O primeiro projeto prático de uma bateria de chumbo-ácido foi desenvolvido por Gaston Planté em 1860, e a produção continuou a crescer constantemente desde então. As baterias automotivas representam o maior uso da tecnologia chumbo-ácido, seguidas pelas baterias industriais (stand-by power e tração). Mais da metade da produção mundial de chumbo vai para baterias.
O baixo custo e a facilidade de fabricação das baterias de chumbo-ácido em relação a outros pares eletroquímicos devem garantir a continuidade da demanda por esse sistema no futuro.
A bateria de chumbo-ácido possui um eletrodo positivo de peróxido de chumbo (PbO2) e um eletrodo negativo de chumbo esponjoso (Pb) de alta área superficial. O eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico com gravidade específica na faixa de 1.21 a 1.30 (28 a 39% em peso). Na descarga, ambos os eletrodos se convertem em sulfato de chumbo, conforme mostrado abaixo:
Processo de Fabricação
O processo de fabricação, que é mostrado no fluxograma do processo (figura 1), é descrito a seguir:
Figura 1. Processo de fabricação da bateria de chumbo-ácido
Fabricação de óxido: O óxido de chumbo é fabricado a partir de pigs de chumbo (massas de chumbo de fornos de fundição) por um dos dois métodos - um Barton Pot ou um processo de moagem. No processo Barton Pot, o ar é soprado sobre o chumbo derretido para produzir um fino fluxo de gotículas de chumbo. As gotículas reagem com o oxigênio do ar para formar o óxido, que consiste em um núcleo de chumbo com revestimento de óxido de chumbo (PbO).
No processo de moagem, chumbo sólido (que pode variar em tamanho de pequenas bolas a porcos completos) é alimentado em um moinho rotativo. A ação de queda do chumbo gera calor e a superfície do chumbo oxida. À medida que as partículas rolam no tambor, as camadas superficiais de óxido são removidas para expor mais chumbo limpo para oxidação. A corrente de ar transporta o pó para um filtro de mangas, onde é coletado.
Produção da grade: As grades são produzidas principalmente por fundição (automática e manual) ou, particularmente para baterias automotivas, expansão de liga de chumbo forjada ou fundida.
Colando: A pasta de bateria é feita misturando o óxido com água, ácido sulfúrico e uma variedade de aditivos proprietários. A pasta é prensada à máquina ou à mão na rede da grade e as placas geralmente são secas rapidamente em um forno de alta temperatura.
As placas coladas são curadas armazenando-as em fornos sob condições cuidadosamente controladas de temperatura, umidade e tempo. O chumbo livre na pasta converte-se em óxido de chumbo.
Formação, corte de chapas e montagem: As placas da bateria passam por um processo de formação elétrica de duas maneiras. Na formação do tanque, as placas são carregadas em grandes banhos de ácido sulfúrico diluído e uma corrente direta é passada para formar as placas positivas e negativas. Após a secagem, as placas são cortadas e montadas, com separadores entre elas, em caixas de baterias. Placas de polaridade semelhante são conectadas soldando-se as alças da placa.
Na formação de jarros, as placas são formadas eletricamente após serem montadas em caixas de baterias.
Riscos e controles de saúde ocupacional
Conduzir
O chumbo é o principal perigo para a saúde associado à fabricação de baterias. A principal via de exposição é a inalação, mas a ingestão também pode representar um problema se não for dada atenção suficiente à higiene pessoal. A exposição pode ocorrer em todas as fases da produção.
A fabricação de óxido de chumbo é potencialmente muito perigosa. As exposições são controladas pela automatização do processo, afastando assim os trabalhadores do perigo. Em muitas fábricas, o processo é operado por uma pessoa.
Na fundição em grade, as exposições aos vapores de chumbo são minimizadas pelo uso de ventilação de exaustão local (LEV) junto com o controle termostático de potes de chumbo (as emissões de fumos de chumbo aumentam acentuadamente acima de 500 C). A escória contendo chumbo, que se forma no topo do chumbo fundido, também pode causar problemas. A escória contém uma grande quantidade de poeira muito fina e deve-se ter muito cuidado ao descartá-la.
As áreas de colagem resultaram tradicionalmente em altas exposições ao chumbo. O método de fabricação geralmente resulta em respingos de pasta de chumbo no maquinário, no chão, aventais e botas. Esses respingos secam e produzem poeira de chumbo no ar. O controle é obtido mantendo o piso permanentemente úmido e frequentemente esfregando os aventais com esponja.
A exposição ao chumbo em outros departamentos (conformação, corte e montagem de chapas) ocorre por meio do manuseio de chapas secas e empoeiradas. As exposições são minimizadas pelo LEV juntamente com o uso adequado de equipamentos de proteção individual.
Muitos países têm legislação em vigor para limitar o grau de exposição ocupacional, e existem padrões numéricos para os níveis de chumbo no ar e no sangue.
Um profissional de saúde ocupacional é normalmente contratado para coletar amostras de sangue de trabalhadores expostos. A frequência dos exames de sangue pode variar de anual para trabalhadores de baixo risco a trimestral para aqueles em departamentos de alto risco (por exemplo, colagem). Se o nível de chumbo no sangue de um trabalhador exceder o limite legal, o trabalhador deve ser removido de qualquer exposição de trabalho ao chumbo até que o chumbo no sangue caia para um nível considerado aceitável pelo médico.
