Pilhas Recarregáveis Análise da capacidade

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Pilhas Recarregáveis Análise da capacidade Projeto FEUP 2014/2015 MIEEC Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo 1MIEEC02_02 Supervisor: Paulo Costa Monitor: Manuel Silva Estudantes & Autores: Afonso Bonito: Guilherme Figueiredo: Luís Encerrabodes: Marco Santos: Pedro Magalhães: Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 1/22

2 Resumo Nos dias de hoje, é importante procurarmos fontes de energia mais ecológicas e eficientes. As pilhas recarregáveis são uma boa alternativa às pilhas não recarregáveis. Com a realização deste trabalho, o nosso grupo tem o objetivo de comparar estes dois tipos de pilhas, referindo as vantagens e desvantagens de cada um deles (a nível de capacidade, duração, voltagem e respetivos efeitos no ambiente). Para tal, aproveitámos a aula prática de Projeto FEUP, na qual testámos vários tipos de pilhas, o que nos permitiu tirar conclusões relativamente à temática do nosso trabalho. (Falar dos métodos, procedimentos, resultados e conclusões) Palavras-Chave Pilha; Níquel Cádmio; Metal Hidreto; Alcalina; Pilha Seca; Capacidade; Descarga; Intensidade; Voltagem; Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 2/22

3 Agradecimentos Deixamos desde já o nosso agradecimento ao nosso supervisor,prof. Paulo Costa, e ao nosso monitor, Manuel Silva, pela ajuda dada durante o processo de desenvolvimento deste mesmo trabalho. Queremos também agradecer as ferramentas que nos foram oferecidas durante a Semana do Projeto FEUP, através de excelentes orados e eficazes apresentações. Por fim, agradecemos à FEUP pelos equipamentos fornecidos. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 3/22

4 Índice Lista de figuras 1. Introdução 2. Funcionamento da pilha 2.1 Funcionamento de uma pilha recarregável 3. História da pilha 4. Mercado 5. Pilhas não recarregáveis 6. Pilhas recarregáveis 7. Tabela 8.Impacto no ambiente 9. Conclusões Referências bibliográficas Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 4/22

5 Lista de figuras Fig.1 Constituintes de uma pilha seca Página 7 Fig.2 Pilha de Volta Página 8 Fig.3 Procura das pilhas alcalinas em comparação com as restantes pilhas primárias Página 9 Fig.4 Custo e procura das pilhas primárias e secundárias no mercado global Página 10 Fig.5 Pilha seca Página 11 Fig.6 Pilha alcalina Página 11 Fig.7 Representação esquemática de uma pilha Níquel Metal Hidreto Página 12 Fig.8 Custo, capacidade e tensão de pilhas recarregáveis e não recarregáveis Página 13 Fig.9 Gráfico do ensaio a 550mA (Ensaio 1) Página 15 Fig.10 Gráfico do ensaio a 1100mA (Ensaio 2) Página 15 Fig.11 Gráfico da potência do ensaio 1 Página 16 Fig.12 Gráfico da potência do ensaio 2 Página 17 Fig.13 Equipamento utilizado para os ensaios de descarga Página 17 Fig.14 Gráfico da Voltagem (em mv) em função do tempo (em segundos) Página 18 Fig.15 Gráfico da voltagem em função do tempo das pilhas D e A Página 19 Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 5/22

6 1. Introdução A Energia é a base do mundo desenvolvido e, nesse contexto, as pilhas têm uma grande importância no nosso quotidiano, sendo utilizadas em variados aparelhos, tais como comandos, calculadoras, relógios, ratos sem fios, rádios, entre muitos outros. O mercado global de pilhas e baterias é valorizado em, aproximadamente, 50 mil milhões de dólares americanos, sendo que, destes, 5,5 mil milhões correspondem a pilhas recarregáveis, o que ainda é uma minoria. Neste relatório começaremos por explicar, de um modo simples, o funcionamento de uma pilha, referindo os seus constituintes. Seguidamente, faremos uma breve referência à História da pilha, apontando as datas em que os diferentes tipos de pilhas foram inventados. Iremos abordar, também, o mercado das pilhas, prestando atenção às pilhas piratas. De seguida, vamos começar por comparar as pilhas recarregáveis com as não recarregáveis, recorrendo a dados que encontrámos através de pesquisa. Apresentaremos, também, os procedimentos, dados e conclusões que retirámos da aula prática, comparando os com os dados teóricos. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 6/22

