- Turma: M201
História e Evolução da pilha de Alessandro Volta às baterias de íon-lítio
Pilhas e baterias são muito presentes nos nossos dias, seja no controle remoto da televisão e nossos celulares. Neste artigo abordaremos a evolução das pilhas desde a Pilha Voltaica até as baterias de íon-lítio. Mostraremos desde a teoria errada de Luigi Galvani à observação correta de Alessandro Volta que foi extremamente útil até para os dias atuais.
História das Pilhas
Em 1786 o anatomista italiano Luigi Galvani dissecou uma rã sobre sua mesa, na qual se encontrava uma máquina eletrostática. Então em 1791 publicou sua pesquisa dizendo que ao dissecar a rã havia observado que quando dois metais diferentes entravam em contato com ela, os músculos da coxa da rã sofriam contrações. Galvani passou a defender uma teoria que tentava explicar esse fato: a teoria da “eletricidade animal”. Segundo os músculos da rã armazenavam a energia e os metais eram apenas condutores.
Entretanto, o físico italiano Alessandro Volta não acreditava nisso e realizou novamente a experiência de Galvani e repetiu uma série de experimentos utilizando metais diferentes para provar que a teoria estava errada. Durante os experimentos notou que quando a placa e o fio eram constituídos do mesmo metal, as convulsões não apareciam, mostrando que não havia fluxo de eletricidade. Assim, ele passou a defender o conceito (correto) de que a eletricidade não se originava dos músculos da rã, mas sim dos metais e que os tecidos do animal é que conduziam essa eletricidade.
Para provar que estava correto, Volta fez um circuito formado por uma solução eletrolítica, ou seja, uma solução com íons dissolvidos, que ele chamava de condutor úmido ou condutor de segunda classe, colocados em contato com dois eletrodos metálicos. Esses últimos, Alessandro Volta designava de condutores secos ou condutores de primeira classe.
Ele fez isso por colocar um condutor úmido (que era uma solução aquosa salina) entre dois condutores secos (que eram metais ligados por um fio condutor). Nesse momento ele observou que se despertava o fluxo elétrico. Ele passou a entender também que dependendo dos metais que ele utilizava, o fluxo da corrente poderia ser maior ou menor. Desse modo, podemos admitir que a ideia do que é uma pilha já estava sendo entendida e explicada por Volta.
Biografia Alessandro Volta
Alessandro Giuseppe Antônio Anastásio Volta nasceu em 18 de fevereiro de 1745, na pequena cidade de Como, próxima de Milão, na Itália. Estudou boa parte de sua vida no colégio dos jesuítas, mas, aos 16 anos, o abandonou para estudar por conta própria, apenas com a assistência de um cônego. Esse cônego e amigo de Volta foi Gattoni, que além de lhe ensinar os princípios básicos de Física, também lhe forneceu alguns aparelhos necessários para suas experimentações.
Apesar de seu tio o incentivar a estudar Direito, ele estava decido a estudar Física. E, incrivelmente, Volta aprendeu sozinho Física, Matemática, Latim, Francês, Alemão e Inglês. Mesmo não possuindo um diploma ou não tendo defendido uma tese, Alessandro Volta
conseguiu com a ajuda do governador da Lombardia austríaca, Carlo Di Firmian, um emprego como professor.
Com o tempo ele passou de professor substituto a professor regente. Além disso, também conseguiu a cátedra de professor de Física Experimental nas escolas de Como. Ele se tornou um inventor muito notável. Um dos seus primeiros inventos foi realizado em 1776, que foi o audiômetro, um aparelho que por meio de uma centelha elétrica causava a reação entre dois compostos gasosos. Volta usou esse aparelho para confirmar as leis das proporções definidas de Proust e as dos gases, incluindo a lei da dilatação dos gases submetidos a aquecimento, que foi uma lei que ele próprio determinou, juntamente com Gay-Lussac.
Naquele mesmo ano, Alessandro Volta isolou o gás metano, descoberta que aumentou ainda mais a sua fama, tanto que ele foi escolhido para lecionar na Universidade de Pávia, em 1779, da qual posteriormente se tornou o reitor.
