As baterias fazem parte do nosso dia-a-dia, afinal, sem elas dependeríamos de muitos fios - ou seja, o celular seria algo 'menos portátil' - ou até de manivelas - como ocorria lá do início da era do automóvel.
Neste artigo vamos fazer a introdução ao funcionamento dos acumuladores eletroquímicos, mostrando como este processo é mais comum ao nosso redor do que imaginamos...
Primeiro, vamos voltar um pouco no passado e ter uma noção das origens dos acumuladores de energia...
Complemento 1 - Um resumão da história das baterias!
Complemento 2 - Um resumão da história das baterias!
Apesar do Lítio ser "o novo Petróleo", baterias com tecnologias mais rudimentares ainda são comuns no mercado, e é nelas que precisamos focar para entender não apenas as formas de armazenamento de energia mais modernas, mas também o processo de corrosão dos metais!
Complemento 3 - O funcionamento de uma pilha é análogo ao processo de corrosão dos metais
Você já parou pra pensar que o processo de "carga" de uma bateria é análogo ao processo de eletrólise?
Complemento 4 - Existe um parentesco entre as células de combustível e as baterias!
Pegamos como exemplo uma célula de LiFePO4 (Fosfato de Ferro e Lítio). O processo de 'carga' é uma eletrólise...
Diagrama 1 - Por dentro de uma célula de Lítio
Ao separarmos o Hidrogênio e o Oxigênio que compõem a água utilizando eletricidade, podemos notar que há uma recombinação posterior, gerando uma corrente elétrica no processo. Se pegarmos uma bateria de Chumbo-Ácido, veremos que um processo de 'carga' pode gerar a separação do H2O, que representa a maior parte do eletrólito. Você verá mais sobre isso ao longo deste texto.
Imagem 1 - Processo experimental de eletrólise da água com eletrodo positivo (ânodo, ligado ao fio amarelo) de Aço-Carbono galvanizado com Zinco bastante danificado pela oxidação
Mas repare que eu escrevi 'carga' com aspas algumas vezes, e assim farei ao longo de todo este texto. Dizemos vulgarmente "coloquei o celular pra carregar", mas as cargas já estão ali, apenas as reorganizamos, isto é, como na eletrólise da água, separamos o Hidrogênio do Oxigênio para que se faça a posterior recombinação e 'descarga' da energia elétrica, que utilizaremos para alimentar um circuito. Apenas fazemos e desfazemos reações químicas ao colocar uma bateria pra 'carregar', armazenando energia para uso posterior.
O armazenamento de energia também não se refere ao "acumulo de muitos elétrons" numa pilha, isto pois os elétrons são apenas a forma com que a energia elétrica se propaga. Para saber mais sobre a Força Eletromagnética, CLIQUE AQUI! e entenda um pouco sobre as forças fundamentais e também física do movimento!
Qual a diferença de pilha, bateria e pack?
Uma pilha ou célula galvânica é exatamente o que explicamos até aqui. Uma pequena célula capaz de acumular energia elétrica por meio de reações químicas de oxirredução (em que há transferência de elétrons). Estas reações químicas podem ser reversíveis (bateria recarregável, também chamada de "secundária") ou irreversíveis (bateria não-recarregável, também chamada de "primária").
CURIOSIDADE: Célula Galvânica? O médico, físico e filósofo Luigi Galvani, com a publicação dos resultados das experiências em sua obra intitulada "Comentários Sobre A Força Elétrica Nos Movimentos Musculares", divulgada em 1791, incentiva Alessandro Volta, o italiano químico, físico e professor da Universidade de Pavia, a pesquisar tal fenômeno levando-o à construção da chamada Pilha de Volta. A descoberta de Galvani e a construção da Pilha Voltaica marcaram a evolução dos estudos sobre eletricidade, popularizando o termo "pilha galvânica".
Quando fazemos associações de pilhas em série, paralelo ou de forma mista para se obter uma capacidade de acúmulo de energia maior, formamos uma bateria.
Quando precisamos de uma capacidade de armazenamento demasiada grande - como ocorre em carros elétricos - é necessário associar baterias em série, paralelo ou de forma mista, formando um pack.
Um exemplo super comum e rudimentar do uso de um pack de baterias é em caminhões.
Imagem 2 - Compartimento de baterias em um Volvo FH. Perceba que há um interruptor vermelho ali também. Se trata de uma chave geral, presente em todos os caminhões
A grande maioria possui duas baterias Pb-Ácido associadas em série, e que juntas entregam 24 Volts.
Cada bateria destas possui seis compartimentos, ou seja, seis pilhas capazes de fornecer 2 Volts cada, e todas ligadas em série...
Diagrama 2 - Pilhas / baterias de um caminhão
Outro exemplo são os veículos híbridos, que portam um pack de alta tensão para o propulsor elétrico, como é o caso do Toyota Prius:
Imagem 3 - Este pack entrega 201,6 Volts para o sistema elétrico de alta tensão
São 28 baterias agrupadas em 14 blocos identificados pelo módulo BMS. Tudo é ligado em série. Você verá mais detalhes sobre as especificações destas baterias ao longo deste texto. Este sistema da Toyota foi desenvolvido em parceria com a Panasonic e até hoje versões atualizadas são aplicadas em veículos da marca.
Os formatos
Existem três fomatos principais de pilhas. São eles:
Imagem 4 - os três tipos mais comuns de pilhas
Existem outros formatos, como o caso da pilha botão (ou "bateria de célula única"), cujos exemplos comerciais mais comuns são as CR2016, CR2032 e LR44/AG13.
Imagem 5 - Baterias de célula única do tipo "botão"
Há ainda baterias onde não podemos separar as pilhas individualmente, como ocorre com os acumuladores Chumbo-Ácido, cujo invólucro é uma caixa plástica (em geral, polipropileno) comumente encontrada com seis compartimentos retangulares (prismáticos):
Imagem 6 - Bateria automotiva composta por seis pilhas de 2 Volts cada. Créditos: Manual do Mundo
Ou então as baterias PP3, que quando não constituídas por seis pilhas cilíndricas individuais trazem em seu interior células em formato prismático empilhadas e empacotadas com plástico.
