Os usuários de baterias para backup de energia estão cada vez mais exigindo baterias de longa vida útil, que possam suportar altas temperaturas e que viabilizam a redução de custos operacionais e de capital para minimizar o Custo Total de Propriedade (TCO). O mercado altamente competitivo, juntamente com o crescimento econômico limitado, aumentou a importância de minimizar o desperdício e maximizar o valor durante a garantia da confiabilidade.
A EnerSys ouviu seus clientes e desenvolveu a família de baterias PowerSafe SBS XL, que apresenta vida útil maximizada em temperaturas operacionais mais altas, oferecendo uma bateria com valor agregado significativamente maior para clientes com este tipo de aplicação.
Este artigo fornece uma introdução aos antecedentes da tecnologia chumbo puro placa fina (TPPL) usada nas baterias PowerSafe SBS XL, uma explicação dos modos de falha comuns de baterias chumbo-ácido em aplicações em flutuação em alta temperatura e os recursos de design incluídos na bateria PowerSafe SBS XL que permite longa vida mesmo em temperaturas elevadas.
As baterias PowerSafe SBSXL tem vida útil estendida de 10 anos a 35°C em flutuação
Experiência TPPL
O conceito AGM - Absorbed Glass Mat - foi inventado pela Gates Energy no início dos anos 1970, revolucionando a indústria e a tecnologia de baterias chumbo-ácido. A bateria original era um elemento 2V enrolado em espiral e recebeu a marca CYCLON. Foi projetado com muitas características novas e exclusivas, tais como: o uso de grades de chumbo 99,99% puro (sem adição de outros metais) com placas positivas e negativas muito finas, uso de separador absorvente de fibra de vidro (não tendo as placas imersas em eletrólito líquido livre) e a incorporação de uma válvula de alívio de pressão que retém os gases dentro do elemento até pressões específicas.
Essa tecnologia foi então aplicada às configurações tradicionais de bateria de placas planas no início dos anos 1980, quando a série de baterias SBS foi lançada. A nomenclatura TPPL – Thin Plate Pure Lead - foi aplicada à tecnologia para ajudar a distinguir suas características exclusivas de placas com grades de chumbo altamente puro em espessuras significativamente mais finas do que as baterias chumbo-ácido tradicionais.
A EnerSys continua fabricando as baterias CYCLON e a lançando mais formatos de produtos TPPL para atender às necessidades de aplicação exclusivas, ao mesmo tempo em que aprimora continuamente os projetos de produtos e as tecnologias de fabricação.
Essa tecnologia vem sendo utilizada pela Enersys há quase cindo décadas em uma ampla variedade de aplicações críticas como aviação, militar, médica, UPS e telecomunicações, bem como partida de motores e energias renováveis.
Há muito tempo a família de baterias PowerSafe SBS é referência de longa vida útil em muitas aplicações, incluindo temperaturas severas (altas ou baixas), além de rede estável, rede não confiável e aplicações off-grid.
Modos de falha de fim de vida
O exame dos modos de falha de fim de vida fornece uma perspectiva das características chave associadas à longa vida útil. O processo de envelhecimento da bateria VRLA (chumbo- ácido regulada por válvula) geralmente envolve mudanças no material ativo positivo, na grade positiva, no eletrólito ou mudanças em uma combinação desses componentes. Estas mudanças estão altamente relacionadas ao design da bateria, como ela foi fabricada e como é utilizada. Para redes de energia não confiáveis e aplicações em ciclagem, os mecanismos de falha de bateria mais comuns são sulfatação, degradação de material ativo, corrosão e estratificação. Para aplicações standby em flutuação onde a bateria não é descarregada com frequência, os modos de falha mais comuns são corrosão da grade e perda de água.
Corrosão da Grade Positiva
Independentemente das condições de aplicação, os componentes condutores de polarização positiva na bateria estão constantemente sendo corroídos a partir do momento em que o eletrólito é introduzido nos componentes de chumbo. Esta corrosão ocorre de maneira mais relevante nas grades positivas.
A corrosão é o resultado de reações eletroquímicas que ocorrem com o chumbo, elementos de liga e impurezas. O chumbo metálico (Pb) reage com a água no eletrólito convertendo-se em dióxido de chumbo (PbO2). Esta reação ocorre na superfície da grade formando uma camada superficial de dióxido que é eletricamente condutora e permite outras reações eletroquímicas, ao mesmo tempo que atua como uma barreira protetora para outros tipos de processos de corrosão da grade. Reações adicionais ocorrem com quaisquer elementos de liga e elementos contaminantes, criando subprodutos de corrosão adicionais.
