Causas de falhas de baterias de chumbo-ácido e seus métodos de reparo

Desde que o cientista francês Gaston Planté inventou a bateria de chumbo-ácido em 1859, ela tem sido amplamente utilizada em transportes, comunicações, energia, ferrovias, mineração, portos, defesa, computadores e pesquisa científica devido à sua alta segurança, baixo custo e excelente reciclabilidade. Ela continua sendo o tipo de bateria mais produzido e versátil em todo o mundo.

Baterias de chumbo-ácidoAs baterias de chumbo-ácido oferecem diversas vantagens em aplicações práticas: baixo preço, tecnologia consolidada, excelente desempenho em altas e baixas temperaturas, estabilidade, confiabilidade, alta segurança e boa reciclabilidade, o que lhes confere uma clara vantagem competitiva. Em 2020, o mercado chinês de baterias de chumbo-ácido atingiu 165,9 bilhões de yuans, com um crescimento de 4,65% em relação ao ano anterior.

Com o crescimento da participação de mercado, problemas como o consumo massivo de energia durante a produção e a reciclagem, além dos bilhões de baterias descartadas anualmente que causam grave poluição ambiental, se intensificaram. A manutenção e o reparo de baterias antigas para aumentar a eficiência e a vida útil tornaram-se uma prioridade global.

Nos países desenvolvidos do Ocidente, dezenas de milhares de pessoas trabalham na manutenção, reparo e reciclagem de baterias de chumbo-ácido, gerando bilhões em receita anual. O Japão emprega mais de 100.000 pessoas no setor, que também gera bilhões.

Na China, para promover a conservação de energia e a proteção ambiental, foi imposto um imposto de 4% sobre o consumo de baterias de chumbo-ácido a partir de 1º de janeiro de 2016. A Política Técnica sobre Prevenção da Poluição por Resíduos de Baterias, da Administração Estatal de Proteção Ambiental, da Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma (NDRC), do Ministério da Construção, do Ministério da Ciência e Tecnologia (MOST) e do Ministério do Comércio (MOFCOM), incentiva a pesquisa e o desenvolvimento para a reciclagem eficiente, aumentando as taxas de recuperação de recursos.

Especialistas observam que a degradação do desempenho e a falha prematura decorrem principalmente da formação de cristais de sulfato de chumbo nas placas durante o uso, aumentando a resistência interna e reduzindo a capacidade, o que, em última análise, diminui a vida útil. Técnicas comprovadas para o reparo de baterias de chumbo-ácido prolongam a vida útil, reduzem custos, diminuem o desperdício de materiais como chumbo e ácido sulfúrico diluído, reduzem as emissões de CO2 e conservam recursos — alinhando-se ao desenvolvimento sustentável.

Em uma era de crescente consumo de energia e poluição por baterias, soluções para a reutilização de resíduos, prolongamento da vida útil por meio de tecnologias de reparo, redução do descarte e promoção de práticas sustentáveis ​​assumem profunda importância. A tecnologia de reparo transforma resíduos em recursos valiosos, alinha-se às políticas nacionais, impulsiona a economia, promove a economia de energia e a redução de emissões, além de contribuir para a proteção ambiental, estando pronta para uma adoção mais ampla.

Para compreender o reparo de baterias de chumbo-ácido, primeiro é preciso entender as causas das falhas e, em seguida, definir os métodos de reparo adequados.

FalhaRazãos de baterias de chumbo-ácido

Devido às variações nos tipos de placas, fabricação e uso, as causas de falha diferem. Causas comunsrazãos incluem:

1. Corrosão e Deformação de Placas Positivas

As ligas atuais se dividem em três categorias: chumbo-antimônio tradicional (4-7% de antimônio); baixo/ultrabaixo teor de antimônio (<2% ou <1%, com estanho, cobre, cádmio e enxofre); e chumbo-cálcio (0,06-0,1% de cálcio, com estanho e alumínio). Durante o carregamento, essas ligas de grade oxidam-se a sulfato de chumbo e PbO2, perdendo o suporte para os materiais ativos e causando falhas. As camadas de corrosão de PbO2 induzem tensão, alargando as grades; deformações acima de 4% destroem as placas, soltam os materiais ativos ou causam curto-circuito nas barras coletoras.

2. Desprendimento e amolecimento dos materiais ativos da placa positiva

Além da expansão da grade, os ciclos repetidos de carga e descarga afrouxam as ligações das partículas de PbO2, causando amolecimento e desprendimento. A fabricação da grade, a vedação da montagem e as condições de carga e descarga influenciam esse processo.

3. Sulfatação irreversível

A descarga excessiva e o armazenamento prolongado no estado descarregado formam cristais grosseiros de sulfato de chumbo, difíceis de carregar, nas placas negativas. Casos leves podem ser recuperados com métodos específicos; casos graves tornam os eletrodos inertes.

4. Perda prematura de capacidade

Em redes com baixo teor de antimônio ou chumbo-cálcio, a capacidade cai drasticamente após cerca de 20 ciclos, causando falhas prematuras.

5. Acúmulo severo de antimônio em materiais ativos

Durante os ciclos, o antimônio migra das grades positivas para as superfícies ativas negativas. Uma sobretensão de redução de H+ mais baixa (~200 mV) no antimônio acelera a decomposição da água, impedindo o carregamento normal e levando à falha. Testes mostram 0,12-0,19% de antimônio nas superfícies negativas danificadas com uma tensão de carga de 2,30 V. Em baterias de submarinos, o excesso de hidrogênio está associado a uma concentração média de 0,4% de antimônio.