Imagem 7 - Bateria 9V (PP3) com seis pilhas ácidas Zn-Mn prismáticas empilhadas e plastificadas
Os formatos 'bolsa' se popularizaram graças à arquitetura de Lítio-Polímero (LiPO), que permite o empilhamento de muitos eletrodos positivos e negativos separados por lâminas de plástico poroso ultra finas embebidas em solução eletrólita alcalina, dando bastante flexibilidade ao projeto.
E dentro de uma pilha, o que há?
Em pilhas com formato prismático, tal como num capacitor de cerãmica SMD há um 'sanduíche' de eletrodos positivos e negativos, em geral todos associados em série e intercalados por um separador (dielétrico), para que não haja curto-circuito.
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Na imagem acima note os vários eletrodos ("Inner Electrodes") intercalados com camadas de dielétrico.
Aqui, diferente dos capacitores - que se baseiam nos princípios da eletrostática -, as células galvânicas são fundamentadas na eletroquímica, portanto, o dielétrico é, literalmente, apenas um separador "anti-curto-circuito", pois há um preenchimento com elétrólito, que pode ser líquido, gelatinoso ou até mesmo sólido - como ocorre nas pilhas de LiPO.
Já nos formatos cilindricos há uma espécie de "copo" metálico fazendo o papel de um dos eletrodos. Dentro deste "copo" é adicionado o separador dielétrico embebido em eletrólito e o material que compõe o outro eletrodo. Nestes sistemas pode existir um coletor de corrente para um dos terminais externos. Você entenderá os dois tipos de uma maneira melhor quando ver os exemplos práticos!
Numa pilha o polo positivo é o cátodo, sofre redução por ganhar elétrons e é o agente oxidante. Já o polo negativo é o ânodo, sofre oxidação pois perde elétrons e é o agente redutor. Lembre-se que a corrente flui de onde há excesso de elétrons (ânodo) para onde falta elétrons (cátodo).
Um detalhe importante é que o polo negativo de uma pilha comumente é um composto metálico, enquanto o polo positivo é um composto Óxido. O ânodo e o cátodo também podem ser feitos de materiais diferentes. Você verá que tudo depende da reatividade do material (um elemento mais reativo pode ser melhor agente redutor).
Gráfico 1 - Metais nobres são mais resistentes à oxidação
Observe que o Hidrogênio não é um metal, mas ele foi incluído na fila de reatividade pois aparece em determinadas substâncias (como os ácidos) e é capaz de formar o cátion Hidrônio (H3O+), ou simplesmente o cátion Hidrogênio (H+), que, por sua vez, pode receber elétrons, formando gás e água. Com o Hidrogênio incluído na fila de reatividade é possível determinar a reatividade dos metais em soluções em que há íons H.
No entanto, os metais nobres, aqueles que estão situados à direita do Hidrogênio na fila de reatividade (Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au), não reagem de maneira espontânea ao serem colocados em contato com soluções ácidas.
CURIOSIDADE: O uso de Ouro para a proteção de ligas metálicas condutoras usadas na eletrônica é devido a ele ter uma grande resistência à oxidação. Apesar do Alumínio, Zinco e Cromo serem mais reativos que o Ferro, a oxidação superfícial e impermeável destes metais os protege de uma corrosão profunda, diferente da ligas de aço, onde a camada de óxido é muito frágil e não impede que as condições ambientais o ataquem profundamente.
O tal do eletrólito
Também chamado de ponte salina, tem a finalidade de manter o cátodo e ânodo eletricamente equilibrados através da migração de íons.
O que seria uma corrente ionica? Para saber mais sobre íons, CLIQUE AQUI! e conheça o funcionamento da TV de Plasma!
A idéia por trás do eletrólito das baterias é usar um 'meio', isto é, um solvente (que pode ser líquido, pastoso, gelatinoso ou sólido) onde o condutor ionico irá operar.
Imagem 8 - Eletrólise da água num pote de sorvete usando eletrodos de Aço-Carbono galvanizados com Zinco. Neste caso, o condutor iônico é o Cloreto de Sódio (sal de cozinha)
Na imagem acima, vemos a corrosão dos eletrodos positivos (ânodos) e a redução dos eletrodos negativos (cátodos), exatamente o oposto das pilhas. Como no processo de eletrólise experimental usei chapas de Aço-Carbono zincadas, o revestimento de sacrifício e parte do Ferro acabou indo para o cátodo, além de se formar um pouco de Óxido de Ferro na água.
O eletrólito pode ser um Ácido ou uma Base (alcalino, mas também pode ser referido como alcalis), isto é, duas funções inorgânicas, cujo equilíbrio entre elas forma substâncias neutras ou próximas da neutralidade, como por exemplo a água mineral.
Podemos identificar acidez ou alcalinidade do eletrólito através de seu pH (potencial de Hidrogênio), baseado na concentração de íons hidrônio (H3O+). A escala de pH vai de 0 (Ácido) ao 14 (Alcalino), sendo o 7 um valor que representa a neutralidade.
Gráfico 2 - Os eletrólitos de pilhas e baterias costumam estar nos extremos da escala de pH
OBSERVAÇÃO: A escala de cor associada ao pH nada tem a ver com a cor dos compostos químicos! O Ácido sulfúrico (pH 1) é tão transparente quanto a água desmineralizada (pH 7). O café é preto (pH em torno de 5,5) tal como a Coca Cola (pH em torno de 2,5), enquanto a Soda cáustica é branca (pH em torno de 14). Apenas alguns indicadores de pH, tal como o Azul de Bromotimol conseguem equivaler o pH de uma susbtância com a respectiva cor da escala de acordo a acidez ou alcalinidade.
