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TUDO SOBRE BATERIAS RECARREGÁVEIS

Organização: Enio Leite

Introdução

     Este manual tem o objetivo de divulgar informações técnicas sobre baterias, e suas aplicações tanto nas aulas práticas de fotografia digital, fotografia convencional ou analógica. técnicas de flash, video,  notebooks e laptop, telefonia celular e outros.

Apresentamos informações sobre as baterias mais utilizadas por todos nós :

·        Baterias NiCd (Níquel Cádmio)

·        Baterias NiMh (Níquel Metal Hidreto)

·        Baterias Li-Ion (Lithium Ion)

·        Baterias Li-Ion Polymer (Lithium Ion)

·        Baterias Seladas Chumbo-Ácido

·        Baterias Não Recarregáveis 

Introduzimos também capítulo especialmente dedicado aos carregadores de baterias.

Há várias aplicações para baterias. Neste estudo trataremos apenas das baterias de pequeno porte usadas em aparelhos portáteis ou de pequenas dimensões e peso. Cada aplicação tem suas exigências específicas. Comece verificando qual o tipo de bateria utilizado por sua camera e flash.

Por exemplo, uma bateria recarregável para telefone sem fio não precisa ter uma autonomia muito grande, uma vez que ela só é utilizada enquanto falamos ao telefone e logo em seguida é colocada em carga. 

Já uma bateria utilizada em um equipamento médico usado para reanimar pacientes com parada cardíaca, deve ter uma autonomia considerável, não pode falhar e tem de ser capaz de fornecer grandes correntes em pequenos intervalos de tempo. O mesmo se aplica aos equipamentos digitais.

Assim, os usuários de baterias têm que saber as características de cada tipo para que possam escolher a bateria que melhor se adapta para sua aplicação.

     Quando fazemos referência neste manual à capacidade e a corrente das baterias, usamos a letra “C”. Uma bateria sendo carregada com uma corrente de 1C significa que está sendo carregada com a corrente nominal. Uma bateria sendo descarregada com uma corrente de 0,5C significa que está sendo descarregada com metade corrente nominal.

     Assim, com esse manual, esperamos estar fornecendo aos nossos alunos as informações técnicas necessárias para que possam fazer a melhor escolha e usufruam melhor seus equipamentos.

Composição Química das Baterias – Vantagens e Desvantagens 

Vamos examinar as vantagens e limitações das baterias mais utilizadas hoje em dia.

NiCd – A bateria de níquel cádmio é a bateria com mais tempo de uso no mercado. Assim é uma tecnologia já desenvolvida e madura. Porém a sua densidade de energia não é muito grande. A bateria de NiCd é utilizada quando se quer longa vida, alta corrente de descarga e preço baixo. As principais aplicações são telefones sem fio, walkie-talkie, equipamentos médicos, câmeras de vídeo profissionais e ferramentas elétricas. As baterias NiCd contêm material tóxico e não podem ser descartadas no meio ambiente. Precisam ser recicladas. A S.T.A. tem capacidade de receber baterias NiCd em fim de vida útil e providenciar sua adequada reciclagem.

NiMH – A bateria de níquel metal hidreto tem uma alta densidade de energia se comparada com as baterias NiCd. Porém seu ciclo de vida é ligeiramente inferior ao das baterias NiCd. As aplicações principais dessas baterias são telefones celulares, câmeras digitais e notebooks.

Chumbo-Ácido – É a bateria mais econômica quando o problema do peso pode ser desprezado. É bastante usada em equipamentos hospitalares, cadeira de rodas elétricas, luz de emergência e no-breaks.

Lítio-Íon – É a tecnologia mais recente e está tendo um rápido crescimento. A bateria Li-íon é usada quando se deseja alta densidade de energia e peso leve. Essas baterias são mais caras que as outras e precisam ser utilizadas dentro de padrões rígidos de segurança. Aplicações incluem notebooks, telefones celulares.

Lítio-Íon Polímero – É uma versão mais barata da Lítio-Íon. Essa química é similar à de Lítio-Íon em termos de densidade de energia. Pode ser fabricada com uma geometria muito fina e permite uma embalagem simplificada. As aplicações principais são telefones celulares.

