2014/2015 ESTUDO DA CAPACIDADE DISPONÍVEL EM PILHAS RECARREGÁVEIS MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA ELETROTÉCNICA E DE COMPUTADORES AUTORES: Francisca Pereira up201404388@fe.up.pt João Tavares up201405850@fe.up.pt Pedro Costa up201402793@fe.up.pt Pedro Silva up201406088@fe.up.pt Supervisor: Paulo Costa Monitor: Manuel Silva
Resumo Este relatório, elaborado no âmbito da unidade curricular designada Projeto FEUP tem como objetivo o estudo da capacidade disponível em pilhas recarregáveis, mais precisamente revelar as vantagens da utilização deste tipo de pilhas em comparação com as pilhas não recarregáveis (alcalinas). Visando reunir dados que comprovassem a importância da utilização das pilhas recarregáveis em comparação com as demais, foi realizada uma experiência que consistiu na utilização de um setup que permitisse realizar a descarga de pilhas recarregáveis e não recarregáveis de forma controlada através de um computador que permitiu fazer as descargas das referidas pilhas a diferentes tipos de tensão e a uma intensidade de corrente sempre constante. Após o tratamento dos dados relativos ás descargas das pilhas realizadas foi-nos possível concluir através da análise dos gráficos da tensão em função do tempo decorrido que as pilhas recarregáveis NiMH utilizadas na experiência contém uma capacidade de carga e descarga superior á das demais pilhas alcalinas. Assim a partir deste trabalho foi possível concluir que a utilização de pilhas recarregáveis é sempre mais vantajosa do que a utilização de pilhas alcalinas, apresentando as primeiras a melhor relação preço/durabilidade, bem como a melhor opção de capacidade de carga disponível na sua utilização e a solução mais amiga do ambiente. O trabalho foi realizado pelos alunos do 1º ano da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Palavras-chave Pilhas Pilhas recarregáveis Pilhas alcalinas Energia Tensão Descarga Densidade Pág. 1
Índice Lista de figuras... 3 Lista de tabelas... 3 Lista de gráficos... 3 Lista de acrónimos... 4 Introdução... 5 Utilização da pilha na atualidade... 6 Surgimento da pilha... 6 Pilhas não recarregáveis... 6 Pilhas recarregáveis... 7 Pilhas recarregáveis NiCd... 7 Pilhas recarregáveis NiMH... 7 Custo... 8 Fiabilidade... 8 Temperatura de utilização... 9 Procedimento experimental... 10 Descarga das pilhas... 10 Energia e capacidade de cada pilha... 13 Densidade das pilhas... 14 Vantagens e desvantagens entre os diferentes tipos de pilha... 15 Conclusões... 16 Referências bibliográficas... 17 Pág. 2
Lista de figuras Figura 1: Pilhas não recarregáveis... 6 Figura 2: Setup utilizado para descarga controlada das pilhas... 10 Lista de tabelas Tabela 1: Lista de diferentes tipos de pilha e respectivos preços... 8 Tabela 2: Caracterização das pilhas utilizadas... 10 Tabela 3: Valores de energia obtidos em cada ensaio... 13 Tabela 4: Valores de capacidade obtidos em cada ensaio... 14 Tabela 5: Valores de densidade energética por volume obtidos para cada ensaio... 14 Lista de gráficos Gráfico 1: Descarga da pilha 1 a diferentes intensidades de corrente... 11 Gráfico 2: Descarga da pilha 2 a diferentes valores de intensidade de corrente... 11 Gráfico 3: Descarga de pilhas alcalinas a uma intensidade de corrente constante de 550 mah... 12 Pág. 3
Lista de acrónimos FEUP: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto NiMH: níquel-metal hidreto NiCd: níquel-cádmio d.d.p.: diferença de potencial MDP: mid-point voltage Pág. 4
Introdução Na disciplina de "Projeto FEUP" foi pedido ao grupo de alunos da Turma 2 do 1º Ano do Mestrado Integrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto que elaborassem um relatório técnico alusivo ao tema: "Capacidade Disponível em Pilhas Recarregáveis". Com base nestas informações, o nosso estudo baseou-se em testes, medições e comparações entre os diferentes tipos de pilhas utilizados, com diversos objetivos em mente. Em primeiro lugar, realizámos a experiência de carga e descarga de uma pilha, a intensidade de corrente constante. Em seguida, verificámos se as especificidades experimentais verificadas pelo grupo, para cara um dos diferentes tipos de pilha usados correspondiam às especificidades indicadas pelos produtores/fabricantes da sua correspondente. E, por fim, com as informações obtidas no ponto anterior, concluímos qual dos tipos de pilha seria a melhor escolha em vários aspetos, entre os quais preço, durabilidade, energia fornecida, capacidade de carga e descarga, com um foco particular nas pilhas recarregáveis, de forma a podermos perceber quais as suas vantagens (e desvantagens) relativamente às pilhas alcalinas, não recarregáveis, esperando perceber por que razão estas últimas estão a cair em desuso. Pág. 5