Ele também sugeriu a produção industrial de vacinas, difundiu o uso do amianto para a indústria, difundiu também a cultura controlada do bicho-da-seda e racionalizou o cultivo do lúpulo e da batata. Entretanto, a invenção que mais lhe trouxe créditos foi a pilha elétrica, em 1800.
Pilhas e baterias
As pilhas e baterias são Forças Eletromotrizes, e são geradores de tensão e energia como são armazenadores ou acumuladores ou, “fisicamente falando”, elas são sistemas que através de reações e conversões químicas, transformam energia através de Oxidação Redução, movimentando elétrons por um circuito elétrico externo.
Existem registros de que baterias foram criadas por Iranianos, há mais de dois milênios atrás. Os sistemas utilizados por eles eram de jarros de argila, que continham finos cilindros de cobre e um bastão de ferro dentro. Para gerar energia, eram utilizados ácidos comuns como suco de limão ou vinagre. Desde então a energia veio sendo gerada de diversas formas e armazenada de diversas formas também.
Capacitores
O termo “bateria” foi introduzido nos estudos por Benjamin Franklin, em 1748, quando mencionava a respeito de capacitores, no sentido de um conjunto de capacitores conectados formando uma bateria. Os primeiros “acumuladores de energia” foram gerados para poder testar cargas em experimentos químicos. Eles foram os capacitores que são compostos por placas metálicas, paralelas, as quais são separadas por um isolante.
Pilha de Volta
Volta criou a primeira pilha elétrica em 1800 que passou a ser chamada de Pilha de Volta, Pilha Galvânica ou Pilha Voltaica e, ainda, “rosário”. É formada por discos intercalados de dois metais diferentes. Por exemplo, são colocados um disco de prata, um disco de zinco por cima e um disco de papelão embebido em uma solução de salmoura. Continua realizando essa montagem intercalada: disco de prata/ disco de zinco/disco umedecido até formar uma coluna alta, mas que consegue se sustentar; por último, as extremidades da pilha são ligadas com um fio condutor externo. Assim, esse dispositivo recebeu esse nome porque realmente era uma “pilha”, isto é, discos empilhados formando uma coluna. Os discos de metais foram denominados por Volta de condutores secos ou de primeira classe, enquanto o embebido em salmoura foi denominado de condutor úmido ou de segunda classe.
Esse experimento causou reviravoltas no mundo científico e a partir daí todos os aparelhos que produziam eletricidade a partir de processos químicos (ou seja, que produziam energia química em energia elétrica) passaram a ser chamados de celas voltaicas, pilhas galvânicas ou, simplesmente, pilhas.
Ele até mesmo jurou fidelidade ao governo invasor da Itália de Napoleão Bonaparte e em 1801 e realizou uma demonstração de sua pilha na Academia de Ciências de Paris.
Outro experimento de Volta em relação às pilhas foi a coroa de copos, em que ele colocava duas placas de metais diferentes interligadas por um fio condutor, mas separadas por soluções eletrolíticas.
Atualmente sabemos que o que ocorre em uma pilha, como essas criadas por Volta, é que a eletricidade tem seu fluxo do polo negativo, denominado ânodo, que se oxida, perdendo elétrons para o polo positivo, chamado de cátodo, que se reduz, ganhando elétrons.
Essas pilhas feitas em solução aquosa não são muito usadas hoje em dia; apenas em termos de pesquisa, mas elas foram o princípio que desenvolveu as modernas pilhas que conhecemos hoje como pilhas secas e que são bem mais práticas para usar e transportar, além de fornecer uma corrente elétrica satisfatória por muito mais tempo.
Pilha de Daniell
Surgiu em 1836, criada pelo químico Britânico John Frederic Daniell. Ela funciona a partir de uma folha de zinco imersa em sulfato de zinco em uma vasilha de barro poroso. Essa vasilha é imersa em um pote de cobre com solução de sulfato de cobre. Com o tempo o cobre preenche os poros da vasilha, e reduzia sua vida útil. A pilha de Daniell operou a 1,1 volt e foi utilizada em grande escalas nas redes de telégrafos, até ser substituída em 1960. Foi revolucionária para a época.
