Baterias Recarregáveis

Mesmo entre técnicos com muita experiência, a evolução das baterias e os seus processos de carga levam a que cometam alguns erros de interpretação e utilização. Esta confusão e mal entendidos é ainda mais relevante por parte do utilizador que não tem conhecimentos técnicos levando à existência de inúmeros boatos, mal entendidos e, mais grave, má utilização tanto em carga como na utilização.

Há cinquenta anos, o tema das baterias recarregáveis não tinha a importância que tem hoje. Eram usadas principalmente em carros para o motor de arranque elétrico iniciar o motor de combustão. Mas, com exceção da utilização nos veículos automóveis, raros eram os casos da utilização de baterias recarregáveis no dia-a-dia. As lanternas e rádios portáteis eram os principais dispositivos elétricos portáteis na época, eram usados maioritariamente com pilhas de carvão-zinco e posteriormente com as pilhas alcalinas à base de dióxido de manganês. A década de 80 trouxe o aumento da utilização de pilhas NiCd recarregáveis especialmente com o tamanho AA (14,5x50,5mm). Apesar da tensão nominal ser ligeiramente inferior são fáceis de usar substituindo as anteriores células descartáveis possibilitando uma economia de utilização. Os anos 90 trouxeram um novo tipo de bateria química recarregável com células de níquel-hidreto metálico (NiMH). Em 2017 as NiCd forma banidas do mercado Europeu. Os aparelhos eletrónicos foram, com a "miniaturização", ficando cada vez mais pequenos e portáteis necessitando de energia. A necessidade de energia cada vez mais "portátil" inicia-se com a popularização do Walkman da Sony(o "MP3" da década 80 funcionando com cassetes de áudio) e posteriormente com aparecimento do telefone móvel(celular, telemóvel, smartphone), do computador portátil e, nos dias de hoje, carros, motos e bicicletas já dependem da energia das baterias para o funcionamento normal e não só no arranque como "antigamente".

Tipo de bateria recarregável

A palavra "bateria" chega até nós através de uma palavra francesa que significa "alinhamento de armas de artilharia", ao qual Benjamin Franklin comparou com a disposição experimental de potes de Leyden. Então, estritamente falando, uma "bateria" compreende mais de uma célula, mas esta a distinção é raramente feita no uso diário. O termo em inglês "battery" abrange tipos recarregáveis e não recarregáveis, a denominação mais precisa de "célula primária", "célula secundária" e "acumulador" deixaram de ter uso comum. Em português continua-se a fazer a distinção usando o termo "pilha" que inicialmente designaria apenas uma célula, neste momento, não se distinguem bem os termos "bateria" e "pilha".

Bateria Chumbo

Com mais de 150 anos, a bateria de chumbo-ácido é a mais antiga recarregável que ainda hoje se encontra em uso. As células têm, normalmente, um valor nominal de tensão de 2 V, têm sido utilizados em automóveis desde 1900. Nesse ano, o célebre Lohner-Porsche Semper Vivus revela o primeiro carro híbrido. Era usada também nas delegações telefone e telégrafo nos primeiros anos do século XX. A bateria de chumbo-ácido ainda é difícil de bater em termos de preço e robustez, e assim, apesar de seu peso elevado e outras desvantagens ainda é usada para, por exemplo, o motor de arranque nos motores de combustão. Existem dois tipos as que usam "eletrólito estabilizado" (eletrólito gelatinoso) e as de "eletrólito líquido" (normalmente água destilada com ácido sulfúrico)

bateria de chumbo

Bateria NiCd

A bateria de NiCd tem 100 anos. Na década de 1980, as pequenas células de NiCd, eram as mais populares pilhas recarregáveis para pequenos dispositivos eletrônicos. Apesar de sua tensão nominal de apenas 1,2 V a sua capacidade para fornecer grandes correntes faz desta a bateria de escolha para ferramentas sem fios e modelos controlados por rádio. Tem uma enorme desvantagem ambiental uma vez que o cádmio é altamente tóxico. Uma outra característica negativa é o seu efeito de memória.