A taxa das reações químicas é diretamente influenciada por muitos fatores, como temperatura, tensão de carga, densidade do ácido e liga de chumbo. A taxa de reação química aumenta de maneira relativamente previsível à medida que a temperatura da bateria aumenta e pode ser modelada pela equação de Arrhenius. Visto que a taxa de reação química está diretamente relacionada à taxa de corrosão da grade, a equação de Arrhenius também é usada para prever a vida útil da bateria em função da temperatura. Como exemplo, a equação de Arrhenius pode ser usada para extrapolar a vida do projeto da Powersafe SBS XL de 10 anos a 35°C para 20 anos a 25°C.
Os produtos de corrosão são menos densos que o chumbo metálico e ocupam mais volume, portanto, a produção de corrosão resulta no crescimento da grade. Como este subproduto da corrosão está se formando dentro da grade de chumbo, o volume maior aplica tensão aos grãos de chumbo adjacentes, agindo como uma cunha para separar os grãos de chumbo metálico em seus limites. Essa tensão inicia uma rachadura microscópica no contorno do grão, que se torna uma fratura maior que expõe o material novo que ainda não havia sido corroído. Este material novo reage imediatamente e começa a formar subprodutos de corrosão adicionais. Este processo de corrosão da grade continua a se repetir durante a vida útil do produto, criando cinco condições que contribuem para os modos de falha no fim da vida útil.
- A área da seção transversal reduzida da grade criada pelas fraturas, limita a capacidade de condução de corrente durante os processos de carga e descarga. Uma vez que a corrosão da grade está ocorrendo constantemente e a área da seção transversal está diminuindo de forma semelhante, a espessura da grade deve ser projetada suficientemente espessa para acomodar a corrosão sempre presente enquanto se atinge a vida útil desejada em flutuação.
- Os subprodutos da corrosão têm menor condutividade, o que impede o fluxo de corrente. Essa condutividade mais baixa resulta em tempos de descarga curtos e capacidades mais baixas.
- Conforme a grade positiva se expande, ela se afasta do material ativo, o que diminui o fluxo de corrente e a utilização do material ativo. Ambas as condições levam a uma capacidade menor.
- O crescimento excessivo da grade positiva pode fazer com que esta se estenda além do papel separador e fazendo contato com a placa negativa, o que resulta em um curto-circuito. O crescimento excessivo da grade positiva também pode resultar em distensão excessiva e estresse na carcaça da bateria, causando protuberâncias, vazamentos de terminal, rachaduras na caixa ou tampa.
- A reação positiva de corrosão da grade consome água. Esta água é perdida permanentemente nesta reação e não é reversível, como na reação de recombinação. Além disso, não é possível repor a água, pois esta é uma bateria regulada por válvula. Essa perda de água contribui para o modo de falha denominado dry out (secagem) que é discutido separadamente a seguir.
Dry Out (Secagem)
O outro modo de falha primária para baterias VRLA-AGM em aplicações de flutuação é chamado de secagem, que resulta da perda excessiva de água decomposta (hidrogênio e oxigênio). Existem duas reações químicas primárias associadas à perda de água, a saber, o processo de corrosão da grade que consome água e a reação de evolução do hidrogênio. A evolução do hidrogênio ocorre a uma taxa relativamente lenta na placa negativa e, ocorre durante o circuito aberto, carga e descarga.
A reação de evolução do hidrogênio está inter-relacionada a outras reações secundárias que ocorrem constantemente, bem como às condições de aplicação. Se essas reações secundárias estiverem desequilibradas, a evolução do hidrogênio pode aumentar acelerando a taxa de evolução que é significativamente aumentada por impurezas, que podem vir de qualquer um dos componentes da bateria. O hidrogênio, assim como o oxigênio, também pode ser perdido através do processo de ventilação, quando a pressão interna criada no elemento é suficiente para abrir a válvula.
A perda permanente de água leva ao aumento da concentração de ácido sulfúrico no eletrólito e à redução do volume total de eletrólito. A maior densidade do eletrólito aumenta a tensão de circuito aberto da bateria, portanto, com a tensão de carga nominal aplicada, é provável que a bateria não seja suficientemente carregada. A maior densidade resultante também é indesejável porque degrada o material ativo mais rapidamente, o que resulta em menos energia entregue durante a descarga.