A tabela abaixo ilustra dados comparativos entre as baterias mais utilizadas.

·        OBS.:

1-A resistência interna de uma bateria varia com a capacidade da célula, tipo de proteção e numero de células. Os circuitos de proteção para Li-Íon e Li-Íon polímero adicionam 100 mili Ohms de resistência.

2-O ciclo de vida é baseado no fato que a bateria recebe o ciclo adequado de manutenção. A falha na aplicação de ciclos profundos de descarga pode reduzir a vida útil por três vezes.

3-O ciclo de vida útil é baseado na profundeza da descarga. Descargas curtas permitem ciclos de vida mais longos.

4-A descarga é maior imediatamente após a carga, A bateria NiCd descarrega aproximadamente 10% nas primeiras 24 horas e após descarrega 10% cada 30 dias. A autodescarga aumenta com a elevação da temperatura.

5-Circuitos internos de proteção tipicamente consomem 3% da energia armazenada por mês.

6-1,25V é a tensão de célula sem carga. 1,2V é a tensão mais comum

7-Capaz de altas correntes pulsadas

8-Aplicado apenas à descarga; a temperatura de carga é mais restrita.

9-A manutenção pode ser na forma de carga de equalização ou de pico.

10-Custo das baterias para aplicações portáteis.

11-Derivado do preço da bateria dividido pelo numero de ciclos. Não inclui o custo da eletricidade e dos carregadores.

Vantagens e Limitações das Baterias de Níquel Cádmio – NiCd 

São usadas comercialmente desde 1950.

As baterias de NiCd preferem carga rápida ao invés de carga lenta e carga pulsada ao invés de carga contínua. Todas as outras baterias preferem carga e descarga  moderadas.

De fato a bateria de NiCd é a única que tem uma ótima performance sob rigorosas condições de trabalho. A bateria de NiCd não gosta de ficar em carregadores por vários dias e ser usada somente ocasionalmente por períodos breves. Uma descarga completa é tão importante que, se omitida, poderão ser formados grandes cristais nas placas das células (é o chamado efeito memória) e a bateria irá gradualmente perder sua capacidade.

Entre as baterias recarregáveis, as de NiCd permanecem a escolha mais popular para aplicações tais como walkie-talkie, equipamentos de emergência médica, câmeras de vídeo profissionais e ferramentas elétricas.

Mais de 50% de todas as baterias recarregáveis para equipamentos portáteis são de NiCd. Entretanto a introdução de novas baterias com densidade de energia maior e metais menos tóxicos está causando a migração do NiCd para tecnologias mais recentes, principalmente NiMh e Li-íon. 

Vantagens 

Carga rápida e simples mesmo após armazenagem prolongada.

Alto número de ciclos de carga e descarga. Se mantida adequadamente, a bateria NiCd pode chegar a 1000 ciclos de carga e descarga.

Boa performance de carga. As baterias de NiCd permitem recargas em baixas temperaturas.

Longa vida na condição de armazenagem, em qualquer estado de carga.

Armazenagem e transporte simples. A maioria das empresas aéreas aceita as baterias NiCd sem condições especiais.

Bom desempenho em baixa temperatura.

Bom desempenho mesmo se sobrecarregada.

Preço baixo em comparação com outras baterias. A bateria NiCd é a que tem menor custo por ciclo.

Disponível em larga escala de tamanho e opções de desempenho. 

Limitações

Baixa densidade de energia, comparado com baterias mais modernas.

Efeito memória.

A NiCd contém metais tóxicos que não podem ser jogados no meio ambiente. Alguns países estão limitando o uso de baterias de NiCd.

Tem uma alta taxa de autodescarga precisando ser carregada periodicamente quando armazenada. 

Vantagens e Limitações das Baterias de Níquel Metal Hidreto – NiMH

O sucesso das baterias NiMH tem sido dirigido por sua alta densidade de energia e pelo uso de metais não tóxicos. As modernas baterias de NiMH oferecem até 100% a mais de densidade de energia em comparação com as baterias de NiCd.

Tanto as baterias NiCd como as baterias NiMH têm uma alta taxa de autodescarga.