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Pilha de Grove
Foi criada em 1844 por William Robert Grove, físico e juiz galês. Ela é considerada até hoje a fonte de energia do futuro. Grove foi responsável em desenvolver a primeira célula de combustível do mundo. Era feita com uma placa de zinco imersa em ácido sulfúrico, separada por uma barreira porosa de outra solução, feita de uma placa de platina imersa em ácido nítrico.
Essa Pilha liberava uma corrente alta, com quase o dobro da tensão da Pilha de Daniell. Porém, liberava uma fumaça tóxica de. óxido nítrico. Foi a bateria preferida da rede americana de telégrafos.
Bateria de Chumbo – Ácido – A Primeira Pilha Recarregável
Foi utilizada a primeira vez em 1859, criada pelo físico francês, Gaston Planté. Uma célula constituída por uma placa de óxido de chumbo e outra de chumbo metálico, imersas em ácido sulfúrico, produzindo sulfato de chumbo. Esse sistema é muito pesado para pequenos aparelhos. É o mais utilizado em baterias de carro, no breaks e iluminações de emergência.
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Célula de Gravidade
Surgiu na década de 60, por um Francês chamado Callaud, e seu nome e especialidades foram desconhecidos. Uma peça de cobre é colocada no fundo de uma jarra de zinco e suspensa a baixo da borda. Cristais de sulfato de cobre são espalhados em volta da peça de cobre e a jarra é preenchida com água destilada. A partir da energia gerada, formam-se soluções se sulfato de zinco no topo. É o modelo que também tem sucesso na rede de telégrafos, e é uma variação da Pilha de Daniell, porém com uma corrente mais elevada.
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Pilha de Leclanché
Foi criada em 1866, e como diz o nome, pelo engenheiro elétrico francês, Georges Leclanché. Funciona a base de um cilindro de zinco, envolvido por um tipo de papel poroso e com manganês em pó, imersos em uma solução de cloreto de amônio, e zinco. Essa foi a precursora da pilha seca, e foi aplicada também em redes de telégrafos, em sinaleiros, sinos elétricos e nos primeiros telefones.
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Pilha de Zinco – Carbono – A Primeira bateria Seca
Em 1886 surgiu a primeira bateria seca, por Carl Gassner, um inventor Alemão. Ela foi gerada com cloreto de amônio com gesso, criando uma pasta junto do cloreto de zinco. Foi utilizada em dispositivos portáteis, como lanternas.
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Pilha de Níquel – Cádmio – A primeira Bateria Alcalina
A inovadora e tão conhecida pelo efeito do vício das baterias, o efeito memória, foi criada. A primeira pilha Alcalina da história. Surgiu em 1899, pelo cientista sueco Waldemar Jungner. Formada pela placa positiva e negativa, no mesmo recipiente. A placa negativa é composta de cádmio metálico e a positiva coberta de hidróxido de níquel. Ambas envoltas por uma solução de hidróxido de potássio, conhecida como “solução alcalina”.
Por serem baterias menores, foram utilizadas em tudo que é tipo de aparelho, como celulares, ferramentas, brinquedos, aplicações industriais, e etc. Foram fabricadas de dois tipos: recarregável e não recarregável. E utilizamos-la até os dias de hoje!
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Bateria de Lítio-Ion
Depois de muito tempo, surgiu o novo modelo de bateria, formadas de Íons de Lítio. Criada na década de 1970, por Manley Stanley Whitingham, um químico americano.
Sua placa positiva consiste em óxidos de cobalto e lítio depositados sobre uma lâmina de alumínio. A negativa, por carbeto de lítio depositado sobre uma lâmina de cobre, separados então por uma folha de material plástico poroso e embebido com uma solução orgânica de sais de lítio, enroladas em forma cilíndrica ou prismática.
Apesar do custo um pouco mais alto, é a melhor e a mais utilizada bateria atualmente, em dispositivos portáteis, telefones e notebooks.
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A evolução das pilhas desde a Voltaica ate a de íon lítio foram invenções muito importantes e vem facilitando muito nossas vidas no dia a dia, na rua e em casa.