-> Soluções ácidas possuem excesso de íons hidrônio e pH menor do que 7.
-> Soluções básicas possuem excesso de íons hidroxila (OH-) e valores de pH superiores à 7.
-> Soluções consideradas neutras têm igual concentração de íons H3O+ e íons OH-, e sua medida de pH é exatamente 7.
A água desmineralizada possui o pH em torno de 7.0 até 7.5, ou seja, se trata de um Óxido de Hidrogênio demasiado puro, sem sais minerais e outros aditivos, tal qual Cloro e Flúor (que formam um condutor iônico diminuindo a resistência elétrica do meio). Já a água mineral possui um pH entre 7,5 e 9,5, sendo um tanto alcalina, enquanto a água hidrogenada tem um pH comumente entre 7 e 7,5, bastante diferente da água oxigenada (H2O2), cujo pH fica entre 1 e 3.
Ao invés de tomates - cujo pH está entre 4 e 4,4 - eu poderia criar uma pilha mais ácida ainda utilizando limóes, pois eles tem pH entre 2,5 e 3! Também poderia utilizar soda cáustica com água como eletrólito para criar uma pilha alcalina, pois o pH é em torno de 14. Ou então fazer pilhas com batatas, cujo pH é em torno de 5.
CURIOSIDADE: Mas qual o motivo de não se usar água mineral em baterias Pb-Ácido?
Os minerais e outros contaminates poderiam se juntar à reação deteriorando o corpo dos eletrodos. Para se ter um "controle do desgaste" e um nível de acidez específico para o funcionamento do dispositivo faz-se justamente a adição do Ácido Sulfúrico (também denominado Ácido de Enxofre), trazendo o pH da água para próximo de 0.
Já nas baterias de Níquel-Cádmio, por exemplo, que portam um solvente com pH neutro misturado com um espessante (também não condutor) é diluído o Hidróxido de Potássio, uma substância alcalina, deixando o pH em torno de 13 ~ 14.
Observe a imagem:
Imagem 9 - Perceba que o rótulo apenas deixa claro o solvente do eletrólito
Na imagem acima vemos a embalagem da CR2032 da Duracell, não deixando claro a composição química do eletrólito. Pois bem, se trata de uma bateria de Lítio-Manganês com Hidróxido de Potássio (alcalino) misturado num solvente à base de Dimetoxietano (composto orgânico também conhecido como glima, monoglima, dimetil glicol, éter dimetílico de etileno glicol, dimetil celosolve ou DME). Em muitos casos pode ser adicionado também Carbonato de Propileno (outro composto orgânico derivado do Propileno glicol).
CURIOSIDADE: É por este motivo que não devemos usar água mineral no sistema de arrefecimento dos automóveis. Para além do desgaste das paredes e galerias provocados por cavitação e atrito do líquido, a perda de material e geração de compostos químicos metálicos (que deixam a tubulação e reservatório sujos) é provocada pelos sais minerais, que funcionam como um eletrólito conduzindo em algum grau corrente elétrica, e independente do material, isto é, se o bloco e o cabeçote do motor fôrem produzidos em liga de Ferro Fundido ou liga de Alumínio (lembre-se que o Alumínio é até mais reativo que o Ferro) a eletrólise e, consequentemente, a corrosão acontecerá, afinal, não estamos falando de uma peça exposta 'apenas' na atmosfera, mas sim de um sistema internamente 'banhado' por um líquido de arrefecimento e submetido à altas pressões e temperaturas.
Ao averiguar com um multímetro, notamos uma diferença de potencial entre o cabeçote do motor e o fluído no vaso de expansão na casa dos 100 mV em dois veículos, já a resistência elétrica estava na casa dos MegaOhms...
Imagem 10 - Quanto menor a tensão elétrica encontrada (e, consequentemente, maior resistência), menos eletrólise, menos desgaste
O mesmo ocorre no sistema de ar condicionado dos automóveis. O pH da mistura de gás R134a e óleo lubrificante deve permanecer mais próxima possível de 7, pois caso se torne ácida ou alcalina, provocará lentamente a corrosão de galerias no evaporador e condensador (que são feitos de Alumínio), bem como em tubulações metálicas (que podem ser feitas em liga de Aço). Neste ponto a perfeita operação do filtro secador e a estanqueidade do sistema são cruciais para restringir ao máximo condutores iônicos.
Caso queira saber mais sobre a condutividade elétrica e o pH do fluido de arrefecimento e fluido de freio - com vários exemplos práticos - CLIQUE AQUI!
Neste tópico serão detalhadas algumas características elétricas e mecânicas das baterias mais comuns no nosso cotidiano!
Capacidade de fornecimento de corrente
Vamos começar pelo fornecimento de corrente elétrica:
Complemento 5 - O que é Ampére-hora?
Em algumas especificações, você encontrará o "C-Rate":
Complemento 6 - O que é C-Rate?
Por exemplo:
Imagem 11 - Uma bateria Pb-Ácido automotiva
A bateria da imagem acima consegue fornecer 60 Ampéres durante uma hora, ou então um C20 (à 25 °C), isto significa 3 A durante 20 horas.
Já a Unipower do datasheet abaixo consegue fornecer 1,3 Ah apenas em C20, o que resulta em 0,065 Ah. Já sua capacidade de drenagem total em uma hora é de apenas 0,78 A:
Imagem 12 - A capacidade de 'descarga' depende do projeto e nem sempre o Ah bate com o C-Rate
A potência da bateria também é dada em Watt/hora, e pode ser calculada multiplicando o valor de tensão elétrica pela corrente/hora...
Imagem 13 - Uma bateria "100D" de um Tesla pode fornecer 6,3 kWh
Na imagem acima vemos uma bateria composta por seis grupos, cada um com 86 pilhas ligadas em paralelo (a tensão é a mesma, mas a corrente se soma). Os seis grupos são ligados em série (ou seja, a corrente de saída não muda, apenas as tensões que se somam).