7 2. Funcionamento da pilha Uma pilha é um aparelho que produz corrente elétrica através de reações químicas de oxidação redução. As pilhas são compostas por dois elétrodos e um eletrólito. O elétrodo positivo chama se cátodo e é nele que ocorre a reação de redução. A reação de oxidação ocorre no elétrodo negativo, denominado de ânodo. O eletrólito é uma solução condutora de iões, estabelecendo a ligação entre os dois elétrodos. Fig.1 Constituintes de uma pilha seca 2.1 Funcionamento da pilha recarregável As pilhas recarregáveis (pilhas secundárias) apresentam o mesmo princípio de funcionamento das não recarregáveis (primárias). A diferença reside no facto da reação química no caso das pilhas recarregáveis ser reversível. Assim, quando se aplica uma fonte de energia elétrica exterior, a reação do negativo para o positivo que ocorre na descarga é invertida, permitindo que a carga seja restaurada. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 7/22

8 3. História da pilha O termo bateria surgiu, pela primeira vez, em 1748, tendo sido utilizado por Benjamin Franklin para descrever um arranjo de pratos com carga elétrica. Mas foi em 1800 que o físico italiano Alessandro Volta descobriu o primeiro método prático para gerar energia elétrica, inventando a pilha de Volta (ou pilha voltaica). Partindo do princípio de que a eletricidade provém dos metais, Volta construiu uma pilha constituída por discos alternados de zinco e cobre, colocando pedaços de cartão embebidos em água salgada entre cada dois discos. Criou, assim, a primeira pilha que produzia uma corrente elétrica significativa e estável. No entanto,este tipo de pilha durava muito pouco tempo. Em 1836, o inglês Daniell Cell inventou a pilha de Daniell, que usava dois eletrólitos: o sulfato de cobre e o sulfato de zinco. Esta pilha tinha uma capacidade bastante maior que a voltaica e produzia cerca de 1 Volt. Foi utilizada em telégrafos, telefones, campainhas, entre outros, tendo sido utilizada durante 100 anos. Em 1859, o inventor francês Gaston Plante desenvolveu a primeira bateria recarregável. Hoje em dia, este tipo de bateria é utilizado em automóveis. Foi em 1866 que surgiu a primeira pilha de zinco carbono. Criada pelo engenheiro francês Georges Leclanche, o cátodo desta pilha era constituído por dióxido de manganésio esmagado, com resíduos de carbono; e o ânodo era tratava se de uma vareta de zinco. O eletrólito era uma solução de cloreto de amónio. A primeira pilha seca foi inventada em 1881, por Carl Gassner, e em 1899, Waldmar Jugner inventou a pilha recarregável de níquel cádmio. As pilhas alcalinas surgiram, finalmente, no ano de Criadas por Lewis Urry, estas pilhas podem durar cerca de oito vezes mais do que as pilhas secas, utilizadas até à data. Fig. 2 Pilha de Volta Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 8/22

9 4. Mercado Como já referido na introdução, o mercado global de pilhas tem um valor estimado de cerca de 50 mil milhões de dólares americanos. O mercado das pilhas não recarregáveis é dominado pelas pilhas alcalinas. Fig. 3 Procura das pilhas alcalinas em comparação com as restantes pilhas primárias Como podemos observar no gráfico anterior, as pilhas alcalinas têm uma procura muito superior às restantes pilhas não recarregáveis (ou primárias). Fig. 4 Custo e procura das pilhas primárias e secundárias no mercado global Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 9/22