bateria NiCd recarregável

Bateria NiMH

As baterias NiMH de baixo custo vieram substituir as baterias NiCd em dispositivos de consumo, tendo sido primeiro usadas em escala industrial há 35 anos. Debitando a mesma tensão nominal de 1,2 V eram um substituto ideal para as NiCd. Com a grande vantagem de não serem tóxicas para o ambiente, de não terem o efeito de memória, de terem uma densidade de energia razoável, uma baixa auto-descarga para além de relativamente económicas. Têm como desvantagem a carga.

bateria NiMH recarregável

Bateria RAM

A bateria alcalina recarregável de manganês é das mais recentes a ser comercializada, as células têm uma tensão nominal de 1,5 V e, assim, são ideais como substitutos diretos para zinco-carbono ou manganês alcalino(pilhas secas não recarregáveis). No entanto, são apenas adequadas para uso com baixa corrente de descarga, não deve sob nenhuma circunstâncias ser sujeito a profunda descarga, e exigem um carregador especial: não compatível com carregadores de NiCd ou NiMH.

bateria RAM recarregável

Bateria de Lítio (Li-Ion)

bateria lítio recarregável — Bateria Li-Ion

A tecnologia mais recente(2018) de baterias recarregáveis é baseada no elemento lítio(Li). É possível construir baterias leves com índices de energia de muito alta densidade, fatores importantes para aplicações móveis, como smartphones, laptops, tablets e em veículos elétricos. O lítio tornou-se o principal elemento nas bateriais, existem diversas composições de elementos:

LFP(LiFePO₄): Fosfato de lítio ferro
LCO(LiCoO₂): Óxido de lítio cobalto
LMO(LiMn₂O₄): Óxido de lítio manganês
LTO(Li₄Ti₅O₁₂): Titanato de lítio
NMC(LiNiMnCoO₂): Óxido de lítio níquel manganês cobalto
NCA(LiNiCoAlO₂): Óxido de lítio níquel cobalto alumínio

Características das pilhas/baterias LI-Ion

Tipo de bateria	LCO	LMO	NMC	LFP	NCA	LTO
Tensão Nominal (V)	3,6	3,7	3,6	3,2	3,6	2,4
Tensão Mínima (V)	2,5	2,5	2,5	2	2,5	1,5
Tensão Mínima de Carga (V)	3	3	3	2,5	3	1,8
Tensão Máxima de Carga (V)	4,2	4,2	4,2	3,65	4,2	2,85
Energia (Wh/Kg)	175	125	185	105	230	75
Taxa de Carga Padrão (Taxa C)	1	1	1	1	1	1
Taxa de Descarga Máx (Taxa C)	1	10	2	25	1	10
Tempo de Carga Rápida (Hora)	3	3	3	3	3	3
Número de Ciclos (Médio)	700	500	1500	1500	500	5000

Os três tipos mais usados:

LiPo (polímero de lítio): Tem um polímero sólido(ex:óxido de lítio) que retém no seu interior os eletrólitos de sais de lítio em vez de solventes tornando este tipo de célula facilmente adaptável a diferentes formatos permitindo, por isso, altas taxas de descarga.
Tensão nominal: 3.7 V ;
LiCoO₂ (lítio cobalto): Este tipo de célula está a tornar-se cada vez mais popular em lanternas, luzes de jardins solares, iluminação automática etc etc. A bateria tem um cátodo de óxido de cobalto e um ânodo de carbono grafite. O cátodo tem uma estrutura em camadas e durante a descarga, os íões(ions) de lítio passam do ânodo para o cátodo. A desvantagem do Li-cobalto é um tempo de vida relativamente curto, baixa estabilidade térmica e capacidade de carga limitada (potência específica).
Tensão nominal: 3.7 V :
LiFePO₄ (fosfato de lítio ferro):Li-fosfato oferece bom desempenho eletroquímico com baixa resistência. Isso é possível com material no cátodo em escala nano métrica. Os principais benefícios são a alta corrente e o longo ciclo de vida, além de boa estabilidade térmica, maior segurança e tolerância se usada fora dos parâmetros. Assim, é mais tolerante a cargas completas que a maior parte das células químicas recarregáveis.
Tensão nominal: 3.2 V .