A quantidade de células em paralelo multiplicado pela corrente que cada uma fornece resulta em:
86 x 3,4 Ah = 292,4 Ah
...que multiplicado pela tensão nominal resulta nos 6,3 kWh.
Cada pilha destas possui:
3,4 Ah x 3,6 V = 12,24 Wh
Ao multiplicar a potência de cada uma pelo número de pilhas da bateria (para o módulo 100D são 516 células), chegamos aos mesmos 6,3 kWh.
Se pegarmos uma bateria Pb-Ácido 12 Volts com 60 Ah, teremos seis células de 2 Volts. Simplesmente:
60 Ah x 2 V = 120 Wh
Como são 6 pilhas em série, fica:
120 Wh x 6 = 720 Wh
Da mesma forma que:
60 Ah x 12 V = 720 Wh
Você pode estudar mais eletrônica básica CLICANDO AQUI!
Quando a bateria "descarrega"
Em baterias, a tensão de corte (abreviada "Tc") é a tensão limite inferior prescrita na qual a 'descarga' da bateria é considerada completa. A Tc é geralmente escolhida de forma que a máxima capacidade útil da bateria seja alcançada. Esse valor varia de uma bateria para outra e é altamente dependente da composição química e da aplicação em que ela é utilizada.
Ao testar a capacidade de uma pilha alcalina de NiMH ou NiCd, uma tensão de corte de 1,0 V por célula é normalmente usada, enquanto a de uma pilha ZR6 / LR6 (de ZnMn) vale cerca de 0,9 V. Nas tabelas apresentadas anteriormente nivelei todos os valores de tensão de corte para "cerca de 0,8 Volts" e "cerca de 4.8 Volts" (exceto baterias e pilhas de Li-ion).
Uma alta tensão de corte é mais difundida do que talvez se presuma. Alguns equipamentos portáteis não usam totalmente o espectro de baixa tensão de uma bateria. A energia do equipamento é cortada antes que uma parte relativamente grande da vida útil da bateria tenha sido usada.
Por exemplo, um determinado modelo de smartphone que é alimentado por uma bateria de Li-Ion de célula única para de funcionar a 3,3 V. Ela poderia funcionar até atingir cerca de 3 V, no entanto, com uma 'descarga' de 3,3 V (à temperatura ambiente), cerca de 92 ~ 98% da capacidade é usada.
É importante ressaltar que, particularmente no caso de baterias de Li-Ion, que são usadas na grande maioria dos eletrônicos portáteis atualmente, um corte de tensão abaixo de 3,2 V pode levar à instabilidade química na célula, tendo por resultado uma reduzida vida útil da bateria. Por esse motivo, os fabricantes de eletrônicos tendem a usar tensões de corte mais altas.
Em automóveis movidos por um gerador térmico, a bateria, que no caso serve para a partida do propulsor através de um 'motor elétrico de arranque' precisa permanecer na faixa dos 11 ~ 13 Volts, sem muita margem, já que é exigido uma alta corrente e a queda de tensão momentânea por si só já é grande. Quanto ao restante do circuito elétrico (rádio, iluminação e afins) o limiar para o funcionamento é na faixa dos 10 Volts. Sendo assim, para os acumuladores Chumbo-Ácido 12 Volts automotivos uma tensão de corte gira em torno dos 10 V.
Resistência externa e interna
O tempo de 'duração' de uma bateria está diretamente relacionado ao que está ligado à ela, ou seja, do consumidor da corrente que ela fornece. Sendo assim, quanto maior a resistência elétrica do circuito que ela está alimentando, menor será o consumo de energia, como podemos ver nos gráficos de tempo de vida útil nos datasheets de baterias...
Gráfico 3 - Note que quanto menor a resistência do consumidor, maior é a "descarga da bateria"
No entanto, a bateria também possui uma resistência interna que dita seu limite de Ampéres-hora e também seu aquecimento. Baterias Chumbo-Ácido automotivas, por exemplo, possuem resistência interna na casa do miliOhms (mΩ), assim como as pilhas Li-Ion aplicadas nos carros elétricos:
Imagem 14 - Uma bateria de um Tesla possui centenas destas pequenas células
Para a beteria da imagem acima teríamos:
3,66 V / 3,4 Ah = 1,07 Ω
Mas as coisas não são bem assim...
Se pegarmos como exemplo as duas linhas de pilhas e baterias Super Hyper (ácidas) e Alkaline da Panasonic, veremos uma propaganda "dura até 10x mais" na embalagem dos tipos alcalinos:
Imagem 15 - Baterias alcalinas tendem a ter uma menor resistência interna
Pois bem, ao averiguar a resistência interna das pilhas AA, nos deparamos com os seguintes valores:
Imagem 16 - A resistência interna das pilhas e baterias ácidas é muito mais alta. Este valor de resistência não pode ser obtido com um multímetro comum, apenas com um testador de baterias!
Perceba que a Super Hyper possui 1,5 Ω de resistência interna, enquanto que a Alkaline atinge os 0,15 Ω (ou seja, 15 mΩ). Tendo uma resistência cerca de dez vezes menor consegue se atingir uma corrente de "descarga" cerca de dez vezes maior!
1,5 V / 1,5 Ω = 1 (1000 mAh)
1,5 V / 0,15 Ω = 10 (10.000 mAh)
Mas como uma mera pilha de 1,5 V consegue absurdos 10 Ah?
De novo: As coisas não são bem assim...
Existe uma noção de que a resistência interna está relacionada à capacidade, o que é um tanto equivocado. A resistência das modernas baterias de Chumbo-Ácido e Li-Ion permanece estável durante a maior parte da vida útil. Melhores aditivos eletrolíticos reduziram os problemas de corrosão interna que afetam a resistência.