Utilização da pilha na atualidade Surgimento da pilha As pilhas foram uma das maiores invenções do Homem. Dada a necessidade de ter energia disponível onde e quando quisesse, a criação de uma fonte de energia portátil veio revolucionar o mundo. Em 1800 Alessandro Volta apresenta a pilha elétrica. Volta baseou-se nas experiências de Luigi Galvini (1737-1798), professor de Anatomia na Universidade de Bolonha (Itália), sobre a transferência de eletricidade através dos nervos dos corpos de animais ao serem postos em contato com diferentes metais. Assim, e após muito estudo e várias experiências, Volta elabora um dispositivo constituído por diversos discos de cobre intercalados com discos de zinco mas separados por pedaços de papel fino embebido com uma solução de ácido. Ao serem conectadas a um circuito elétrico os discos de metal iriam provar uma diferença de potencial que originaria uma série de reações químicas onde a energia química se transformaria em energia elétrica e esta ficaria disponível para ser utilizada. Com o passar dos anos a crescente procura energética levou a que a pilha inicialmente produzida por Volta fosse desenvolvida, com o objetivo de aumentar o período de tempo em que estas mantêm a carga. Assim e visando também a problemática ambiental, uma vez que as pilhas ao ficarem sem bateria teriam que ser deitadas fora e os seus constituintes são bastante tóxicos para o ambiente, surgiram novos tipos de pilhas, as pilhas recarregáveis. Figura 1: Pilhas não recarregáveis Pilhas não recarregáveis São as chamadas pilhadas primárias ou pilhas alcalinas. Tendo sido as primeiras a surgir, não têm mais nenhuma utilidade após perderem toda a sua energia. Assim, e com os atuais avanços tecnológicos, estas pilhas são cada vez menos utilizadas uma vez que vão sendo substituídas pelas pilhas recarregáveis. Pág. 6
Pilhas recarregáveis Quando uma pilha alcalina fica sem energia a única solução é deitá-la fora e comprar outra, mas com as pilhas recarregáveis isto não acontece, uma vez que, utilizando um aparelho adequado podemos facilmente recarrega-las, restabelecendo a sua carga de energia. Assim, as pilhas recarregáveis podem ser utilizadas mais do que uma vez porém a sua validade não é infinita, pois depende do tipo de pilha, do seu uso e da sua manutenção. Existem diferentes tipos de pilhas recarregáveis. Neste trabalho iremos abordar dois tipos, as pilhas recarregáveis de níquel-cádmio e as pilhas recarregáveis de níquel-metal-hidreto. Pilhas recarregáveis NiCd Também referidas como pilhas NiCd, as pilhas recarregáveis de níquel-cádmio foram as primeiras a surgir e o seu nome deriva dos materiais pelos quais é constituída. Este é o tipo de pilha recarregável mais barato, tendo sido o primeiro tipo de baterias recarregáveis a ser utilizado em telemóveis portáteis mas, em contrapartida, possui menor tempo de vida útil, menor capacidade de carga quando comparada com o outro modelo e é bastante poluente. Para além disso as pilhas recarregáveis de níquel-cádmio possuem um problema de carga chamado falha de memória. Isto ocorre quando a pilha se encontra descarregada, mas, na sua maior parte devido ao uso, esta memoriza que ainda se encontra carregada com, por exemplo, 5% de bateria. Isto vai provocar o efeito Memória pelo qual a pilha irá carregar até aos seus 100%. Como na realidade ela contém 0% de bateria e vai carregar dos 5% aos 100%, carregando apenas 95% da bateria total. Este efeito vai continuando a piorar ao longo da vida da pilha, provocando sempre um menor carregamento da mesma, até que a pilha deixa de ser recarregável, pois atinge um efeito memória de 100%. Este tipo de pilhas está, cada vez mais, em desuso, pois para além de terem menor tempo de vida e menor capacidade de carga este tipo de pilha é bastante poluente, uma vez que os materiais que a constituem são muito tóxicos e prejudiciais ao meio ambiente. Pilhas recarregáveis NiMH Apesar deste tipo de pilhas ser mais caro, é o mais utilizado atualmente. Isto porque as pilhas recarregáveis de níquel-metal possuem maior vida útil e capacidade de carga e suportam mais recargas. Ao invés do modelo de pilhas anterior (pilhas NiCd) estas não apresentam problemas de memória. Pág. 7