10 O gráfico anterior indica nos que as pilhas não recarregáveis correspondem a cerca de 90% do volume de todas as pilhas do mercado. Podemos ver, também, pela barra da esquerda, que as pilhas recarregáveis apresentam um custo consideravelmente superior ao das não recarregáveis. Mais à frente, neste relatório, analisaremos mais pormenorizadamente essas diferenças relativamente ao preço. Os dados anteriores dizem respeito a pilhas fidedignas, porém, existem vários tipos de pilhas piratas presentes no mercado. Estas pilhas, sendo mais baratas, apresentam muitas desvantagens relativamente às restantes. Enquanto uma pilha pirata poderá ter uma durabilidade de, aproximadamente, 4 horas, uma pilha fidedigna equivalente pode durar até 11 horas. Estas pilhas provocam, também, efeitos mais prejudiciais no ambiente e na saúde humana, uma vez que estas podem conter até 24 vezes mais mercúrio, cádmio e chumbo do que os valores recomendados. O descarte incorreto destas pilhas pode ser considerado crime ambiental. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 10/22

11 5.Pilhas não recarregáveis (Secas e alcalinas) Dentro do domínio das pilhas não recarregáveis, existem vários tipos de pilhas. Neste relatório prestaremos atenção às pilhas secas e às pilhas alcalinas. As primeiras, também chamadas de pilhas comuns, são formadas por um cátodo de carbono e um ânodo de zinco. Estes dois pólos estão em contacto entre si através de uma mistura de dióxido de manganês, carbono, cloreto de zinco e cloreto de amónio. Quando a pilha é sujeita a uma dada ligação externa entre os pólos, desencadeia se uma reação química em que o zinco liberta eletrões para o circuito externo e o dióxido de manganês, em contacto com o carbono, capta electrões. Como consequência dessa reação, produz se uma diferença de potencial eléctrico entre os pólos e, consequentemente, origina se a energia eléctrica. As pilhas alcalinas, por sua vez, apresentam largas semelhanças no que toca ao modo de funcionamento. O nome desta pilha deve se ao facto de o seu eletrólito ser de natureza básica. Este electrólito é composto por uma solução aquosa de hidróxido de sódio ou hidróxido de potássio (bases fortes), na qual estão inseridos eléctrodos em dióxido de manganês e em pó de zinco. É a reação entre esses componentes que confere à pilha alcalina a energia eléctrica. Se comparadas com as pilhas secas, alcalinas são capazes de durar até 5 vezes mais, mantendo a sua voltagem firme por mais tempo. Esta vantagem deve se ao facto de o hidróxido de sódio/potássio ser melhor condutor e, para além disso, a existência de um meio básico faz com que o zinco sofra um desgaste mais lento, quando comparado com o que ocorre nas pilhas secas (mais ácidas). Todos estes fatores contribuem para que estas pilhas sejam uma opção mais cara que as pilhas comuns. Fig. 5 Pilha seca Fig. 6 Pilha Alcalina Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 11/22