OBSERVAÇÃO: Antes de explorar os diferentes métodos de medição da resistência interna de uma bateria, vamos examinar o que significa resistência elétrica e entender a diferença entre resistência pura (R) e impedância (Z). A impedância inclui elementos reativos, como bobinas e capacitores, mas ambas as leituras são obtidas em Ohms.
A resistência elétrica de uma carga pura, como um elemento de aquecimento, não possui reatância. A tensão e a corrente fluem em sincronia e não há avanço ou atraso de um ou de outro, portanto, o valor é o mesmo com corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA). O fator de potência (pf) é 1, fornecendo a medição mais precisa da energia consumida.
A maioria das cargas elétricas são reativas e consistem em reatância capacitiva (capacitor) e reatância indutiva (bobina). A reatância capacitiva diminui com frequência mais alta, enquanto a reatância indutiva aumenta. A reatância indutiva é análoga a um amortecedor de carro, que endurece ao aplicar uma ação rápida de vai-vém.
Uma pilha ou bateria tem resistência, capacitância e indutância, e o termo impedância inclui todos os três em um modelo. A impedância numa bateria Pb-Ácido pode ser melhor ilustrada com o modelo de Randles, que compreende os resistores R1 e R2, bem como o capacitor C. A reatância indutiva é comumente omitida pois desempenha um papel insignificante em uma bateria, especialmente em baixa frequência.
Diagrama 3 - Modelo de Randles para uma bateria de Pb-Ácido
Onde:
-> R1: Resistor interno;
-> R2: Resistência na transferência de energia;
-> C1: Capacitor.
O diagrama e os valores elétricos diferem para cada tipo de pilha ou bateria.
O método de "medição com carga CC" tem limitações, pois combina R1 e R2 do modelo de Randles em um único resistor e ignora o capacitor. “C” é um componente importante de uma bateria, pois pode representar 1,5 Farads por 100 Ah. Em essência, o método DC vê a bateria como um resistor e só pode fornecer referências ôhmicas. Além disso, se obtém leituras semelhantes de uma bateria boa parcialmente carregada e de uma bateria 'meia-vida' totalmente carregada. Não é possível estimar o "estado de carga" e a capacidade.
O método de "carga CC de dois níveis" (o preferido para baterias que alimentam cargas CC) oferece um caminho alternativo, aplicando dois valores de 'descarga' sequenciais com diferentes correntes e durações de tempo. A bateria primeiro 'descarrega' em uma corrente baixa por 10 segundos, seguida por uma corrente mais alta por 3 segundos, e aí entra em ação a lei de Ohm para os cálculos. A avaliação da tensão sob as duas condições de 'carga' oferece informações adicionais sobre a bateria, mas ainda há limitações. Os valores são estritamente resistivos e não revelam o "estado de carga" (SoC - State of Charge) ou estimativas de capacidade.
A medição de condutância para avaliar baterias de partida foi relatada pela primeira vez por Keith Champlin em 1975, demonstrando uma correlação linear entre teste de 'carga' e condutância. Ao aplicar uma frequência de cerca de 90 Hertz, as reatâncias capacitiva e indutiva convergem em uma bateria de Pb-Ácido de 70 ~ 90Ah, resultando em um atraso de tensão insignificante que minimiza a reatância (essa frequência aumenta com uma bateria menor e cai com uma bateria grande). O método de frequência única vê os componentes do modelo de Randles como uma impedância complexa denominada "módulo de Z".
Neste teste, os componentes individuais do modelo de Randles são fundidos e não podem ser distinguidos.
O teste de 1.000 Hertz-Ohm é outro método comum. Um sinal de 1.000 Hz excita a bateria e a lei de Ohm calcula a resistência.
Observe que o método CA mostra valores diferentes do método CC ao medir uma resistência reativa e ambas as leituras estão corretas.
Por exemplo, uma célula 18650 Li-Ion produz cerca de 36 mΩ com um sinal AC de 1.000 Hz e aproximadamente 110 mΩ com um sinal DC. Como ambas as leituras são válidas, mas distantes, o usuário deve considerar a aplicação. O segundo fornece leituras valiosas para uma aplicação DC (como um elemento de aquecimento ou uma luz incandescente), enquanto o primeiro reflete melhor os requisitos de desempenho de uma carga digital (como computação portátil e telefones celulares), que dependem em grande medida nas características capacitivas de uma bateria.
Voltando aos exemplos, a resistência interna de pilhas e baterias quando medidas em AC não pode ser simplesmente aplicada nas formulas de eletrônica básica, pois gerará valores de corrente um tanto extrapolados. Nos modelos Super Hyper e Alakaline da Panasonic as 'correntes de descarga' giram em torno de 400 ~ 1700 mAh para as ZR6 (ácidas) e 1800 ~ 2600 mAh para as LR6 (alcalinas), que são definidos pela IEC e ANSI. Enquanto que a resistência interna da pilha de Lítio da Panasonic fica em torno dos 30 mΩ, e não 1,07 Ω.
Tabela 1 - É por isto que o valor aferido no medidor de bateria da Imagem 14 não pode ser reproduzido num multímetro comum e os cálculos de corrente elétrica não são tão simples...
Se conectarmos um consumidor com uma resistência baixa o suficiente para gerar uma 'descarga' maior que o limite de Ah suportado pelo acumulador, ele superaquecerá.
Além da resistência elétrica dos eletrodos e terminais (que é muito baixa), há um separador para cada par de eletrodos positivos e negativos, separador este com alta resistência elétrica e embebido em eletrólito (que possui algum grau de condutância) permitindo uma conexão elétrica ideal entre as placas da célula.
Curto-circuitar uma pilha ou bateria seria a melhor forma de compreender que uma resistência elétrica externa extremamente baixa entre os polos gera um fluxo de corrente 'colossal', o sufiente para causar danos irreversíveis e até mesmo acidentes. Uma simples pilha AA pode explodir se sua polaridade fôr invertida, ou se fôr curto-circuitada.