E, para além disto, também não apresentam tantos metais pesados na sua constituição sendo, portanto, menos poluentes. Custo Devido às desvantagens das pilhas NiCd, nomeadamente o efeito de memória e o seu papel no meio ambiente (o metal cádmio não é reciclável), este tipo de pilha tenderá a ser substituído por pilhas NiMH. Estas são menos prejudiciais para o meio ambiente e apresentam características idênticas às pilhas NiCd. De facto, uma procura por grandes superfícies revelou-nos que o uso de NiCd está em declínio, visto não ter sido possível encontrar qualquer pilha recarregável dessas características. Marca Tipo de pilha Custo (4 unidades) Continente Pilha alcalina AAA 2,79 Duracell Pilha alcalina Plus AAA 3,99 Energizer Pilha alcalina Ultra AAA 3,99 Duracell Pilha NiMH 750mAh AAA 7,79 Energizer Pilha NiMH 800mAh AAA 7,29 Tabela 1: Lista de diferentes tipos de pilha e respectivos preços Fiabilidade A principal razão para falha no funcionamento da pilha trata-se do processo de sobrecarga: nomeadamente no caso de uma fast charge, é vital que o processo seja interrompido logo após o seu carregamento completo; caso contrário, as condições de pressão e temperatura aumentarão rapidamente. Para evitar uma explosão em tal situação, as pilhas NiCd e NiMH apresentam uma abertura, permitindo a expulsão de gás (diminuindo a pressão no seu interior). Porém, a sua expulsão resultará numa diminuição permanente da capacidade da pilha, dado que estes gases são necessários nas reações químicas que posteriormente fornecem a energia elétrica. (É, pois, fácil de compreender por que razão é importante ter um sistema de carregamento que consiga determinar se a pilha se encontra carregada.) Outro importante fator que leva à inoperabilidade de uma pilha trata-se da inversão do campo magnético nesta. À medida que a pilha é descarregada, a célula que atinge o valor de 0V em primeiro lugar continuará a transportar corrente proveniente das restantes células, o que terá como Pág. 8
consequência a inversão da sua tensão. Este processo poderá, tal como no processo de sobrecarga, levar ao aumento das condições de pressão e temperatura no interior da pilha. No caso das pilhas que iremos utilizar, a sua descarga termina quando esta fornece uma d.d.p. inferior a 1V. Se a descarga continuasse, ocorreriam reações irreversíveis que iriam danificar o funcionamento da mesma. Temperatura de utilização Ambos os tipos de pilha são bastante sensíveis relativamente a variações de temperatura. Para tal, alguns modelos apresentam já sensores de temperatura, de modo a evitar quaisquer anomalias no seu funcionamento. Para ambas, o intervalo de temperatura mais adequado para a sua utilização situa-se entre os 0 ºC e os 50 ºC. Porém, a sua temperatura de funcionamento ideal situa-se nos 25 ºC. De facto, para temperaturas elevadas a pilha apresenta uma menor capacidade; a baixas temperaturas a pilha não consegue carregar completamente a pilha. Em ambas as situações, existe perda de capacidade da pilha no caso de esta ser utilizada fora do intervalo aconselhado, sendo o efeito mais pronunciado no caso de temperaturas elevadas. Pág. 9
Procedimento experimental O trabalho experimental consistiu na descarga controlada de duas pilhas recarregáveis do tipo NiMH, com o objetivo de determinar qual o desvio entre o valor de capacidade, em mah, obtido experimentalmente, e o valor de capacidade referido pelo fabricante para cada uma das pilhas. Para tal, utilizou-se um setup que consistiu na utilização de um aparelho de descarga ligado a um computador, o qual permitiu fazer a descarga de cada pilha a uma intensidade de corrente constante de 1A, sendo ainda obtida o valor de d.d.p destas em intervalos de 10 segundos. Considerou-se que as pilhas ficaram sem bateria quando a sua d.d.p. caiu abaixo de 1V, dado que é impossível a utilização eficaz da pilha a valores inferiores a este. De facto, a utilização de pilhas abaixo desta gama de valores poderia provocar danos