A bateria de NiCd perde aproximadamente 10% de sua capacidade dentro das primeiras 24 horas, após o que a autodescarga é de 10% ao mês.

A autodescarga das baterias de NiMH é 1,5 a 2 vezes a autodescarga das baterias NiCd.

As baterias de NiMH têm substituído as baterias de NiCd nos mercados de comunicações sem fio e computação móvel. Em muitas partes do mundo o consumidor é encorajado a usar baterias NiMH ao invés de baterias NiCd. Isto se deve a preocupações ambientais com o descarte das baterias em fim de vida útil.

Inicialmente mais caras que as baterias NiCd, atualmente as baterias NiMH têm preço bem próximo ao das baterias NiCd.

Devido aos problemas ambientais, o consumo e a produção de baterias NiCd têm diminuído, o que provavelmente fará seu preço crescer.

Vantagens

50 a 100% maior capacidade que as baterias NiCd.

Menor efeito memória.

Armazenagem e transporte simples. – o transporte não está sujeito a condições especiais.

Não tóxica e não causa dano ao meio ambiente.

Limitações

Repetidos ciclos de carga e descarga profunda reduzem a vida útil da bateria. Seu desempenho se deteriora após 200 a 300 ciclos. Descargas parciais ao invés de descarga profunda são preferidas pelas baterias NiMH.

Corrente limitada de descarga. Embora as baterias NiMH possam fornecer altas correntes de descarga, repetidas descargas com altas correntes de carga podem reduzir a vida útil da bateria. Melhores resultados são conseguidos com correntes de descarga da 0,2 C a 0,5 C (20 a 50 % da corrente nominal).

Processo de carga mais complexo. As baterias NiMH geram mais calor durante o processo de carga e requerem um maior tempo de carga que a NiCd. Atualmente, com os carregadores de baterias inteligentes esse problema foi resolvido.

Alta taxa de autodescarga. As baterias de NiMH se autodescarregam em torno de 50 % mais rápido que as baterias NiCd.

O desempenho da bateria se deteriora se armazenada em elevadas temperaturas. As baterias NiMH devem ser armazenadas num local fresco e a um estado de carga de aproximadamente 40%.

Alta manutenção – as baterias requerem descargas completas regularmente, para evitar a formação de cristais.

São mais caras que as baterias NiCd. As baterias NiMH projetadas para alta corrente são ainda mais caras.

Vantagens e Limitações das Baterias Chumbo-Ácido 

Inventadas em 1859 pelo físico francês Gaston Planté, as baterias de chumbo-ácido foram as primeiras baterias para uso comercial. Atualmente as baterias de chumbo-ácido são usadas em automóveis, empilhadeiras e grandes sistemas de fornecimento de energia elétrica ininterrupta (no-breaks).

Durante a metade dos anos 70, os pesquisadores desenvolveram uma bateria chumbo-ácido livre de manutenção, que pode operar em qualquer posição. O eletrólito líquido foi transformado em separadores umedecidos e o invólucro foi selado. Válvulas de segurança foram adicionadas para permitir a liberação do gás durante a carga e descarga.

Direcionada a várias aplicações, duas designações dessas baterias emergiram. São elas: SLA (sealed lead acid – bateria selada chumbo-ácido), também conhecida com o nome comercial de Gelcell e as baterias VRLA (valve regulated lead acid – bateria chumbo-ácido regulada por válvula).

Tecnicamente ambas as baterias são as mesmas.

Não há uma definição clara de quando uma bateria deixa de ser SLA e passa a ser VLRA. Engenheiros podem argumentar que a palavra “bateria selada” é um engano já que nenhuma bateria pode ser totalmente selada. Em geral, todas são reguladas com válvulas.

A bateria SLA tem uma faixa típica de capacidade que vai de 0,2 Ah até 30 Ah.

Os usos típicos são no-breaks para computadores, pequenas unidades de iluminação de emergência, ventiladores para cuidar da saúde dos pacientes e cadeiras de rodas elétricas. Por causa do baixo custo e da pequena manutenção, as baterias seladas são a melhor escolha para instrumentos biomédicos e de cuidados com a saúde em hospitais e casas de repouso.

