Baterias NiMH Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Baterias NiMH Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias Armando Sousa Projeto FEUP 2014/ MIEEC: José Fidalgo Supervisor: Paulo Costa Equipa 1-1MIEEC01: Monitor: Jorge Bessa Estudantes & Autores: Armando Moreno Francisco Matos Bruno Costa Luís Costa Pedro Martins

2 Baterias NiMH 2 Resumo Este trabalho foi-nos proposto pela disciplina de projeto FEUP e pelos seus colaboradores com o intuito de nos preparar para futuros trabalhos e relatórios que iremos ter de realizar. O tema do trabalho baseia-se nosso curso, engenharia eletrotécnica, e estuda principalmente as baterias níquel metal. O início deste trabalho é marcado por uma pequena introdução que vai retratar todos os assuntos abordados ao longo do seu desenvolvimento. Também nos contextualiza dentro das diferentes variáveis como a parte teórica e a parte prática. Em seguida iremos falar sobre a componente teórica, com o objetivo de tornar mais claro o conhecimento sobre a parte prática e de dar a perceber como é o funcionamento deste tipo de pilhas. Por fim, depois de todas as questões técnicas respondidas, é dada uma pequena conclusão sobre a questão problema no nosso trabalho com o objetivo de cimentar todo o conteúdo presente no relatório. Palavras-Chave Pilha; Bateria; Capacidade; Carga; Energia; Temperatura; Voltagem;

3 Baterias NiMH 3 Agradecimentos Queremos agradecer a todos aqueles que, de certa forma, nos ajudaram na elaboração deste projeto. Começamos por reconhecer a importância das palestras a que assistimos na semana de apresentação da FEUP e, por isso, estamos gratos a todos os docentes e convidados que nelas participaram. Não obstante ao trabalho dos monitores que nos acompanharam na primeira semana, apreciamos a sua contribuição por ajudarem na integração e dinâmica do grupo. Por último, e não menos importante, agradecemos ao monitor Jorge Bessa e ao professor Paulo Costa por nos terem ajudado ao longo destas semanas, tendo acompanhado todo o processo de realização deste projeto.

4 Baterias NiMH 4 Índice Conteúdo Lista de figuras... 5 Lista de acrónimos Introdução Conceitos Teóricos Métodos de Carga Carga Lenta Carga Rápida (4 Horas) Carga Muito Rápida (1 Hora) Descarga Definições de Capacidade Efeitos da Temperatura Ciclos de Carga Resistência Interna Modos de Descarga Aplicações Parte Experimental Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis Cálculos Energia Fornecida Capacidade Média Conclusões Experimentais Artigo Interessante Conclusões Referências bibliográficas... 22

5 Baterias NiMH 5 Lista de figuras Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH - Página 8 Figura 2 - Modelos NiMH da Energizer - Página 11 Figura 3 - Pilha NiMH deteriorada - Página 13 Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH - Página 14 Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria - Página 19 Figura 6 - Fotografia retirada do artigo - Página 20

6 Baterias NiMH 6 Lista de acrónimos Parte Teórica: NiMH - Bateria de Níquel Metal Hídrico NiCD - Bateria de Níquel Cádmio PDA's - Personal Digital Assisant MP3 - Abreviação de MPEG Layer 3 que é um formato de compressão de áudio digital que minimiza a perda de qualidade em arquivos de áudio. MPEG - Moving Picture Experts Group Ah - Ampere hora J - Joules Parte Experimental: Cm - Capacidade média (Ah, mah) Ef - Energia fornecida ( J, mj) I - Intensidade ( A ) t - Intervalo de tempo ( s ) A - Área b - Base h - Altura P - Potência ( W ) U - Tensão, diferença de potencial ( V )