irreversíveis, como iremos ver de seguida. Figura 2: Setup utilizado para descarga controlada das pilhas Descarga das pilhas Utilizaram-se nesta experiência duas pilhas NiMH e uma pilha alcalina. Pilha 1 Pilha 2 Pilha A1 Pilha A2 Pilha A3 Tipo NiMH NiMH Alcalina Alcalina Alcalina Capacidade 1500 mah 1500 mah Volume 3,8 cm 3 3,8 cm 3 3,8 cm 3 3,8 cm 3 3,8 cm 3 Tabela 2: Caracterização das pilhas utilizadas Recorrendo ao setup, foi possível utilizar os dados adquiridos para criar um gráfico ilustrativo da curva de descarga das pilhas. A descarga de cada pilha fez-se de modo sucessivo, expondo-se estas a intensidades de corrente constantes de 300 mah, 550 mah e 1100 mah. Pág. 10
Tensão (mv) Tensão (mv) Descarga da Pilha 1 a diferentes intensidades de corrente 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 Tempo decorrido (s) 300 mah 550 mah 1100 mah Gráfico 1: Descarga da pilha 1 a diferentes intensidades de corrente 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 Descarga da Pilha 2 a diferentes intensidades de corrente 950 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Tempo decorrido (s) 300 mah 550 mah 1100 mah Gráfico 2: Descarga da pilha 2 a diferentes valores de intensidade de corrente A partir da análise do gráfico, conclui-se que as pilhas NiMH apresentam uma curva de descarga bastante suave nomeadamente para intensidades de corrente reduzidas e sofrem uma brusca diminuição na intensidade de corrente no final do seu ciclo de descarga. É importante referir que uma curva de descarga mais suave significa que a pilha consegue fornecer uma d.d.p. com menor Pág. 11
Tensão (mv) variação ao longo do tempo, assemelhando-se o comportamento destas pilhas ao de uma pilha perfeita. Ambas as pilhas iniciaram a sua descarga fornecendo uma d.d.p. próxima dos 1,2 V, ocorrendo ao longo do tempo uma pequena diminuição da intensidade de corrente fornecida pelas pilhas, como esperado. No entanto, tanto a MDP (isto é, o valor da tensão debitado pela pilha a meio da descarga) como o intervalo de tempo entre o início e o fim da descarga diminuem significativamente quando se sujeita a pilha a uma intensidade de corrente sucessivamente maior. Para efeitos de comparação, fez-se também a descarga a três pilhas alcalinas, todas a uma intensidade de corrente constante de 550 mah. Descarga de pilhas alcalinas a uma intensidade de corrente constante de 550 mah 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Tempo decorrido (s) Pilha A1 Pilha A2 Pilha A3 Gráfico 3: Descarga de pilhas alcalinas a uma intensidade de corrente constante de 550 mah No caso das pilhas alcalinas, é de notar que a sua curva de descarga é muito mais pronunciada que nos casos anteriores, sendo que as pilhas ficam completamente descarregadas muito antes de o mesmo se suceder com as pilhas recarregáveis utilizadas. É também de frisar que, dado a natureza das pilhas, os testes aqui realizados consideram-se testes destrutivos, visto não ser mais possível reutilizar a pilha para outros testes a diferentes intensidades de corrente. Pág. 12
Energia e capacidade de cada pilha A partir dos dados adquiridos, foi possível calcular para cada pilha a energia total fornecida por esta, bem como a sua respetiva capacidade. No caso das pilhas recarregáveis, calculou-se a energia fornecida para cada um dos valores de intensidade de corrente; relativamente às pilhas alcalinas, o processo foi semelhante, aparte do facto de apenas terem ocorrido testes a 550 ma. Em todas as situações, atendendo ao facto que o valor da tensão variou ao longo do tempo, bem como aos dados obtidos experimentalmente, foi possível obter uma estimativa do cálculo da energia total a partir do somatório do valor de energia fornecido durante cada intervalo de 10 segundos, até a pilha esgotar a sua carga. n E = I 5t x U 5t x t k=1 Foi assim possível obter os seguintes valores de energia, em J: Pilha 1 Pilha 2 Pilha A1 Pilha A2 Pilha A3 300 ma 2404,175 2190,711 550 ma 2514,188 1516,281 875,4048 968,198 967,6178 1100 ma 1883,92 359,832 Tabela 3: Valores de energia obtidos em cada ensaio É de notar que o valor de energia fornecida pelas pilhas alcalinas depende da intensidade de corrente que é requerida pelo aparelho em que estão a ser utilizadas, havendo uma tendência geral para a diminuição da energia fornecida com o