O termo bateria refere-se a uma coleção de indivíduos células, que pode gerar eletricidade através de reações químicas. As células são classificadas como primário or secundário. Nas células primárias, as reações químicas que produzem o fluxo de elétrons não são reversíveis e, portanto, as células não são facilmente recarregadas. Por outro lado, as células secundárias devem ser carregadas antes de serem usadas, o que é obtido pela passagem de uma corrente elétrica pela célula. As células secundárias têm a vantagem de muitas vezes poderem ser recarregadas e descarregadas repetidamente durante o uso.

A bateria primária clássica de uso diário é a célula seca Leclanché, assim chamada porque o eletrólito é uma pasta, não um líquido. A célula Leclanché é caracterizada pelas baterias cilíndricas usadas em lanternas, rádios portáteis, calculadoras, brinquedos elétricos e similares. Nos últimos anos, as baterias alcalinas, como a célula de dióxido de zinco-manganês, tornaram-se mais prevalentes para esse tipo de uso. Pilhas em miniatura ou “botão” são usadas em aparelhos auditivos, computadores, relógios, câmeras e outros equipamentos eletrônicos. A célula de óxido de prata-zinco, a célula de mercúrio, a célula de zinco-ar e a célula de lítio-dióxido de manganês são alguns exemplos. Veja a figura 1 para uma visão em corte de uma bateria miniatura alcalina típica.

Figura 1. Vista em corte da bateria alcalina em miniatura

A clássica bateria secundária ou de armazenamento é a bateria de chumbo-ácido, amplamente utilizada na indústria de transportes. As baterias secundárias também são usadas em usinas de energia e na indústria. Ferramentas recarregáveis, alimentadas por bateria, escovas de dente, lanternas e similares são um novo mercado para células secundárias. As células secundárias de níquel-cádmio estão se tornando mais populares, especialmente em células de bolso para iluminação de emergência, partida a diesel e aplicações estacionárias e de tração, onde a confiabilidade, longa vida útil, capacidade de recarga frequente e desempenho em baixa temperatura superam seu custo extra.

As baterias recarregáveis ​​em desenvolvimento para uso em veículos elétricos utilizam sulfeto de lítio-ferroso, zinco-cloro e sódio-enxofre.

A Tabela 1 apresenta a composição de algumas baterias comuns.

Tabela 1. Composição de baterias comuns

Processos de fabricação

Embora existam diferenças claras na fabricação dos diferentes tipos de baterias, existem vários processos comuns: pesagem, moagem, mistura, compressão e secagem dos ingredientes constituintes. Nas modernas fábricas de baterias, muitos desses processos são fechados e altamente automatizados, usando equipamentos selados. Portanto, a exposição aos diversos ingredientes pode ocorrer durante a pesagem e carregamento e durante a limpeza do equipamento.

Em fábricas de baterias mais antigas, muitas das operações de moagem, mistura e outras são feitas manualmente, ou a transferência de ingredientes de uma etapa do processo para outra é feita manualmente. Nesses casos, o risco de inalação de poeiras ou contato da pele com substâncias corrosivas é alto. As precauções para operações de produção de poeira incluem fechamento total e manuseio mecanizado e pesagem de pós, ventilação de exaustão local, limpeza diária com esfregona e/ou aspiração e uso de respiradores e outros equipamentos de proteção individual durante as operações de manutenção.

O ruído também é um perigo, uma vez que as máquinas de compressão e de embalagem são barulhentas. Métodos de controle de ruído e programas de conservação auditiva são essenciais.

Os eletrólitos em muitas baterias contêm hidróxido de potássio corrosivo. O invólucro e a proteção da pele e dos olhos são precauções indicadas. Também podem ocorrer exposições a partículas de metais tóxicos, como óxido de cádmio, mercúrio, óxido de mercúrio, níquel e compostos de níquel e lítio e compostos de lítio, que são usados ​​como anodos ou catodos em determinados tipos de baterias. A bateria de armazenamento de chumbo-ácido, às vezes chamada de acumulador, pode envolver riscos consideráveis ​​de exposição ao chumbo e é discutida separadamente no artigo “Fabricação de bateria de chumbo-ácido”.

O metal de lítio é altamente reativo, portanto as baterias de lítio devem ser montadas em um ambiente seco para evitar que o lítio reaja com o vapor de água. O dióxido de enxofre e o cloreto de tionila, usados ​​em algumas baterias de lítio, são perigosos para as vias respiratórias. O gás hidrogênio, usado em baterias de níquel-hidrogênio, apresenta risco de incêndio e explosão. Estes, assim como os materiais em baterias recém-desenvolvidas, exigirão precauções especiais.