7 Baterias NiMH 7 1. Introdução Este relatório tem como objetivo descrever e elucidar sobre um estudo aprofundado do tema em causa: baterias. No entanto este estudo não será feito para todo o tipo de baterias, mas sim para um grupo específico destas, as baterias químicas, mais concretamente, as pilhas. A principal diferença entre as pilhas e as baterias reside no facto de as pilhas serem formadas por dois elétrodos e um eletrólito enquanto que a maior parte das baterias é constituída por várias pilhas ligadas em série ou em paralelo. Ambas têm um objetivo e um funcionamento semelhante: transformar energia química em energia elétrica com base nos materiais que as compõem. Quando as pilhas das baterias estão ligadas em série, isto é, polo positivo com polo negativo obtém-se uma maior diferença de potencial, o que vai conservar a capacidade de cada pilha individualmente, e se tivermos as pilhas ligadas em paralelo, polo positivo e negativos conectados entre si, conserva-se a diferença de potencial de cada pilha original mas aumentando a sua capacidade. Atualmente são mais usadas as pilhas de níquel metal, que têm como objetivo substituir as pilhas de níquel cádmio. A principal diferença entre as duas baterias consiste no elemento químico usado: enquanto que nas baterias de níquel metal hidreto é o hidrogénio que é absorvido numa liga e usado como material ativo no elétrodo negativo, nas baterias de níquel cádmio o elemento é o cadmio. A vantagem reside, então, no facto de que o elétrodo da pilha de hidreto metálico apresenta uma maior densidade de energia comparativamente ao elétrodo da pilha de cádmio. Assim sendo, para a mesma quantidade de energia, a massa de material ativo usada nas pilhas NiMH é menor do que a usada nas NiCd.

8 Baterias NiMH 8 2. Conceitos Teóricos Um elemento deste trabalho consiste na parte experimental onde estudamos a capacidade disponível em pilhas recarregáveis de níquel metal, mas é fundamental complementá-lo com a sua teoria, pois só assim é possível compreender os resultados da prática e o seu funcionamento. 2.1 Métodos de Carga As baterias de NiMh (Níquel e Metal) são muito sensíveis a problemas como a sobrecarga, quando comparadas a outras baterias, como as compostas por NiCD (Níquel Cádmio), e a sua temperatura interna aumenta rapidamente, afetando assim o rendimento da mesma, caso não se tenha certos cuidados. Estas baterias podem carregar-se rapidamente em períodos de 1 hora até 12 horas e, para evitar uma rápida diminuição do seu rendimento, devem utilizar-se equipamentos carregadores desenhados especialmente para proteger as baterias de sobrecargas e excessos de temperatura. (Buchmann, Battery University 2011) Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH

9 Baterias NiMH Carga Lenta Carregar baterias com uma corrente constante de 10C durante 12 horas é um bom método para carregar completamente baterias de Níquel-Metal. Isto apenas se aplica a uma bateria completamente descarregada, caso contrário aconteceria uma sobrecarga, danificando assim a mesma. (Radio Club Junin s.d.) Carga Rápida (4 Horas) Uma bateria de Níquel-Metal pode ser carregada com eficácia e segurança utilizando correntes superiores às descritas anteriormente, sendo também necessário um temporizador que corte a energia ao fim de 3,6 horas, prevenindo assim que a temperatura interna da bateria ultrapasse os 55ºC. (Radio Club Junin s.d.) Carga Muito Rápida (1 Hora) Para ser possível carregar completamente baterias NiMH em uma hora sem sobrecarregar a mesma e sem que esta seja deteriorada pela temperatura, é necessário que o equipamento esteja equipado com sistemas de terminação de carga combinados (Temperatura dt/dt, Voltagem rv, Tempo). (Radio Club Junin s.d.) 2.2. Descarga Em condições normais de funcionamento uma pilha de níquel fornece 1,25 Volts durante a descarga. Quando está completamente carregada e em boas condições pode chegar a atingir 1,4 Volts durante um curto período de tempo e fica completamente descarregada quando a voltagem da pilha é inferior a 1,1 Volts. (Energizer Battery Manufacturing Inc. 2010)