Esta resistência interna pode se elevar gradativamente ao longo do tempo devido à degradação do eletrólito (perda da condutividade elétrica) e desgaste dos eletrodos.
Complemento 7 - O desgaste interno das baterias
Por exemplo, a corrente de partida fornecida pela bateria Pb-Ácido ao motor de arranque prejudica sua “saúde”. Esse pico de corrente é muito elevado, chegando a 1700 A nos caminhões para que o motor de combustão saia da inércia e comece a funcionar. Esses picos elevados de corrente contribuem para um problema conhecido como sulfatação, que é o processo de formação e deposição de cristais de Sulfato de Chumbo (PbSO4) sobre as placas.
Esse fenômeno ocorre na 'descarga' da bateria, fazendo com que o Sulfato de Chumbo não consiga mais ser revertido em Dióxido de Chumbo (PbO2) e Chumbo metálico (Pb) nos eletrodos. Gradativamente as placas vão perdendo a qualidade original de seu material ativo e consequentemente seu poder de 'carga' e 'descarga'. O acúmulo de PbSO4 piora quando a bateria é totalmente 'descarregada' e/ou à medida que muitas partidas sucessivas são realizadas, aumentando, portanto, a resistência interna do acumulador ao longo do tempo. Isso também faz com que o eletrólito perca sua cor clara e passe a ficar turvo com essa contaminação (da mesma forma que se cria sujeira no sistema de arrefecimento do carro quando há acidez ou alcalinidade no fluído).
Curiosamente, as velhas baterias de Níquel-Cádmio sofrem com a deposição de cristais em suas placas, cristais estes provenientes também da decomposição dos eletrodos e da base do eletrólito (neste caso é o Hidróxido de Potássio). Este processo é conhecido como "efeito memória" e deu origem ao mito de que todas as baterias "viciam" se ficarem por muito tempo 'carregando'. De fato, células de Ni-Cd se dagradam muito rápido (aumento da resistência elétrica interna) quando são alimentadas por muito tempo e seus ciclos de carga não são respeitados, todavia, os demais tipos de baterias secundárias - inclusive a evolução Ni-Mh - não "viciam", apenas sofrem com a degradação natural, que pode ser acelerada pela temperatura alta.
Baterias de Lítio, tal como as Li-Ion, LiPO e LiFePO4 não sofrem com cristalização, mas sim com a temperatura, que deve ser continuamente monitorada pelo módulo BMS, ainda mais nos sistemas de "recarga rápida" (com alta potência).
Outro fator que as degrada bastante é permitir que as células se 'descarreguem' por completo. O ideal é sempre manter a bateria entre 20% e 80% de 'carga' para uma maior vida útil, além de não utilizar o equipamento enquanto ele estiver conectado em uma fonte de energia, isto pois, assim como num automóvel, a bateria sempre está conectada aos circuitos consumidores e à tomada de alimentação, só que neste caso, usar o acumulador enquanto "carrega" pode gerar um estresse térmico desnecessário e degradante para as células.
Reiterando: Baterias de Lítio não viciam!
Pressão interna e explosões
Imagine que uma pilha é análoga a um cilindro de gás...
Imagem 17 - Cilindros de gás precisam ter uma válvula de segurança para o controle da pressão interna
Como estamos falando de um componente acessível ao usuário comum e da necessidade de haver um eletrólito ácido ou alcalino no interior de um acumulador, é necessário ao menos a existência de uma secção ruptura no invólucro de uma pilha ou bateria, tal como ocorre em capacitores de Óxido de Alumínio com eletrólito líquido. Nestes capacitores, uma vaporização de eletrólito devido ao superaquecimento gera um excesso de pressão interna que é controlada justamente pela secção de ruptura, permitindo o alívio de tensões mecânicas - e inutilização do componente - sem uma explosão (apesar de que isso depende da qualidade da peça também).
Imagem 18 - Um capacitor de Óxido de Alumínio com sua secção de ruptura rompida
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Agora, observe esta pilha alcalina AAA da Elgin:
Imagem 19 - Um excesso de pressão interna provoca a perda da vedação, permitindo o vazamento do material interno sem sustos grandes
Nas modernas pilhas e baterias de Lítio, especialmente em células com formatos prismáticos - particularmente em sistemas LiPO -, que possuem invólucro com paredes bastante finas, a geração de gás dentro da célula resultará em inchaço e pode forçar a separação dos eletrodos, reduzindo efetivamente a transferência de íons e interrompendo a corrente.
Imagem 20 - Bateria de LiPO inchada. Créditos: STA Eletrônica
Esse processo pode impedir a fuga térmica das células, mas nem sempre é eficaz. A geometria das pilhas cilíndricas impede a separação dos eletrodos se ocorrer a geração de gás. Por essa razão, os projetistas desenvolveram sistemas mecânicos de interrupção de corrente.
Além de aberturas visíveis em uma das extremidades do cilindro, há um dispositivo de segurança baseado em secção de ruptura (abre por excesso de pressão) ou elo fusível (abre por excesso de corrente). Observe a próxima imagem:
Imagem 21 - Note os orifícios no terminal metálico
Agora veja o diagrama da parte superior de uma célula 18650:
Diagrama 4 - Como é a secção de ruptura de uma pilha de Lítio
Alguns portam um fusível que abre permanentemente e inutiliza a celula...
Imagem 22 - O elo fusível é uma fina lâmina metálica envolta em plástico dentro da pilha
...outros projetos já fazem uso de um termistor PPTC (6). A resistência é baixa durante a operação normal e aumenta quando a temperatura sobe acima de um nível crítico para reduzir o fluxo de corrente.
No Diagrama 4 o dispositivo de interrupção de corrente (CID) é baseado em uma secção de ruptura (2) que, além de abrir o circuito elétrico permanentemente (assim como um fusível) alivia a pressão em casos de geração excessiva de gases e alta temperatura.