12 6. Pilhas Recarregáveis (Níquel Cádmio e Níquel Metal-Hidreto) Este tipo de pilhas também está dividido em vários tipos. No entanto, vamos abordar apenas dois deles: as pilhas NiCd (Níquel Cádmio) e as NiMH (Níquel Metal Hidreto). As NiCd foram as primeiras a surgir. O ânodo destas pilhas é consituído por Cádmio, o cátodo por Níquel e o eletrólito trata se de Hidróxido de Potássio. Estas pilhas são as mais baratas, sendo, também, as que têm menor tempo de vida útil. Para além disso, apresentam uma menor capacidade de carga. Outro fator que torna estas pilhas menos viáveis é o chamado efeito memória. Este problema ocorre quando resíduos da carga da pilha induzem a formação de pequenos blocos de cádmio, o que faz com que a pilha deixe de poder ser totalmente carregada. Para evitar esse problema deve se deixar a pilha descarregar totalmente antes de a recarregar. É devido ao efeito memória, à menor capacidade e tempo de vida e, principalmente, ao facto de esse tipo de pilha ser muito poluente (sendo o cádmio um metal pesado altamente poluente) que estas pilhas estão cada vez mais em desuso. As pilhas denominadas por NiMH (Níquel Metal Hidreto) têm uma constituição semelhante às Níquel Cádmio, com a diferença de o seu ânodo, em vez de ser feito de Cádmio, se tratar de uma liga de um metal alcalino terroso. Estas são as pilhas recarregáveis mais usadas na atualidade, pois têm maior tempo de vida útil, maior capacidade e são capazes de suportar um maior número de cargas e descargas. Fig. 7 Representação esquemática de uma pilha Níquel Metal Hidreto Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 12/22

13 7. Tabela de comparação entre algumas marcas de pilhas recarregáveis e não recarregáveis Custo por pilha Pilhas Não Recarregáveis LR06 Geonaute 0.42 a 0.75 Energizer 1.00 a 1.25 Varta 1.00 Sony 0.50 a 0.75 Duracell 0.95 a 1.25 Philips 1.00 Samsung 0.38 Mitsai 0.54 a 1.13 Continente 0.70 Polegar 0.24 Pilhas Recarregáveis Duracell 3.25 a 3.50 Varta 2.25 a 3.00 Duracell 3.00 Energizer 3.49 Mitsai 4.00 Continente 3.38 Continente 3.25 Continente 3.75 Capacidade Sem informação (Não fornecida) Duracell 1700mAh Varta 2100mAh Duracell 1300mAh Energizer 2000mAh Mitsai 2500mAh Continente 2000mAh Continente 2500mAh Continente 2800mAh Tensão 1.5V Duracell 1.2V Varta 1.2V Energizer 1.2V Mitsai 1.2V Continente 1.2V Fig.8 Custo, capacidade e tensão de pilhas recarregáveis e não recarregáveis Como podemos ver através da tabela, o custo das pilhas recarregáveis é superior ao das pilhas não recarregáveis. Isto deve se principalmente ao facto da tecnologia usada neste tipo de pilhas ser mais avançada que a usada nas pilhas secas e alcalinas. Isto permite que estas possam ser usadas múltiplas vezes antes do seu fim. Na tabela também é evidente a falta de informação relacionada com a capacidade das pilhas não recarregáveis, informação essa que não é fornecida pelos seus fabricantes. A recolha dessa informação é um dos objetivos do nosso trabalho, informação essa que nos vai permitir fazer uma comparação fidedigna entre as capacidades das pilhas recarregáveis e não recarregáveis. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 13/22

14 8. Impacto no ambiente As pilhas são constituídas por químicos que reagem entre si. Estes químicos, como o níquel e o cádmio, são extremamente tóxicos e podem causar danos ao homem e ao ambiente. Mais especificamente, podem causar poluição do solo e da água e pôr em perigo a vida selvagem. Por exemplo, o cádmio pode danificar os micro organismos do solo, impossibilitando os de produzir matéria orgânica. Pode ainda acumular se no organismos dos peixes, reduzindo o número de peixes e tornando os impróprios para consumo humano. Muitas vezes, o seu destino são os aterros, mas em Portugal existe uma sociedade responsável pela gestão de resíduos de pilhas e baterias portáteis e industriais (Ecopilhas Sociedade Gestora de Resíduos de Pilhas e Acumuladores, Lda). Em Portugal existe legislação que define os princípios e normas aplicáveis à gestão de pilhas e acumuladores (Decreto Lei nº6/2009 de 6 de Janeiro). A União Europeia também tem diretrizes sobre a reciclagem de pilhas e acumuladores usados (Diretiva Europeia 2006/66/CE de 6 de 1 Setembro de 2006; Diretiva Europeia 2008/103/CE de 19 de Novembro de 2008). 1 Para mais informações aceder ao site Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 14/22