10 Baterias NiMH Definições de Capacidade O principal objetivo de uma empresa é maximizar o tempo de duração das pilhas em conformidade com o equipamento utilizado. Antes de o produto ser lançado, passa por um processo meticuloso de testes, como a triagem da bateria, submetendo-a a descargas constantes a uma temperatura ambiente. Para as baterias em estudo, as de níquel metal, a taxa de descarga é, aproximadamente, de 5 horas, sendo este valor mais elevado do que outros tipos de pilhas como por exemplo as de níquel cádmio. (Electrónica s.d.) Efeitos da Temperatura Estas pilhas são bastante resistentes a variações de temperatura, conseguindo manter capacidade entre -20 o C e 70 o C. Apesar de conseguirem aguentar estas temperaturas extremas, a temperatura ideal para o uso destas pilhas é a temperatura ambiente. Quando estão sujeitas a baixas temperaturas a sua capacidade é bastante afetada, chegando a atingir variações de 80%. Pelo contrário, quando estão sujeitas a temperaturas mais altas, a sua capacidade só é afetada à volta de 10%, o que nos permite concluir que o seu uso é mais eficaz quando sujeitas a temperaturas altas do que quando estão sujeitas a temperaturas baixas. Quando estão expostas a pequenas variações da temperatura ambiente quase não são afetadas o que é um ponto a favor destas baterias, pois permitem um uso mais abrangente sem precisar de cuidados adicionais. (Netto s.d.)

11 Baterias NiMH Ciclos de Carga Como é normal em todas as pilhas e baterias, estas também possuem um determinado ciclo de carga. Os ciclos de uma bateria dependem de vários fatores, por isso é impossível dizer com certeza quantos ciclos é que cada pilha aguenta. Um ciclo de carga corresponde a carregar a bateria desde o seu valor mínimo, 0%, até ao seu valor máximo, 100% (exemplo para perceber melhor como funciona o ciclo: se a bateria estiver com 50% de carga e for carregada até ficar com a carga completa apenas realiza meio ciclo. Se voltarmos a descarregar até 50% e a carregarmos totalmente ela irá realizar mais meio ciclo, realizando assim um ciclo completo). Tal como foi dito anteriormente os ciclos de cada pilha são afetados por vários fatores como a temperatura, a profundidade de descarga, as condições de armazenamento, a idade da pilha, os materiais que a constituem e a própria capacidade da bateria. Se todos estes fatores mencionados não afetarem a pilha pode-se esperar uma durabilidade de até 1000 ciclos, o que é muito difícil para a maior parte destas. Alguns deles podem até gerar gás no interior da pilha, situação que vai levar à ativação da abertura de segurança e deterioração permanente da bateria. (Kopera 2004) Figura 2 - Modelos NiMH

12 Baterias NiMH Resistência Interna O conceito de resistência interna está sempre presente em fontes elétricas e é muitas vezes útil para a análise de sistemas elétricos sendo que todas as pilhas possuem uma resistência interna com o objetivo de limitar a sua voltagem de acordo com a corrente que é transmitida ao longo do circuito. Esta está dependente de vários fatores como o tamanho da pilha, as suas propriedades químicas, a temperatura, a idade e a corrente de descarga. As pilhas de níquel metal têm uma grande taxa de desempenho especialmente por terem uma resistência interna baixa. Esta baixa resistência deve-se à sua construção, à grande área ocupada pelos elétrodos e aos seus contactos internos melhorados em relação a outros tipos de pilhas. A resistência interna destas baterias normalmente encontra-se à volta de 50 mω quando esta se encontra carregada e permanece constante até perto da descarga, notando-se depois uma subida nesse valor. (Universidade Federal do Piauí 2010) Modos de Descarga Descarga Total Muitos utilizadores de pilhas e baterias recarregáveis têm como hábito descarregar a bateria dos equipamentos até o fim, mas isso pode danificar permanentemente as pilhas. Estas situações ocorrem especialmente quando são usadas mais do que uma pilha em série e a bateria de uma acaba, apesar do aparelho continuar a funcionar por influência das outras devido a pequenas diferenças na capacidade das pilhas. O que leva a causa de dano permanente é o facto de as pilhas com carga fazerem com que a pilha estragada realize o ciclo inversamente. Quando as pilhas de um equipamento estão ligadas em paralelo, a inversão de sentido da pilha descarregada não acontece, ocorrendo sim a carga da pilha descarregada com corrente das restantes, não afetando assim a vida da pilha de modo algum. (Energizer Battery Manufacturing Inc. 2010)