Células Leclanché

As pilhas secas Leclanché são produzidas conforme a figura 2. A mistura do eletrodo positivo ou cátodo é composta de 60 a 70% de dióxido de manganês, sendo o restante composto por grafite, negro de acetileno, sais de amônio, cloreto de zinco e água. Dióxido de manganês seco e finamente moído, grafite e preto de acetileno são pesados ​​e alimentados em um moedor-misturador; eletrólito contendo água, cloreto de zinco e cloreto de amônio é adicionado, e a mistura preparada é prensada em uma prensa manual de comprimidos ou aglomerante. Em certos casos, a mistura é seca em estufa, peneirada e umedecida novamente antes de ser comprimida. Os comprimidos são inspecionados e embalados em máquinas alimentadas à mão depois de endurecer por alguns dias. Os aglomerados são então colocados em bandejas e embebidos em eletrólito, estando agora prontos para a montagem.

Figura 2. Produção da bateria Leclanché

O ânodo é a caixa de zinco, que é preparada a partir de blocos de zinco em uma prensa quente (ou chapas de zinco são dobradas e soldadas na caixa). Uma pasta gelatinosa orgânica composta por amidos de milho e farinha embebidos em eletrólito é misturada em grandes cubas. Os ingredientes são geralmente despejados em sacos sem pesagem. A mistura é então purificada com lascas de zinco e dióxido de manganês. Cloreto de mercúrio é adicionado ao eletrólito para formar um amálgama com o interior do recipiente de zinco. Esta pasta formará o meio condutor ou eletrólito.

As células são montadas despejando automaticamente a quantidade necessária de pasta gelatinosa nas caixas de zinco para formar um revestimento de manga interna no recipiente de zinco. Em alguns casos, as caixas recebem um acabamento cromado pelo vazamento e esvaziamento de uma mistura de ácido crômico e clorídrico antes da adição da pasta gelatinosa. O aglomerado de cátodo é então colocado em posição no centro da caixa. Uma haste de carbono é colocada centralmente no cátodo para atuar como coletor de corrente.

A célula de zinco é então selada com cera derretida ou parafina e aquecida com uma chama para dar uma melhor vedação. As células são então soldadas para formar a bateria. A reação da bateria é:

2MnO₂ + 2NH₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ + Mn₂O₃

Os trabalhadores podem estar expostos ao dióxido de manganês durante a pesagem, carregamento do misturador, moagem, limpeza do forno, peneiramento, prensagem manual e embalagem, dependendo do grau de automação, invólucro hermético e exaustão local. Na prensagem manual e no envoltório úmido, pode haver exposição à mistura úmida, que pode secar e produzir pó inalável; pode ocorrer dermatite devido à exposição ao eletrólito levemente corrosivo. Medidas de higiene pessoal, luvas e proteção respiratória para operações de limpeza e manutenção, balneários e armários separados para roupas de trabalho e de rua podem reduzir esses riscos. Conforme mencionado acima, riscos de ruído podem resultar da embalagem e da prensa de comprimidos.

A mistura é automática durante a fabricação da pasta gelatinosa, e a única exposição é durante a adição dos materiais. Durante a adição de cloreto de mercúrio à pasta gelatinosa, existe o risco de inalação e absorção pela pele e possível intoxicação por mercúrio. LEV ou equipamento de proteção individual é necessário.

Também é possível a exposição a derramamentos de ácido crômico e ácido clorídrico durante a cromagem e exposição a fumaças de soldagem e fumaças do aquecimento do composto de vedação. Mecanização do processo de cromagem, uso de luvas e LEV para selagem a quente e soldagem são precauções adequadas.

Baterias de níquel-cádmio

Atualmente, o método mais comum de fabricação de eletrodos de níquel-cádmio é depositando o material do eletrodo ativo diretamente em um substrato ou placa de níquel sinterizado poroso. (Veja a figura 3.) A placa é preparada pressionando uma pasta de pó de níquel sinterizado (geralmente feito pela decomposição de carbonil de níquel) na grade aberta de chapa de aço perfurada niquelada (ou gaze de níquel ou gaze de aço niquelado) e depois sinterização ou secagem em estufa. Essas placas podem então ser cortadas, pesadas e cunhadas (comprimidas) para fins específicos ou enroladas em espiral para células domésticas.