15 9. Ensaios de descarga Com o intuito de comparar diferentes tipos de pilhas, na aula prática procedemos a testes de descarga, comparando a capacidade de duas diferentes pilhas, ambas de Níquel Metal Hidreto. (As informações de fábrica dizem nos que ambas as pilhas têm uma capacidade de 1500mAh). Para tal, fizémos dois ensaios para cada tipo, um deles a 550 ma e o outro a 1100 ma. Os seguintes gráficos indicam nos a voltagem das duas pilhas (em Volts), ao longo do tempo (em segundos) de descarga. Para efeitos práticos, considera se que uma pilha está descarregada quando a sua voltagem é inferior a 1V. Fig.9 Gráfico da voltagem do ensaio a 550mA (Ensaio 1) Fig.10 Gráfico da voltagem do ensaio a 1100mA (Ensaio 2) Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 15/22

16 A primeira análise aos gráficos indica nos que, como seria de esperar, as pilhas descarregam se mais rapidamente quando sujeitas a uma intensidade de 1100mA do que no ensaio de 550 ma. Podemos observar que a pilha A, em ambos os ensaios, apresentou uma durabilidade superior à da pilha B. (No primeiro ensaio, a pilha A durou 4120s, enquanto a pilha B durou apenas 3875s. No segundo gráfico verifica se que a pilha A durou 2185s e a pilha B durou 2015s) Sendo assim, e como a intensidade da corrente é igual para as duas pilhas, conclui se que a capacidade da pilha A é superior à da pilha B. Os nossos cálculos, obtidos através do Ensaio 1, indicam nos que a pilha A tem uma capacidade de, aproximadamente, 629mAh (ou seja, ao descarregar a pilha, a uma intensidade de 629mA, esta durará, em princípio, 1h) e que a capacidade da pilha B é de 592 mah. Através dos dados do Ensaio 2, obtivémos, também, a capacidade da pilha A sendo esta de 667mAh e a da pilha B, que tem o valor de 615mAh. Seria de esperar que os resultados obtidos, relativos à capacidade, para cada uma das pilhas fossem iguais em ambos os ensaios. Porém, não é isso que se verifica. Com isto, verificamos que a capacidade não é um valor constante, dependendo de outros fatores. Além do mais, o Ensaio 2 não foi, exatamente, realizado a 1100mA, sendo que a corrente teve uma intensidade média de, aproximadamente, 1000mA. Mesmo assim, os resultados foram conclusivos, na medida em que foi possível fazer uma clara comparação entre as duas pilhas. Verificámos, também, que o valor da capacidade que é dado pelo fabricante é, de longe, superior ao valor real das pilhas. Fig.11 Gráfico da potência do ensaio 1 Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 16/22

17 Fig.12 Gráfico da potência do ensaio 2 Os gráficos anterirores mostram a potência (em Watts) em função do tempo (em segundos). Observa se que, tal como a voltagem, a potência de cada uma das pilhas vai decrescendo ao longo do tempo de descarga, o que era de esperar, uma vez que a intensidade da corrente se mantém relativamente constante ao longo da descarga, enquanto o valor da voltagem decresce. Fig.13 Equipamento utilizado para os ensaios de descarga Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 17/22