Quando a pressão interna aumenta para cerca de 1.000 kPa, o disco superior (9) quebra, separa-se da folha metálica (8) e interrompe o fluxo de corrente. Isso também permite que o gás seja liberado. No entanto, a pressão de uma célula em desintegração pode ser tão grande que os gases não conseguem escapar de forma ordenada e ocorre combustão. Em alguns casos, o topo da pilha escapa como se fosse um tiro de espingarda.
Na ativação, o CID desconecta física e irreversivelmente a célula do circuito. Embora sejam geralmente descritos como dispositivos de proteção contra sobrecarga, eles serão ativados por excesso de pressão interna, que pode ser resultado de uma sobrecarga, superaquecimento, problemas nos compostos químicos da célula, curto-circuito interno e / ou 'descarga' excessiva de células.
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Se em pequenos invólucros de pilhas e baterias faz-se o uso de tal solução, em algumas baterias mais parrudas e recarregáveis é necessário um sistema mais dinâmico. É aí que chegamos em um ponto interessante:
o controle de pressão interna de algumas baterias
Se em uma pilha AAA ou numa bateria PP3 a melhor maneira de se prevenir acidentes é fazer o uso do bom senso, num acumulador de Chumbo-Ácido a mecânica dos fluídos pode permitir uma segurança ainda maior (além de maior durabilidade) através da implementação de válvulas.
Antigamente precisávamos olhar rotineiramente a "água da bateria" do carro e completar sempre que se atingia o nível mínimo de eletrólito, mantendo os compartimentos, ou melhor, as pilhas 'inundadas' e o máximo de eficiência e vida útil. Com a redução da eletrólise do H2O (e consequente redução da vaporização e perda de eletrólito para a atmosfera) proporcionada pela evolução na construção dos eletrodos permitiu-se a criação de baterias "livres de manutenção" e seladas. Porém, dado os momentos de píco de 'carga' e 'descarga', por segurança, um sistema de controle de pressão é necessário.
Diferente da secção de ruptura, que "abre o bico" na primeira sobrepressão, e diferente de uma válvula dinâmica (com mola e diafragma), que abre apenas quando a força contrária à mola excede sua carga, as baterias VRLA portam uma válvula sem peças móveis, isto é, uma Válvula Tesla, que liga o orifício do compartimento ao respiro da carcaça do acumulador, permitindo um 'degradê' entre a pressão interna e externa...
Imagem 23 - Como é uma bateria selada regulada por válvula
São seis compartimentos de 2 Volts e cada um com uma abertura. Há dois respiros, um em cada lateral da carcaça. Agora, observe esta bateria de caminhão:
Imagem 24 - Baterias de Chumbo-Ácido reguladas por válvula são mais comuns do que imaginamos!
Quando não é uma Válvula Tesla, há um tampão de Polipropileno ou Polietileno poroso o suficiente para permitir o alívio de pressão e impedir o vazamento de eletrólito...
Imagem 25 - Uma bateria estacionária Pb-Ácido com tampões porosos
O Polipropileno (material também usado na confecção do invólucro) ou o Polietileno são bastante resistentes ao ataque químico e funcionam melhor que um sistema composto por mola e diafragma. Alguns sistemas podem ter tampões porosos de PTFE ao invés do PP ou PE. Como cada pilha possui separadores de eletrodos compostos por feltros absorvedores de eletrólito com alta gramatura (baterias "AGM" - Absorbent Glass Material), o fluido permanece homogêneo e 'impregnado' nas mantas, não havendo vazamentos, apenas liberação de gases (Hidrogênio e Oxigênio) em momentos mais críticos através dos poros dos tampões de compartimentos.
Tabela 2 - A pressão de vapor pode ficar em torno de 1,3 kPa (10 mmHg) nestas baterias Pb-Ácido
Voltando ao pack de baterias dos Toyota híbridos, se trata de um conjunto de pilhas Ni-Mh com Hidróxido de Potássio (ou seja, alcalina).
Cada bateria possui seis pilhas de 1,2 Volts ligadas em série, totalizando 7,2 Volts:
Imagem 26 - Bateria Ni-Mh alcalina da Panasonic para veículos híbridos da Toyota
Pois bem, estas seis pilhas são reguladas por válvula, permitindo o alívio de pressão em casos extremos, isto é, quando há muita liberação de Hidrogênio na reação química. Internamente há um conjunto de galerias que "desaguam" no respiro da carcaça de plástico.
CURIOSIDADE: O sistema de ventilação do cárter (PCV) nos motores de combustão interna é uma solução concebida para a evacuação e posterior recirculação dos gases que se acumulam no cárter de um motor de combustão em funcionamento.
É instalado por três razões principais:
-> Para preservar a integridade do óleo do motor;
-> Para evitar sobrepressões no circuito de lubrificação do bloco e cabeçote;
-> e para controlar os gases poluentes direcionando o vapor até a câmara de combustão para a queima e posterior tratamento no catalisador do sistema de escape.
O que isto tem a ver com as válvulas de baterias?
Alguns projetos fazem uso de uma Válvula Tesla na tampa do cabeçote, eliminado componentes móveis que podem se desgastar ou engripar (como molas e diafragmas) e obstruir o fluxo do vapor para fora do sistema. Um exemplo é o motor K4M da Renault, vendido no Brasil entre 1999 e 2017:
Imagem 27 - O sistema de decantação de óleo deste motor é bastante complexo
Para embasar mais sobre o funcionamento das válvulas Tesla, veja o vídeo abaixo, de autoria do canal Lesics Português:
Vídeo do Lesics Português republicado no canal do HC no YT!
Passada esta analogia entre as as válvulas de bateria e os decantadores de óleo dos motores de combustão interna, podemos extender a explicação dos sistemas de controle de pressão (e, consequentemente, temperatura) das modernas baterias de Lítio automotivas...