As baterias VRLA são usadas em aplicações estacionárias. Sua capacidade vai de 30 Ah até vários milhares de Ah e são encontradas em no-breaks de grande porte, para reserva de energia. Usos típicos são em repetidoras telefônicas, centros de distribuição de energia, hospitais, bancos aeroportos e instalações militares.

Ao contrário das baterias de chumbo-ácido com eletrólito líquido, ambas as baterias SLA e VRLA são projetadas para uma baixa sobre-tensão, de forma a evitar a formação de gases durante a carga. Carga em excesso pode causar aparecimento de gás e depleção de água. Conseqüentemente, as baterias SLA e VRLA não podem nunca ser recarregadas em todo seu potencial.

Entre as baterias recarregáveis modernas, a família das baterias de chumbo-ácido tem a menor densidade de energia. Como estamos nos focando em aplicações portáteis vamos tratar daqui para diante exclusivamente das baterias SLA.

As baterias SLA não estão sujeitas ao efeito memória. Deixar a bateria em carga flutuante por um período de tempo prolongado não causa nenhum dano. A retenção de carga é a melhor entre todas as baterias recarregáveis. Enquanto que as baterias NiCd se autodescarregam aproximadamente 40 % da sua energia armazenada em três meses, a bateria SLA se autodescarrega na mesma quantidade no período de 01 ano. A bateria SLA é relativamente barata de se comprar, mas os custos operacionais podem ser maiores que os das baterias NiCd se ciclos a plena carga forem exigidos repetitivamente.

As baterias SLA devem sempre ser armazenadas carregadas. Deixar a bateria descarregada causa sulfação, uma condição que torna difícil, se não impossível, de se recarregar as baterias.

Diferente das baterias de NiCd, as baterias SLA não gostam de ciclos profundos. Uma descarga completa causa uma tensão extra e cada ciclo de carga/descarga rouba uma pequena quantidade da capacidade da bateria. Essa perda é muito pequena enquanto a bateria está em boa condição de operação, mas se torna mais aguda uma vez que a performance cai abaixo de 80% da sua capacidade nominal. Esta característica de redução também se aplica para outras químicas de baterias em graus variantes. Para prevenir a bateria de estar “estressada” através de descarga profunda repetitiva, uma bateria maior de SLA é recomendada.

Dependendo da profundidade de descarga e temperatura de operação, a SLA fornece 200 a 300 ciclos de carga/descarga. A primeira razão para seu ciclo de vida relativamente curto é corrosão da grade do eletrodo positivo, depleção do material ativo e expansão das placas positivas. Essas mudanças são predominantes em temperaturas de operação mais altas. Aplicar ciclos de carga/descarga não previnem ou invertem essa tendência.

Existem alguns métodos que melhoram a performance e prolongam a vida da SLA. A temperatura de operação otimizada para uma bateria VRLA é de 25°C (77°F). Em geral, cada 8°C (15°F) de aumento de temperatura irá cortar a vida da bateria pela metade. VRLA que deveria durar 10 anos a 25°C estaria boa para apenas 5 anos se operada a 33°C (95°F). A mesma bateria agüentaria pouco mais de um ano a uma temperatura de 42°C (107°F).

   A SLA tem uma densidade de energia relativamente baixa comparada com outras baterias recarregáveis, tornando-a inadequada para dispositivos de mão que exigem um tamanho compacto. Além disso, a performance em baixas temperaturas é amplamente reduzida.

A SLA é taxada em 0,2 C ou 5 horas de descarga. Algumas baterias são até taxadas a uma baixa descarga de 20 horas. Tempos de descarga maiores produzem leituras de capacidade maiores. A SLA funciona bem em altos pulsos de corrente.

   Em termos de descarte, a SLA é menos prejudicial do que a bateria de NiCd mas o alto conteúdo de carga torna a SLA inimiga do ambiente. 90% das baterias de chumbo-ácido estão sendo recicladas.

Vantagens e Limitações das Baterias de Lítio-Íon 

O Lítio é o mais leve de todos os metais usados em baterias, tem o maior potencial eletroquímico e fornece a maior densidade de energia por peso. Baterias recarregáveis que usam anodos de metal de lítio (eletrodos negativos) são capazes de fornecer tanto alta tensão quanto excelente capacidade, resultando em uma extraordinária densidade de energia alta.