18 Após os ensaios efetuados em pilha Níquel Metal Hidreto, foram efetuados os mesmos tipos de testes para 3 pilhas alcalinas, a uma intensidade de 550mA. As pilhas são as seguintes: Pilha C AAA Ultra Alkaline ToyRus Pilha D AAA Alkaline Philips Powerlife Pilha E AAA Alkaline Simply Duracell Fig.14 Gráfico da Voltagem (em mv) em função do tempo (em segundos) Através da análise do gráfico, observamos que as três pilhas têm um comportamento semelhante. Relativamente à capacidade, as pilhas D e E são praticamente idênticas, tendo uma capacidade de 252mAh e 248mAh, respetivamente. A Pilha C é ligeiramente inferior às restantes, tendo uma capacidade de, aproximadamente, 222mAh. Estes ensaios permitiram nos verificar que a capacidade das pilhas alcalinas é bastante inferior à das pilhas de Níquel Metal Hidreto, sendo que, para o mesmo valor da intensidade da corrente(550ma), as recarregáveis duraram cerca de 2,5 vezes mais tempo do que as não recarregáveis. O gráfico seguinte estabelece uma relação entre a pilha alcalina com maior capacidade (Pilha D) e uma das pilhas recarregáveis: a Pilha A. O gráfico dá nos a voltagem (em mv) em função do tempo (em segundos). Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 18/22

19 Fig.15 Gráfico da voltagem em função do tempo das pilhas D e A Observamos, assim, que as pilhas Níquel Metal Hidreto que testámos são muito mais durardouras do que as alcalinas. Estes ensaios permitem nos concluir que a única desvantagem destas pilhas recarregáveis relativamente às não recarregáveis é o preço, que é muito mais elevado. Porém, tendo em conta o facto de que as pilhas Níquel Metal Hidreto podem ser sujeitas a múltiplas descargas e cargas, tornam se uma alternativa viável. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 19/22

20 10. Conclusões Com a realização deste relatório e dos ensaios das aulas práticas de Projeto FEUP, concluimos que as pilhas recarregáveis são uma excelente alternativa às pilhas não recarregáveis, a longo prazo. Verificámos que as pilhas recarregáveis (em particular, as pilhas Níquel Metal Hidreto) têm uma capacidade significaivamente superior à das pilhas alcalinas (que, como vimos, dominam o mercado global), sendo bastante mais duradouras. Como referimos, também, ao longo do relatório, as pilhas são constituídas por químicos que podem ser prejudiciais ao ambiente e à saúde humana. Nesse aspeto, as pilhas recarregáveis apresentam se, também, como a opção mais viável, uma vez que, por serem utilizadas várias vezes, não produzem tantos resíduos, sendo uma solução amiga do ambiente. Pensamos que o facto do custo das pilhas recarregáveis ser mais elevado não é um fator muito significativo, tendo em conta que, devido ao facto de este tipo de pilhas ser muito mais duradouro, acaba por não fazer diferença, a longo prazo. Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 20/22

21 Referências bibliográficas Isidor Buchman Battery University. Acedido a 9 de outubro de Bianca Reis Diário do Consumidor Pilha Pirata Causa Prejuízo Econômico, Ambiental e para a Saúde do Consumidor(blog), 6 de fevereiro de Acedido a 9 de outubro de pirata causa prejuizos econ omico ambiental e para a sua saude do consumidor Emerson Alecrim Pilhas Recarregáveis, Acedido a 15 de outubro de Agência Portuguesa Do Ambiente Resíduos de Pilhas e Acumuladores. Acedido a 15 de outubro de Instituto Newton C Braga Como funciona as pilhas e baterias. Acedido a 16 de outubro de Juliana Caribé, Rose Azevedo, Luiz Monteiro, Alfredo Lobo Relatório sobre análise em pilhas alcalinas e Zinco Manganês. Acedido a 18 de outubro de Hennessy, Denis Measuring battery capacity with an arduino. Denis Hennessy (blog), 8 de abril de Acedido a 19 de outubro de battery capacity with an arduino/ Energizer Learn about batteries, batery facts, history and care Energizer. Acedido a 19 de outubro de center/pages/facts history care.aspx Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 21/22

22 Howstuffworks How batteries work. Acedido a 20 de outubro de tech/battery5.htm Cleantech Batterie technologies and markets. Acedido a 22 de outubro de storage/3516 bat.html Pilhas recarregáveis Análise da capacidade 22/22