais de terras raras colocam desafios geopolíticos e ao nível da cadeia de abastecimento.
- A tecnologia de reciclagem ainda está atrasada em relação à procura - mas é essencial para o futuro.
Os governos, especialmente na UE, estão agora a pressionar os fabricantes de baterias no sentido de um abastecimento mais limpo e de práticas circulares.
Elementos alternativos emergentes nas baterias de nova geração
Para resolver os problemas actuais de custos, ética e fornecimento, os investigadores procuram novas opções:
Baterias de iões de sódio
O sódio custa menos e é mais fácil de obter do que o lítio. Estes baterias de iões de sódio podem não armazenar tanta energia (100-160 Wh/kg), mas podem funcionar bem para grandes configurações de armazenamento.
Baterias de lítio-enxofre
Estas prometem até 400+ Wh/kg utilizando enxofre - que é barato e abundante. Mas as baterias de enxofre continuam a debater-se com a perda de capacidade ao longo do tempo.
Baterias de grafeno
Ao adicionar grafeno, estas baterias carregam mais depressa e duram mais tempo - embora o seu fabrico continue a ser dispendioso.
Baterias de estado sólido
Em vez de líquidos, utilizam electrólitos sólidos, o que os torna mais seguros e mais densos em energia.
Pilhas à base de zinco
São baratas, não tóxicas e fáceis de reciclar. As baterias de zinco-ar poderão, num futuro próximo, alimentar casas e redes eléctricas.
Pilhas sem cobalto
As baterias que utilizam LFP ou produtos químicos com alto teor de níquel evitam completamente o cobalto, ajudando a reduzir os custos e a melhorar a segurança.
Baterias de ferro-ar
Utilizando ferro e ar, o seu objetivo é proporcionar um armazenamento duradouro a um custo ultra-baixo. Mas necessitam de uma melhor capacidade de recarga e densidade de potência.
Tabela 3: Tecnologias emergentes de baterias e o seu potencial
| Tipo de bateria | Densidade energética teórica (Wh/kg) | Principais vantagens | Principais desafios |
|---|
| Iões de sódio | 100-160 | Baixo custo, recursos abundantes | Menor densidade energética |
| Lítio-enxofre | 400+ | Densidade energética muito elevada | Ciclo de vida, transporte de polissulfureto |
| Li | 250+ | Carregamento rápido, ciclo de vida longo | Complexidade do fabrico |
| Estado sólido | 300-500 | Elevada segurança, densidade energética | Escalabilidade, custo |
| Zinco-ar | 300-400 | Seguro, de baixo custo, reciclável | Recarregabilidade, potência de saída |
| Ferro-Ar | 300+ | Custo muito baixo, materiais abundantes | Densidade de potência, capacidade de recarga |
Conclusão
Quando se sabe quais os elementos que compõem as baterias e porque é que estão lá, começa-se a compreender os compromissos que os fabricantes têm de fazer. O lítio pode dominar atualmente, mas o sódio, o enxofre e o zinco poderão liderar o caminho no futuro.
O futuro das baterias não dependerá apenas da química - dependerá também da ciência, da ética e do abastecimento inteligente.
FAQ
Qual é o elemento mais comum utilizado nas baterias de iões de lítio?
Isso seria o lítio. Mas também utilizam cobalto, níquel e manganês nos cátodos - e grafite no ânodo.
As baterias de lítio são a melhor escolha para todas as aplicações?
Não. Para coisas como armazenamento estacionário ou utilizações de baixo orçamento, o chumbo-ácido ou o ião de sódio podem ser melhores.
Os fabricantes podem fabricar baterias sem elementos tóxicos como o cobalto?
Sim, e muitos já o fazem - com o LFP e os produtos químicos com alto teor de níquel a ganharem terreno.
Como é que a escolha do elemento afecta a vida útil da bateria?
Os melhores materiais degradam-se menos. O manganês e o fosfato de ferro, por exemplo, ajudam as pilhas a durar mais tempo.
Quais são os produtos químicos mais seguros para as pilhas?
As baterias de estado sólido e de LFP oferecem uma melhor segurança térmica e menos riscos de incêndio do que as baterias de iões de lítio com elevado teor de cobalto.