13 Baterias NiMH Descarga Automática As pilhas em estudo têm uma taxa de descarga automática um pouco mais elevada comparando-as com pilhas de níquel cádmio, isto é, ao longo do tempo de a pilha estar dentro de um aparelho, a quantidade de bateria que esta retém é superior à das outras pilhas. A temperatura têm um grande efeito neste tipo de pilhas, pois quando se encontra a temperaturas altas esta taxa consegue atingir valores cerca de três vezes superiores aos normais. (Energizer Battery Manufacturing Inc. 2010) Figura 3 - Pilha NiMH detriorada

14 Baterias NiMH Aplicações As pilhas NiMH são mais utilizadas e têm melhores performances em: Câmaras digitais; Consolas portáteis; PDA s; Aparelhos de música portáteis (exemplo: leitores mp3 e colunas); Brinquedos. (BatteryStuff 2012) Este tipo de pilhas são mais utilizadas nestes aparelhos porque torna-se bastante mais barato do que se estivesse a comprar pilhas alcalinas não recarregáveis. Como tal, as pilhas NiMH não são boas para aparelhos que gastem pouca energia por dia, como por exemplo, os alarmes de incêndio. (Globtek 2014) Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH

15 Tensão (mvolts) Baterias NiMH Parte Experimental 3.1. Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis Por forma a verificar se a capacidade era influenciada pela intensidade de descarregamento, realizou-se uma experiência que consistiu na descarga de duas baterias (NiMH). A bateria 1 foi descarregada a uma intensidade constante de 550mA e a bateria 2 a 1100mA. O descarregador encontrava-se ligado a um computador, para o qual enviava os valores da diferença de potencial (tensão) de cada uma das pilhas, a cada 5 segundos. A partir daí construiu-se um gráfico que relaciona essas tensões ao longo do tempo Descarga das baterias 1 e Tempo (segundos) Bateria 1 Bateria 2

16 Baterias NiMH Cálculos Energia Fornecida A energia fornecida por cada bateria é obtida através da área de cada uma das funções. Esta área obteve-se dividindo os gráficos em várias partes com a forma de retângulo, e somando as suas áreas. A base (b) teria valor 5 e a altura (h) era variável, consoante a tensão. A área da figura geométrica é obtida a partir da expressão: (I) A=b*h Descarga da bateria TENSÃO (MVOLTS) TEMPO (SEGUNDOS) Bateria 1

17 Baterias NiMH 17 Descarga da bateria TENSÃO (MVOLTS) TEMPO (SEGUNDOS) Bateria 2 Somando as áreas obtêm-se os seguintes valores: Efornecida pilha 1 = mJ Efornecida pilha 2 = mJ Capacidade Média As capacidades são calculadas utilizando a seguinte fórmula: (II) Nesta, Ef significa o valor de cada uma das energias fornecidas, t o valor do tempo de descarga e I o valor da intensidade de descarga. t(bateria 1)=3885 segundos t(bateria 2)=1640 segundos Aplicando a expressão (II), os valores das capacidades resultantes obtidos, para a bateria 1 e 2, respetivamente, 1258mAh e 793,5mAh.

18 Tensão (mvolts) Baterias NiMH 18 Curiosidade Como curiosidade, descarregou-se também uma bateria alcalina (bateria 3) nas mesmas condições que a bateria 2, de forma a verificar qual apresentaria melhor prestação Tempo (segundos) Bateria 2 Bateria 3 O ensaio confirmou o esperado: a pilha composta por níquel-metal obteve uma maior autonomia do que a alcalina.