6. Falha Térmica

Para baterias de baixa manutenção, a tensão de carga não deve exceder 2,4 V por célula. Reguladores defeituosos podem causar picos de tensão, superaquecendo o eletrólito, reduzindo a resistência e amplificando a corrente em um ciclo descontrolado, deformando ou rachando a bateria. Embora incomum, monitore a alta tensão e o calor.

7. Corrosão das barras de distribuição negativas

As grades negativas e as barras coletoras raramente sofrem corrosão, mas em baterias seladas reguladas por válvula, os ciclos de oxigênio preenchem o espaço livre; o eletrólito penetra nas barras coletoras através dos terminais, oxidando as ligas a sulfato de chumbo. Soldas de má qualidade aceleram esse processo, desprendendo os terminais e causando a falha dos polos negativos.

8. Curto-circuito devido à perfuração do separador

Alguns separadores, como o PP, possuem poros grandes; o deslocamento dos fusíveis de fusão cria grandes orifícios, permitindo a passagem de materiais ativos durante os ciclos, causando microcurtos-circuitos e falhas.

Fatores que afetam a vida útil das baterias de chumbo-ácido

A falha resulta de fatores intrínsecos (composição do material ativo, tipo de cristal, porosidade, tamanho da placa, material/estrutura da grade) e extrínsecos (densidade de descarga, concentração/temperatura do eletrólito, profundidade de descarga, manutenção, armazenamento). Principais fatores externos:

1. Profundidade de descarga

Este valor indica o quanto a descarga prossegue antes de parar (100% = capacidade total). A vida útil varia bastante; baterias de ciclo profundo são adequadas para uso superficial, mas as de ciclo superficial falham rapidamente em ciclos profundos. As ligações PbO2 enfraquecem devido às mudanças de volume: a transformação de PbO2 em PbSO4 expande 95% do volume molar. Descargas superficiais (por exemplo, 20%) minimizam a expansão/contração, retardando a degradação; descargas mais profundas encurtam os ciclos.

2. Extensão da cobrança indevida

A evolução excessiva de gases afeta os materiais ativos positivos, promovendo o desprendimento; as ligas da grade corroem por oxidação anódica, reduzindo sua vida útil.

3. Efeitos da temperatura

A vida útil geralmente aumenta com a temperatura até 50 °C: +5 a 6 ciclos por 1 °C de 10 a 35 °C; +25+ ciclos por 1 °C de 35 a 45 °C. Acima de 50 °C, a sulfatação negativa reduz a capacidade. Temperaturas mais altas aumentam a capacidade, reduzindo a profundidade efetiva para descarga fixa e prolongando a vida útil.

4. Efeitos da concentração de ácido sulfúrico

Uma densidade maior favorece a capacidade positiva, mas aumenta a autodescarga, a corrosão da grade e o desprendimento/afrouxamento de PbO2, encurtando os ciclos.

5. Efeitos da densidade de corrente de descarga

Uma densidade maior reduz a vida útil, acelerando o desprendimento do PbO2 sob condições de alta corrente/acidez.

Perda de água não significa fracasso.razãopara baterias ventiladas (manutenção normal) ou seladas (evitável). Em baterias seladas de bicicletas elétricas, o problema surge devido à carga excessiva com tensão constante.

Métodos de reparo para perda prematura de capacidade (PCL)

(A) Características do PCL

Em baterias de baixa concentração de antimônio ou de chumbo-cálcio, a capacidade cai cerca de 5% por ciclo após aproximadamente 20 ciclos, resultando em falha prematura. As baterias de chumbo-cálcio frequentemente apresentam quedas inexplicáveis ​​em algumas células; os polos positivos não ficam amolecidos, mas a capacidade é baixa.

(B) Soluções para as Causas

1. Otimizar o teor de estanho na placa positiva (1,5-2% para ciclo profundo).
2. Aumente a pressão de montagem.
3. Evite alto teor de ácido eletrolítico.

(C) Precauções de utilização

1. Evite correntes de carga iniciais baixas e sustentadas.
2. Minimizar descargas profundas.
3. Limitar a cobrança excessiva.
4. Não aumente a capacidade através de uma alta utilização de material ativo.

(D) Recuperação para baterias afetadas por PCL

Comece com uma corrente de 0,3C a 0,5C e, em seguida, carregue lentamente até a carga completa. Armazene as baterias carregadas a 40-60 °C; descarregue a uma taxa inferior a 0,05C até 0 V (diminua a velocidade após atingir metade da tensão nominal). Repita o processo para restaurar a capacidade.

(E) Notas

Confirme a carga positiva (PCL) nos primeiros 20 ciclos; quedas posteriores pioram com este método, enfraquecendo os polos positivos. Em baterias de chumbo-cálcio, o desequilíbrio causado por carregadores de baixa tensão constante gera problemas: a autodescarga desigual leva à subcarga crônica em algumas células (sulfatação) e à sobrecarga em outras. Use carregadores de múltiplos estágios com corrente/tensão variável, finalizando com uma carga balanceada de alta tensão e baixa corrente.

Reparo de cobrança indevida

A sobrecarga exige alta corrente/tensão, causando reações secundárias, danos aos componentes e perda de água. Um método eficaz e não danoso é o carregamento por pulsos: pulsos de alta tensão/corrente superam a queda de aceitação sem reações sustentadas, aproveitando a despolarização (ou outros mecanismos) da bateria após o pulso. Isso permite uma sobrecarga segura, com carregadores que, ao longo dos anos, demonstraram prolongar significativamente a vida útil da bateria.