Conforme descrito acima, as baterias VRLA-AGM em aplicações em flutuação têm dois modos de falha comuns, ou seja, corrosão positiva da grade e perda de água. Esses modos de falha são influenciados por um número significativo de fatores no projeto, fabricação e aplicação do produto. Muitos desses fatores de influência estão inter-relacionados e são impulsionados por várias características do produto, incluindo ligas de grade, contaminantes, reações eletroquímicas internas, método de fundição de grade, níveis de saturação AGM, espessura da grade, design de válvula e design do recipiente.
Características de projeto para vida útil extra longa em flutuação
A meta de uma vida útil de 10 anos a 35°C para a linha de baterias PowerSafe SBS XL foi atingida com base no retardo da corrosão da grade e nos modos de falha de secagem comuns para aplicações em flutuação. Esses modos de falha são atrasados por sete características principais do produto, a saber:
- chumbo puro sem elementos de liga na grade da placa positiva,
- controle rigoroso e minimização de impurezas em todos os componentes da bateria,
- controlar a estrutura microscópica interna da grade,
- dimensionar precisamente os eletrodos para crescimento a longo prazo com os níveis de capacidade necessários,
- equilíbrio eletroquímico cuidadoso para reações secundárias controladas,
- utilização de um plástico de engenharia que limita o abaulamento e a degradação do material em temperaturas elevadas e
- um sistema de vedação terminal de longa duração.
A taxa de corrosão da grade positiva é extremamente baixa devido à falta de elementos de liga e impurezas dentro da grade. Minimizar as impurezas na grade evita a propagação acelerada da corrosão, fraturas e crescimento da grade. A bateria PowerSafe SBS XL usa tecnologia de fabricação que garante uma estrutura de grão muito fino com limites de grão estreitos, criando um caminho tortuoso de corrosão da grade que permite uma vida útil prolongada.
Embora a oxidação do chumbo puro seja muito lenta em comparação com ligas de chumbo e chumbo com impurezas, a oxidação ainda pode fazer com que a grade positiva de chumbo puro cresça em tamanho. Para evitar o risco de falhas associadas ao crescimento da grade, os tamanhos das placas são projetados e estritamente controlados para tolerar o crescimento previsto, embora sejam dimensionados o suficiente para atingir os níveis de capacidade necessários.
Nas baterias VRLA-AGM, o material AGM é comprimido entre as placas para manter o material ativo acoplado à grade e para estabilizar mecanicamente a pilha de placas dentro da caixa. A compressão AGM cria pressão contra as paredes da caixa, que deve ser resistida pelas propriedades mecânicas da caixa de plástico. O plástico utilizado na série de baterias PowerSafe SBS XL mantém rigidez suficiente em temperaturas elevadas para minimizar a perda de compressão e para manter o desempenho e a vida útil adequados. O plástico usado também é projetado para ter degradação química mínima por longos períodos e em temperaturas elevadas.
A vida útil mais longa e as temperaturas de aplicação mais altas também exigem que um sistema robusto de vedação de terminal seja empregado. A bateria PowerSafe SBS XL aproveita o sistema superior de vedação do terminal, tornado robusto a tensões mecânicas de uma construção de junta fixada e encapsulada. Este sistema de vedação utiliza vários materiais, incluindo uma vedação de borracha comprimida em uma sobreposta para resistir a taxas de corrosão por chumbo mais altas impulsionadas por altas temperaturas.
Menor custo total de propriedade
Os recursos e benefícios da série PowerSafe SBS XL de baterias com tecnologia TPPL fornecem vida longa em altas temperaturas para aplicações em flutuação, permitindo aos usuários diminuir a frequência de substituições de baterias. Os usuários dessas baterias também podem aumentar os pontos de ajuste de temperatura do ar condicionado, ou até mesmo remover o ar condicionado de alguns locais, para reduzir os custos operacionais e de capital.
Os custos de manutenção da bateria podem ser minimizados estendendo o intervalo de manutenção durante o período inicial de serviço devido à longa vida útil da bateria. Esta tecnologia TPPL é uma alternativa mais econômica para as baterias de níquel-cádmio que às vezes são implantadas em aplicações de longa vida de alta temperatura e a tecnologia TPPL é facilmente reciclada dentro dos programas normais de reciclagem de baterias chumbo-ácido.
A família de baterias PowerSafe SBS XL aproveita a longa e bem-sucedida história da tecnologia TPPL para fornecer confiança e confiabilidade, permitindo a melhor oportunidade de minimizar o custo de vida útil da bateria.