   Depois de muita pesquisa em baterias recarregáveis de lítio durante os anos 80, foi descoberto que o ciclo de carga/descarga causa mudanças no eletrodo de lítio. Essas transformações reduzem a estabilidade térmica, causando potenciais condições de fuga térmica. Quando isso ocorre, a temperatura da célula rapidamente se aproxima do ponto de derretimento de lítio, resultando em uma violenta reação chamada “abertura com chama”. Uma grande quantidade de baterias de lítio recarregáveis enviadas ao Japão teve que regressar em 1991 depois de uma bateria em um telefone celular liberar gases inflamáveis e causar danos no rosto da pessoa.

Por causa da instabilidade inerente do metal de lítio, especialmente durante o carregamento, pesquisas conduziram para uma bateria de lítio não-metálica que usa íons de lítio. Embora superficialmente menor em densidade de energia do que a de metal de lítio, a de Lítio-Íon é segura, tomadas certas precauções quando carregando e descarregando. Em 1991 a SONY comercializou a primeira bateria de Lítio-Íon. Outros fabricantes também se adaptaram à tecnologia. Hoje, a Lítio-Íon é a bateria que mais está crescendo e é a química de bateria mais promissora.

   A densidade de energia da bateria de Lítio-Íon é tipicamente o dobro das de NiCd padrão. Melhorias nos materiais de eletrodo ativo têm o potencial de aumentar a densidade de energia perto de três vezes em relação às de NiCd. Além da alta capacidade, as características de carga são razoavelmente boas e se comportam como as de NiCd em termos de características de descarga (forma similar do perfil de descarga, mas de tensão diferente). A curva de descarga plana oferece utilização eficiente da energia armazenada em um espectro de tensão desejável.

A Lítio-Íon é uma bateria de baixa manutenção, uma vantagem que a maioria das outras químicas não têm. Não existe memória e nenhum ciclo programado é exigido para prolongar a vida da bateria. Além disso, a auto-descarga é menor que a metade comparado com as de NiCd e NiMH.

A alta tensão da célula de Lítio-Íon permite a fabricação de conjuntos de baterias que consistem em apenas uma célula. Muitos dos telefones móveis de hoje funcionam com uma célula simples, uma vantagem que simplifica o projeto da bateria. As tensões de alimentação de aplicações eletrônicas têm caído, o que requer poucas células por conjunto de baterias. Para manter a mesma energia, contudo, são necessárias maiores correntes. Isto enfatiza a importância de uma resistência muito baixa da célula para permitir irrestrito fluxo de corrente.

   Células de Lítio-Íon causam menos dano quando descartadas do que as de Chumbo-Ácido ou baterias à base de Cádmio. Entre a família de Lítio-Íon, o manganês é o mais amigável em termos de descarte.

   Apesar de suas vantagens totais, as de Lítio-Íon também têm as suas inconveniências. Ela é frágil e requer um circuito de proteção para manter uma operação segura. Embutido dentro de cada conjunto, o circuito de proteção limita a tensão de pico de cada célula durante a carga e previne que a tensão da célula caia muito durante a descarga.

Além disso, a máxima corrente de carga e descarga é limitada e a temperatura da célula é monitorada para prevenir temperaturas extremas.

   Envelhecimento é uma preocupação com a maioria das baterias. Por razões desconhecidas, fabricantes de baterias são silenciosos sobre essa questão. Alguma deterioração da capacidade é perceptível após 1 ano, se a bateria estiver em uso ou não. Acima de 2 ou talvez 3 anos, a bateria freqüentemente falha. Deve-se mencionar que outras químicas também têm efeitos degenerativos relacionados à idade. Isso é especialmente verdadeiro para as baterias de NiMH se expostas a altas temperaturas ambientes.

   Armazenar a bateria em um lugar fresco desacelera o processo de envelhecimento da bateria de Lítio-Íon (e outras químicas). Fornecedores recomendam armazenar a 15°C (59°F). Além disso, a bateria apenas deve ser parcialmente carregada quando armazenada.

   Armazenamento prolongado não é recomendado para baterias de Lítio-Íon. O comprador deve estar ciente da data de