Em função do material utilizado temos as seguintes características de funcionamento

Tipo	Tensão Nom.	Ciclos Carga	Energia	Uso
LiCoO₂	3.6 V	500 a 1000	180 Wh/kg	Débito elevado de corrente
LiPo	3.7 V	300 a 500	150 Wh/kg	Smartphones
LiFePO₄	3.2 V	1000 a 5000	100 Wh/kg	Motores, corrente elevada
NiCd	1.2 V	600 a 1500	50 Wh/kg	Uso geral, corrente elevada
NiMH	1.2 V	300 a 600	75 Wh/kg	Uso geral
Chumbo	2.0 V	300 a 500	35 Wh/kg	Luzes de emergência, UPS, arranque auto
RAM	1.5 V	50 a 500	50 Wh/kg	Uso geral, baixa corrente

Baterias recarregáveis.

Carga e utilização

É muito importante seguir os parâmetros de utilização do fabricante do funcionamento da bateria, são especialmente importantes a corrente máxima de descarga e a carga máxima permitida. No entanto, para cada tipo de bateria, podem ser usadas e melhorados diversos tipos de procedimentos de carga. Os mais importantes são a capacidade de suportar uma descarga total e sobrecarga, a limitação da corrente de carga e os procedimentos específicos para cada tipo de célula. É muito útil ter-se a noção da taxa de auto-descarga e efeito de memória.

Carregadores de baterias

A carga da bateria vai limitar a sua vida útil mas também o tempo de utilização.

Carga Baterias chumbo

cv/vv corrente e tensão constante — Fig1. CC/CV
Corrente e Tensão Constante

No caso das baterias seladas "livres de manutenção" é importante garantir que não entram em sobrecarga, senão, pode existir uma perda de eletrólito e consequentemente a uma diminuição da vida útil e capacidade. Nas baterias não seladas como as usadas nos empilhadores(empilhadeiras), a perda de eletrólito pode facilmente ser resolvido reenchendo as baterias com água destilada que era um procedimento comum antes das baterias seladas. Tal como em outros tipos de acumuladores, não deve ser sujeita a descarga máxima, as células não devem ter menos de 1,75V. É relevante a taxa de descarga que se situa por volta dos 2% por mês ou mais. A carga normal deve ser iniciada com corrente constante até a célula atingir os 2,35V e, ao tingir este valor, comutar para tensão constante. Exceto se existir indicação em contrário, a carga deve ser feita com 0,1C (10% da taxa Ah/h do acumulador). A corrente limite após a carga é de 0,01C. Por exemplo, numa carga típica de uma bateria de arranque normal com 60Ah, a carga deve ser iniciada com 6A (60/10) até atingir os 2,35x6=14,1V e, depois, uma tensão constante até a carga atingir 0,6A. A carga com uma tensão constante com esta corrente não cria qualquer problema à bateria.

Carga NiCd

carga bateria processo delta-v — Carga Bateria Delta-V

Carregadores para células NiCd existem há muito tempo tempo, carregam a bateria com uma corrente constante baixa. É comum encontrar células tamanho AA 1-Ah em aparelhos desde aspiradores de pó manuais a carregadores plug-in. Inicialmente consome 0.1 C, caindo progressivamente 50 mA. A química da NiCd pode suportar esta sobrecarga por bastante tempo, mas eventualmente as células ficam danificadas. Por esta razão, e para melhorar o tempo de carregamento, é usada uma técnica de carregamento conhecida como "delta-V". "Delta-V" explora o fato de que a bateria totalmente carregada irá transformar o excesso de carregamento de energia em calor, e consequentemente, o aumento na temperatura da célula leva a uma pequena queda na sua tensão. Este processo, simplesmente tem que detetar o ponto em que a tensão começa a cair. Este tipo de carregador também é capaz de carregamento rápido. Uma corrente de carga de 0,5 C ou superior pode ser facilmente usado com células projetadas para o suportar. Note também que as células NiCd não gostam de ser descarregadas na totalidade e deve ser recarregadas quando sua tensão terminal atinge 0,9 V. Um aspeto particular da química de NiCd é o efeito de memória mencionado acima. Se uma célula NiCd é repetidamente parcialmente descarregada e depois completamente recarregada, começa a notar que apenas uma fração de sua capacidade está sendo usada e então sua capacidade máxima utilizável começa a cair. É o resultado da formação de micro cristais de cádmio. É possível reverter esse processo descarregando repetidamente a célula abaixo de 0,9 V. Os melhores carregadores controlados por microprocessador levam isso conta antes de iniciar cada ciclo de carregamento descarregando completamente a célula.