Nos modernos carros elétricos há, geralmente, um pack de baterias de Íons de Lítio (que fornecem 3,6 ~ 3,8 V) ou - mais recentemente (meados de 2019 pra cá) - Fosfato de Ferro-Lítio (que fornecem 3,1 ~ 3,3 V), totalizando milhares de pilhas, de acordo com a demanda de energia do veículo.
Pois bem, o processo de "carga" e "descarga" dessas trocentas pilhas gera uma quantidade de calor enorme, que em situações de pico poderiam ocasionar uma explosão catastrófica. Para sanar este problema e manter as baterias em temperatura positiva, há um sistema de arrefecimento tal qual nos motores de combustão interna.
Complemento 8 - Os dois tipos mais comuns de arrefecimento de baterias em carros elétricos
O líquido de arrefecimento é a mesma combinação de água desmineralizada misturada com o anti-congelante / anti-ebulição / lubrificante sintético Monoetilnoglicol (MEG) ou Monopropilenoglicol (MPG). Algumas das peças do sistema de arrefecimento são mostradas abaixo:
Imagem 28 - O sistema de arrefecimento de um carro elétrico pode ser mais complexo do que o de um motor de combustão interna!
De acordo com a imagem acima:
-> 2. Bomba d'água: Tal como num motor de combustão interna se trata de uma bomba centrífuga, no entanto, acionada por um motor elétrico;
-> 4. Quando a temperatura está muito baixa (algo crítico no Hemisfério Norte, por exemplo), pode ser necessário o aquecimento do líquido de arrefecimento, e isso se faz através de um aquecedor elétrico com termistores PTC;
-> 6. Quando a temperatura do líquido está alta, faz-se o uso de um radiador tal qual num motor de combustão interna, e da mesma forma também se aplica um eletroventilador para provocar uma circulação de ar forçada pela serpentina;
-> 3. Flange com o(s) termostato (s): Assim como num motor de combustão interna, a temperatura precisa se manter estável, e isso pode ser feito através de válvulas eletrônicas ou as tradicionais mecânicas (que funcionam através da expansão de uma cera parafínica);
-> 7. O condensador do ar-condicionado trabalha em conjunto com o Chiller em condições extremas de aquecimento do líquido de arrefecimento;
-> 1. Chiller: Dispositivo análogo ao evaporador da cabine, porém, com a finalidade de fazer a troca de calor entre o gás refrigerante do sistema de ar-condicionado e o líquido de arrefecimento das baterias;
-> 5. Para parmitir ou não o fluxo de fluído para o Chiller, por exemplo, pode existir um conjunto de válvulas eletrônicas.
Nestes veículos elétricos há também um vaso de expansão com tampa valvulada (mola e diafragma) para o líquido de arrefecimento.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre termistores PTC, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Como a temperatura máxima do líquido de arrefecimento não passa dos 60 °C em carros elétricos (ou seja, a pressão também é mais baixa), o uso de materiais plásticos sem reforço de fibra de vidro é mais comum, como é o caso das flanges de válvulas termostáticas, que ao invés de serem feitas de PA66-GF30 ou liga de Alumínio podem ser confeccionadas em plástico PPS (Poli (Sulfeto de P-fenileno)).
Abaixo, vemos um trecho do manual do proprietário fornecido com o Nissan Leaf (documento de meados de 2020):
Complemento 9 - O aquecedor da bateria é fundamental em países do hemisfério norte. Por aqui, seu uso é substancialmente menor
Agora veja um trecho de outro manual, desta vez do GWM Ora 03:
Complemento 10 - Aqui as informações são muito mais brandas, não trazendo muitos detalhes. O que precisamos saber é que o sistema de arrefecimento é bem específico
Vamos observar o pack de baterias Li-Ion de um Tesla Model S para termos um melhor embasamento:
Imagem 29 - O gigantesco pack de baterias do Tesla Model S
Na imagem acima fica claro a existência de centenas de pilhas dentro de cada bateria. Cada uma delas possui um módulo BMS para monitorar a integridade do conjunto de células.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre os módulos BMS, CLIQUE AQUI!
Imagem 30 - Cada bateria destas possui 444 pilhas que operam entre 2,5 e 4,2 V (3,6 Volts nominal)
São seis grupos (cada um com 74 pilhas ligadas em paralelo) entregando 22,8 Volts. A serpentina (feita de Cobre) possui o seguinte formato:
Diagrama 5 - É assim cada bateria do Tesla Model S
Outro modelo de bateria utilizado nos Tesla é a com seis grupos de 86 pilhas ligadas em paralelo (totalizando 516 células por acumulador) entregando 21,6 Volts. A serpentina segue a mesma ideia da patente datada de 2011 e que pode ser vista acessando o seguinte PDF:
É difícil haver um superaquecimento, pois o módulo BMS informa constantemente a situação térmica para central eletrônica. Assim como numa bateria de Chumbo-Ácido, o eletrólito das baterias de Lítio não pode ficar numa temperatura muito baixa, isto pois a condutividade dos sais cai, aumentando a resistência elétrica interna sensívelmente e reduzindo o desempenho de 'carga' e 'descarga'.
Como podemos ver, uma pilha, bateria ou pack são coisas muito mais complexas do que se pode imaginar. Além disso, o perigo que envolve o manuseio de um acumulador pode ser maior do que nos parece.
Este artigo serve para embasar o funcionamento das pilhas e baterias mais comuns no nosso dia-a-dia e que serão detalhadas nos capítulos seguintes desta série.
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FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, Vídeos, Gráficos e Diagramas: Leonardo Ritter; Battery University; EV Tech Explained (You Tube); STA Eletrônica; Meu livro de química do ens. médio; Google Imagens.
Referências: Mundo Educação; Brasil Escola; Battery University; EV Tech Explained (You Tube); Hella; Rótulos de embalagens de baterias; Discovery Turbo (You Tube); STA Eletrônica; Universidade Federal de Santa Catarina (repositório); Blog das Baterias; SciELO; Tudor Baterias; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 22 de Abril de 2024.