19 Baterias NiMH Conclusões Experimentais Desta forma, conclui-se que a intensidade de descarga influencia a autonomia duma bateria. De uma forma geral, quanto maior a intensidade, menor a capacidade. Existem outros fatores que afetam a capacidade da bateria, como a exposição a determinadas temperaturas ou até mesmo a sua idade. Para além destes fatores temos também os erros que o ocorrem durante a parte experimental como por exemplo o cálculo da energia fornecida através dos gráficos, arredondamentos e/ou aproximação nos cálculos. Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria

20 Baterias NiMH Artigo Interessante Após a leitura deste artigo numa revista mensal achamos lucrativo inclui-lo no nosso relatório pois é uma invenção que com um custo barato de produção consegue ser uma das maiores promessas do futuro no que consta a baterias recarregáveis. Baterias que recarregam em minutos e duram 20 anos - Exame Informática número 233, ano 19, Novembro de 2014 "Investigadores da Universidade de Tecnologia de Nanyang, em Singapura, estão a trabalhar na criação de novas baterias de iões de lítio que conseguem recarregar 70% da sua energia em dois minutos e que terão um ciclo de vida superior a 20 anos. O segredo por detrás desta inovação é a utilização de nanotubos de dióxido de titânio no polo negativo em vez do grafite, o que permite aumentar as reações químicas da bateria, possibilitando 10 mil ciclos de carga em vez dos habituais 500. Ainda não há data definida para estas baterias entrarem no circuito comercial, embora se considere que o processo de fabrico seja relativamente simples e barato, pelo que os investigadores querem que a nova tecnologia chegue ao mercado em dois anos. Segundo os investigadores, esta tecnologia pode ter um impacto especialmente significativo na área dos carros elétricos, uma vez que permite carregar a bateria em minutos em vez de horas e que garante que não é necessário substituir a curto ou médio prazo um componente relativamente caro do veículo." Figura 6 - Fotografia retirada do artigo

21 Baterias NiMH Conclusões A realização deste trabalho permitiu-nos elucidar sobre os métodos de carga e descarga das pilhas recarregáveis, as suas aplicações e as suas capacidades disponíveis. O tema em abordagem foi também bastante adequado ao curso, o que nos permitiu obter conhecimentos prévios para assuntos que viremos a estudar no futuro próximo, durante o nosso percurso académico. Através do estudo das pilhas chegamos à conclusão que por trás de um objeto tão simples existe uma grande complexidade de funcionamento, que é explicada em grande parte ao longo do relatório. Devido a esta complexidade, há cuidados a ter com a utilização das pilhas como a sua exposição ao calor ou frio excessivo, à forma como é realizada a sua carga e até mesmo evitar quedas violentas. A questão principal do relatório conseguiu ser respondida com sucesso após ser realizada a parte experimental, onde foram testadas pilhas com o acompanhamento do monitor e do supervisor. Para finalizar, todos partilhamos a mesma opinião positiva sobre esta disciplina, que tem como intuito introduzir todos os estudantes novatos ao mundo da engenharia de uma maneira teórica e prática. Além dos conhecimentos adquiridos também é de valorizar o modo como pudemos conhecer novas pessoas num mundo completamente diferente daquele a que estávamos habituados, conectando os pontos fortes de cada um de nós com objetivo de ter o melhor trabalho possível.

22 Baterias NiMH 22 Referências bibliográficas Bibliografia: Exame Informática 233, ano 19, Novembro de Página 20 Webgrafia: BatteryStuff. BatteryStuff (acedido em 14 de Outubro de 2014). Buchmann, Isidor. Battery University. 23 de Janeiro de (acedido em 14 de Outubro de 2014).. Battery University. 20 de Março de (acedido em 15 de Outubro de 2014). Electrónica. Electrónica. (acedido em 15 de Outubro de 2014). Energizer Battery Manufacturing Inc.. Nickel Metal Hydride (NiMH) (acedido em 14 de Outubro de 2014). Globtek. Globtek, Inc (acedido em 22 de Outubro de 2014). Kopera, John J.C. COBASYS. 25 de 6 de (acedido em 16 de Outubro de 2014). Netto, Luiz Ferraz. Feira de Ciências. (acedido em 20 de Outubro de 2014). Radio Club Junin. LU7DCE. (acedido em 21 de Outubro de 2014). Universidade Federal do Piauí. Universidade Federal do Piauí f (acedido em 13 de Outubro de 2014).