A amostragem de ar para chumbo é complementar ao teste de chumbo no sangue. A amostragem pessoal, em vez da estática, é o método preferido. Um grande número de amostras de chumbo no ar geralmente é necessário devido à variabilidade inerente nos resultados. O uso dos procedimentos estatísticos corretos na análise dos dados pode fornecer informações sobre as fontes de chumbo e fornecer uma base para melhorias no projeto de engenharia. A amostragem regular de ar pode ser usada para avaliar a eficácia contínua dos sistemas de controle.
As concentrações permitidas de chumbo no ar e as concentrações de chumbo no sangue variam de país para país e atualmente variam de 0.05 a 0.20 mg/m3 e 50 a 80 mg/dl, respectivamente. Há uma tendência contínua de queda nesses limites.
Além dos controles normais de engenharia, outras medidas são necessárias para minimizar a exposição ao chumbo. Não deve comer, fumar, beber ou mascar chiclete em qualquer área de produção.
Instalações adequadas para lavagem e troca devem ser fornecidas para permitir que roupas de trabalho sejam mantidas em uma área separada de roupas e calçados pessoais. Instalações de lavagem/chuveiro devem estar localizadas entre as áreas limpas e sujas.
Ácido sulfúrico
Durante o processo de formação, o material ativo nas placas é convertido em PbO2 no eletrodo positivo e Pb no eletrodo negativo. À medida que as placas ficam totalmente carregadas, a corrente de formação começa a dissociar a água no eletrólito em hidrogênio e oxigênio:
Positiva: 
Negativo: 
A gaseificação gera névoa de ácido sulfúrico. A erosão dentária já foi uma característica comum entre os trabalhadores das áreas de formação. As empresas de baterias tradicionalmente empregam os serviços de um dentista, e muitas continuam a fazê-lo.
Estudos recentes (IARC 1992) sugeriram uma possível ligação entre exposições a névoas de ácido inorgânico (incluindo ácido sulfúrico) e câncer de laringe. A pesquisa continua nesta área.
O padrão de exposição ocupacional no Reino Unido para névoa de ácido sulfúrico é de 1 mg/m3. As exposições podem ser mantidas abaixo deste nível com o LEV instalado sobre os circuitos de formação.
A exposição da pele ao ácido sulfúrico líquido corrosivo também é motivo de preocupação. As precauções incluem equipamentos de proteção individual, lava-olhos e chuveiros de emergência.
Talco
O talco é usado em certas operações de fundição manual como agente de desmoldagem. A exposição prolongada ao pó de talco pode causar pneumoconiose, e é importante que o pó seja controlado por ventilação adequada e medidas de controle do processo.
Fibras minerais artificiais (MMFs)
Os separadores são usados em baterias de chumbo-ácido para isolar eletricamente as placas positivas das negativas. Vários tipos de materiais têm sido usados ao longo dos anos (por exemplo, borracha, celulose, cloreto de polivinila (PVC), polietileno), mas, cada vez mais, separadores de fibra de vidro estão sendo usados. Esses separadores são fabricados a partir de MMFs.
Um risco aumentado de câncer de pulmão entre os trabalhadores foi demonstrado nos primeiros dias da indústria de lã mineral (HSE 1990). No entanto, isso pode ter sido causado por outros materiais cancerígenos em uso na época. É prudente, no entanto, garantir que qualquer exposição a MMFs seja reduzida ao mínimo por meio de fechamento total ou LEV.
Stibina e arsina
Antimônio e arsênico são comumente usados em ligas de chumbo, e estibina (SbH3) ou arsina (AsH3) pode ser produzido em certas circunstâncias:
- quando uma célula recebe sobrecarga excessiva
- quando a escória de uma liga de chumbo-cálcio é misturada com a escória de uma liga de chumbo-antimônio ou chumbo-arsênico. As duas escórias podem reagir quimicamente para formar estibide de cálcio ou arsenieto de cálcio que, em umedecimento subsequente, pode gerar SbH3 ou AsH3.
A estibina e a arsina são gases altamente tóxicos que agem destruindo os glóbulos vermelhos. Controles rigorosos do processo durante a fabricação da bateria devem evitar qualquer risco de exposição a esses gases.
Riscos físicos
Uma variedade de perigos físicos também existe na fabricação de baterias (por exemplo, ruído, metal derretido e respingos de ácido, perigos elétricos e manuseio manual), mas esses riscos podem ser reduzidos por meio de controles apropriados de engenharia e processo.
Problemas ambientais
O efeito do chumbo na saúde das crianças tem sido extensivamente estudado. Portanto, é muito importante que as liberações ambientais de chumbo sejam reduzidas ao mínimo. Para fábricas de baterias, as emissões atmosféricas mais poluentes devem ser filtradas. Todos os resíduos do processo (geralmente uma pasta contendo chumbo ácido) devem ser processados em uma estação de tratamento de efluentes para neutralizar o ácido e eliminar o chumbo da suspensão.
Desenvolvimentos futuros
É provável que haja restrições crescentes ao uso de chumbo no futuro. No sentido ocupacional, isso resultará em uma crescente automação de processos para que o trabalhador seja afastado do perigo.