Carga NiMH

O processo descrito acima para baterias de NiCd é semelhante para a de NiMH. As células NiMH também podem ser carregadas usando o método delta-V, embora com a tensão de queda menos significativa, especialmente em correntes de carga mais baixas. Por esta razão, são usadas correntes de carga mais altas, e isso funciona bem porque a resistência interna da bateria NiMH é menor e, portanto, pode ser efetuado mais rapidamente: até 1 C é possível. Mas para uma utilização segura, os carregadores rápidos também têm monitorização de temperatura, caso a queda na tensão não seja detetada. Como as baterias NiMH não sofrem com o efeito de memória, há não há necessidade de iniciar cada ciclo de carga com uma fase de descarga.

Carga Lítio

Todos os três tipos de bateria de lítio referidos anteriormente são geralmente carregadas usando uma técnica de CC/CV como o método usado com baterias de chumbo-ácido. Em comparação com a Fig. 1 a única coisa que muda é a escala de tensão; e, por causa da baixa auto-descarga de menos de 1% / mês de perda de carga, não é necessária no final do ciclo uma descarga completa. Dependendo da utilização das células a corrente de carga pode ser muito maior do que é possível com outras pilhas químicas. Por exemplo, os carros Tesla, têm a capacidade de carregar até 80% da capacidade em 20 minutos, o que corresponde a um corrente de 2,7 C.
Por outro lado, a fase final de tensão constante dura mais tempo, e leva 40 minutos ou mais para atingir a carga completa. O carregador USB mostrado na Fig. 2 carrega seu tamanho 18650(18x65mm) 2,4 Ah bateria a 0,5 A ou 0,2 C. Há que ter algum cuidado, se uma bateria estiver completamente descarregada deve ser recarregada inicialmente a 0,5 C ou menos até que sua tensão atinge um certo limite. O efeito de memória e outros características indesejáveis não afetam as células de lítio. O único cuidado a ter é de não descarregar completamente a bateria. Algumas baterias LiCoO₂ com dimensão 18650, têm um circuito integrado que protege a bateria de descargas completas, excesso de carga e curto circuito.

Carga RAM

Os carregadores para estas baterias usam uma técnica especial. Começam com uma corrente de carga relativamente baixa (na região de 0,1 C). A corrente é interrompida periodicamente por alguns milissegundos e durante este tempo a tensão da célula é medida. Se a tensão excede 1,73 V, de seguida, o carregamento para e não é retomada até que a tensão fique abaixo de 1,69 V. É muito importante que as células não sejam sobrecarregados e, em particular, que são estejam sujeitas a descargas completas.
O limite de descarga é 1,42 V.

Carregadores pela porta USB

É cada vez mais comum a carga de baterias de lítio pelo carregador USB(5V). Um dos principais problemas é a limitação de corrente da porta USB, ou seja, não deve ser solicitado mais de 500mA. Um circuito adequado para a carga deve usar alguns componentes suplementares.

esquema de carregado bateria lítio

Observações

Desde o aparecimento dos microcontroladores tem sido fácil implementar estratégias complexas de carga. A informação dada neste artigo é um princípio para permitir que se desenvolva um circuito de carga para qualquer um dos tipos de pilhas/baterias.