Bateria usando lata de aluminio e Ar

Esse post traz alguns links que descrevem a construção de uma bateria usando alumínio metálico e oxigênio do Ar como pares redox para a geração de energia elétrica. Esse é um experimento didático, usando reagentes seguros, ou uma forma de geração de energia alternativa.

Experimento didático

Esse é um exemplo de uma célula eletroquímica primária não recarregável. O experimento está descrito na atividade de sala número 93 do Journal of Chemical Education. No entanto, somente poderão ter acesso ao documento aqueles que tiverem a assinatura da revista (normalmente universidades). Felizmente, nesse outro link há uma descrição detalhada da montagem do experimento com fotos.

Materiais e reagentes:

• Folha de alumínio de uso doméstico
  
• Carvão ativo em pó
• Papel toalha de uso doméstico
  
• Água de torneira
• Sal de cozinha (cloreto de sódio)
  
• Fio metálico de cobre ou clips de papel para os contatos elétricos
  
• Multímetro para medir potencial elétrico
• Uma diodo emissor de luz (LED) ou um pequeno motor elétrico de baixa voltagem
  

O papel toalha serve como membrana separadora das duas semi-celas. O carvão ativo promove a adsorção do oxigênio por possuir elevada área superficial. Um dos contatos elétricos é obtido diretamente da folha de alumínio e o outro usando um fio de cobre em contato com o carvão encharcado do eletrólito aquoso de cloreto de sódio. O papel toalha embebido com o eletrólito faz a função da ponte salina.

Na Wikipédia podemos encontrar o texto Aluminium Battery dando mais informações e aplicações já feitas dessa bateria. Os potenciais de oxi-redução foram extraídos da lista das séries eletroquímicas contra o eletrodo padrão de hidrogênio.

Anodo: Al⁰_(s) + 3OH⁻_(aq) → Al(OH)_3(aq) + 3e⁻ (E_oxi=+2,33V)
Cátodo: O_2(g) + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻_(aq) (E_red=+0,40V)
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
Total: 4Al⁰_(s) + 3O_2(g) + 6H₂O → 4Al(OH)_3(aq) (E=+2,71V)

Para testar pode-se usar o LED ou o motor elétrico. Atenção pois o LED possui polaridade. O multímetro, operando no modo de voltímetro, serve para medir o quanto a bateria pode fornecer de potencial elétrico. Tendo somente o multímetro já é suficiente.

Como podemos ver, a reação é favorecida em meio básico. Na prática, pode-se alcançar algo perto de 1,2V usando hidróxido de potássio como eletrólito. Usando cloreto de sódio o potencial fica em torno de 0,7V.

A eficiência ficará em função do carvão (área superficial) e seu contato com o Ar, da membrana separadora, da área superficial do eletrodo metálico que faz contato com a superfície do carvão, pH do eletrólito, temperatura, força iônica, impurezas, etc.

Há este vídeo mostrando como fazer dentro de um laboratório.

Implementação usando latas de alumínio

Uma implementação mais interessante é usando latas de alumínio com descrito nesse Instructable. Essa é a implementação que irá chamar mais a atenção dos alunos. Para aumentar o potencial basta colocar as baterias em série. Caso queria aumentar a corrente, coloque-as em paralelo. Cuidado para não efetuar um curto-circuito entre o fio e a borda da lata.

Há este outro vídeo de um rapaz que fez uma bateria em sua casa. Apesar de ter uma linguagem informal ele mostra bem que qualquer um pode fazer em casa.

Eficiência

Alguns dizem que essa bateria pode alcançar 1V e fornecer até 100mA. Um melhor aproveitamento da carga da bateria pode ser alcançado usando um circuito eletrônico chamado de joule-thief. Ele drena corrente de uma bateria para manter a tensão na saída constante. No nosso caso, podemos fazer um Joule-Thief com componentes eletrônicos baratos como descrito nesse link. O mais simples de montar, que já montei, encontra-se nesse link. O transistor equivalente ao PN2222, que é usado nesse projeto, é o 2N2222.

Questão energética

Então, a solução para as latas de alumínio seria a construção de baterias para geração de energia elétrica? Na verdade, não. Há a questão do balanço energético. O óxido de alumínio é o produto mais estável e encontrado na natureza. Para a geração de alumínio metálico gasta-se muita energia na forma de calor e eletricidade para converter Al³⁺ em Al⁰.

Dependendo do local da instalação, o custo com energia elétrica fica entre 20 e 40% do custo total da produção. Gasta-se, aproximadamente, 14.000kWh por tonelada de alumínio. Já na reciclagem gasta-se 700kWh por tonelada de alumínio reciclado. Tipicamente, 5% da energia usada na produção é usada na reciclagem. No entanto, 15% do material é perdido na forma de metal impuro que bóia durante a fundição. Portanto, para grandes produções é um disperdício gerar energia elétrica usando baterias de alumínio-Ar.

Referências

Journal Chemical Education, Classroom activity #93, Aluminum–Air Battery
http://jchemed.chem.wisc.edu/journal/Issues/2007/Dec/abs1936A.html

Aluminum Air Battery – Foiled again
http://www.exo.net/~pauld/activities/AlAirBattery/alairbattery.html

Aluminium battery
http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_battery

Standard electrode potential (data page)
http://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_series

Eco Gadgets: DIY battery made from recycled aluminum can
http://www.ecofriend.org/entry/eco-gadgets-diy-battery-made-from-recycled-aluminum-can/

Instructables – Aluminum Can, Saltwater and Charcoal Battery
http://www.instructables.com/id/Aluminum-Can-Saltwater-and-Charcoal-Battery/

Bateria de Alumínio-Ar de 2 elementos / Al-air battery, 2 cells
http://www.youtube.com/watch?v=sfgN-arBlu4

How to build a MacGyver Air-Aluminium battery with soda can
http://www.youtube.com/watch?v=yA6Jde77UNc

Aluminium/air Batteries
http://www.ectechnic.co.uk/ALUMAIR.HTML

Alumínio – Al
http://www.mspc.eng.br/quim1/quim1_013.shtml

Joule Thief - Boost circuit kit
http://www.joulethief.com/kit.php

Make a Joule Thief
http://blog.makezine.com/archive/2007/11/make_a_joule_thief_weeken_1.html