Figura 3. Produção de baterias de níquel-cádmio

A placa sinterizada é então impregnada com solução de nitrato de níquel para o eletrodo positivo ou nitrato de cádmio para o eletrodo negativo. Essas placas são enxaguadas e secas, imersas em hidróxido de sódio para formar hidróxido de níquel ou hidróxido de cádmio e lavadas e secas novamente. Normalmente, o próximo passo é imergir os eletrodos positivo e negativo em uma grande célula temporária contendo 20 a 30% de hidróxido de sódio. Ciclos de carga-descarga são executados para remover as impurezas e os eletrodos são removidos, lavados e secos.

Uma forma alternativa de fazer eletrodos de cádmio é preparar uma pasta de óxido de cádmio misturada com grafite, óxido de ferro e parafina, que é moída e finalmente compactada entre rolos para formar o material ativo. Isso é então pressionado em uma tira de aço perfurada móvel que é seca, às vezes comprimida e cortada em placas. Lugs podem ser anexados nesta fase.

As próximas etapas envolvem a montagem da célula e da bateria. Para baterias grandes, os eletrodos individuais são montados em grupos de eletrodos com placas de polaridade oposta intercaladas com separadores de plástico. Esses grupos de eletrodos podem ser aparafusados ​​ou soldados entre si e colocados em um invólucro de aço niquelado. Mais recentemente, invólucros de bateria de plástico foram introduzidos. As células são preenchidas com uma solução eletrolítica de hidróxido de potássio, que também pode conter hidróxido de lítio. As células são então montadas em baterias e aparafusadas. As células de plástico podem ser cimentadas ou coladas juntas. Cada célula é conectada com um conector de chumbo à célula adjacente, deixando um terminal positivo e negativo nas extremidades da bateria.

Para baterias cilíndricas, as placas impregnadas são montadas em grupos de eletrodos enrolando os eletrodos positivo e negativo, separados por um material inerte, em um cilindro apertado. O cilindro do eletrodo é então colocado em uma caixa de metal niquelado, o eletrólito de hidróxido de potássio é adicionado e a célula é selada por soldagem.

A reação química envolvida na carga e descarga de baterias de níquel-cádmio é:

A maior exposição potencial ao cádmio ocorre no manuseio do nitrato de cádmio e sua solução durante a fabricação da pasta de pó de óxido de cádmio e manuseio dos pós ativos secos. A exposição também pode ocorrer durante a recuperação de cádmio de placas de sucata. O gabinete e a pesagem e mistura automatizadas podem reduzir esses perigos durante as etapas iniciais.

Medidas semelhantes podem controlar a exposição a compostos de níquel. A produção de níquel sinterizado a partir de carbonila de níquel, embora feita em máquinas seladas, envolve exposição potencial a carbonila de níquel extremamente tóxica e monóxido de carbono. O processo requer monitoramento contínuo para vazamentos de gás.

O manuseio de potássio cáustico ou hidróxido de lítio requer ventilação adequada e proteção pessoal. A soldagem gera fumaça e requer LEV.

Efeitos na saúde e padrões de doenças

Os perigos mais sérios para a saúde na fabricação tradicional de baterias são as exposições ao chumbo, cádmio, mercúrio e dióxido de manganês. Os perigos do chumbo são discutidos em outras partes deste capítulo e enciclopédia. O cádmio pode causar doenças renais e é cancerígeno. Verificou-se que a exposição ao cádmio era generalizada nas fábricas de baterias de níquel-cádmio dos EUA, e muitos trabalhadores tiveram que ser removidos clinicamente sob as disposições do Padrão de Cádmio da Administração de Segurança e Saúde Ocupacional devido aos altos níveis de cádmio no sangue e na urina (McDiarmid et al. 1996) . O mercúrio afeta os rins e o sistema nervoso. A exposição excessiva ao vapor de mercúrio foi demonstrada em estudos de várias fábricas de baterias de mercúrio (Telesca 1983). As exposições ao dióxido de manganês demonstraram ser altas na mistura e manuseio de pós na fabricação de células secas alcalinas (Wallis, Menke e Chelton 1993). Isso pode resultar em déficits neurofuncionais em trabalhadores de bateria (Roels et al. 1992). As poeiras de manganês podem, se absorvidas em quantidades excessivas, levar a distúrbios do sistema nervoso central semelhantes à síndrome de Parkinson. Outros metais preocupantes incluem níquel, lítio, prata e cobalto.

Queimaduras na pele podem resultar da exposição a soluções de cloreto de zinco, hidróxido de potássio, hidróxido de sódio e hidróxido de lítio usadas nos eletrólitos das baterias.

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