aumento da intensidade de corrente. Este efeito é particularmente visível na pilha 2, a qual regista uma diminuição de mais de 80% da energia fornecida quando aplicada uma intensidade de corrente superior. Por outro lado, foi possível obter o valor da capacidade efetiva da pilha, efectuando assim uma comparação direta com os valores anunciados pelos fabricantes. O seu cálculo pode fazer-se recorrendo à seguinte fórmula: C = I x t Sabendo qual a intensidade de corrente a que foi feita a descarga, e analisando o gráfico para determinar quando se deu o fim desta, foi possível determinar a capacidade de cada pilha, e para cada intensidade de corrente utilizada na descarga, em mah: Pág. 13
Pilha 1 Pilha 2 Pilha A1 Pilha A2 Pilha A3 330 mah 0,553 0,503 550 mah 0,594 0,624 0,203 0,251 0,248 1100 mah 0,501 0,095 Tabela 4: Valores de capacidade obtidos em cada ensaio Densidade das pilhas A densidade energética de uma pilha é uma característica que se revela útil na escolha de um dispositivo de armazenamento de energia para utilização num determinado ambiente real. Esta relação pode referir-se à massa ou ao volume, podendo uma ou outra relação ser utilizada tendo em conta o tipo de pilha que se pretende. A densidade energética por massa exprime-se de acordo com a seguinte relação: Densidade por massa = E m (com massa em kg) Analogamente, a densidade energética por volume exprime-se do seguinte modo: Densidade por volume = E v (com volume em dm3 ) Assim, utilizando os dados experimentais anteriormente obtidos para cada ensaio, con cluímos que a densidade energética por volume de cada uma das pilhas, em J dm -3, é de: Pilha 1 Pilha 2 Pilha A1 Pilha A2 Pilha A3 300 ma 632 677 576 502 550 ma 661 628 399 021 230 369 254 788 254 636 1100 ma 495 768 94 692 Tabela 5: Valores de densidade energética por volume obtidos para cada ensaio Pág. 14
Vantagens e desvantagens entre os diferentes tipos de pilha A utilização de pilhas recarregáveis apresenta um conjunto de vantagens consideráveis uma vez que, ao contrário das pilhas alcalinas convencionais, permitem uma durabilidade enorme sendo por isso mais amigas do ambiente, evitando desta maneira o descarte de várias pilhas que apenas contribui para o aumento de poluição. Outras vantagens que estas pilhas apresentam são o facto de serem mais baratas a médio e longo prazo do que as pilhas normais, bem como quando utilizadas em aparelhos de alto consumo de energia conseguirem armazenar mais energia do que as pilhas descartáveis, pelo que lhes permite operarem durante muito mais tempo. Embora talvez a maioria das pessoas achar incomodo a utilização deste tipo de pilhas, a verdade é que, não sendo utilizadas, são capazes de manter a sua bateria durante cerca de um ano e de se carregarem em pouco tempo. Embora sejam poucas as desvantagens em utilizar pilhas recarregáveis, elas podem surgir por vezes, sendo a desvantagem mais comum o problema do efeito de memória que consiste no facto de que estas pilhas quando recarregadas várias vezes, começarem a perder a sua capacidade de carga (diminuindo assim o tempo útil da sua utilização). Outra desvantagem é o facto de quando são descartadas (mesmo tendo em consideração a frequência com que o seu descarte acontece), se tornarem mais poluentes do que as pilhas descartáveis por serem constituídas por metais pesados. Por último é de referir que o seu preço mais elevado do que o das pilhas descartáveis acaba por muitas vezes invalidar a sua compra. Pág. 15
Conclusões Após a verificação dos resultados obtidos através de pesquisa e experimentação, concluímos que as pilhas recarregáveis NiMH são as mais fiáveis, relativamente às pilhas tradicionais alcalinas não recarregáveis, uma vez que, apesar de mais caras, estas possuem uma maior durabilidade (são recarregáveis) e, portanto, possuem uma melhor relação qualidade/preço. No entanto, embora as pilhas NiCd sofram de "efeito memória", estas apresentam uma maior relação energia-massa, estas são consideradas as pilhas com melhor relação qualidade-custo, de entre as pilhas testadas na experiência. Para além deste parâmetro, é de notar também que as pilhas recarregáveis NiMH utilizadas obtiveram uma capacidade de carga e descarga superior aos outros tipos de pilhas usadas para comparação das mesmas características. Isto poderá, no entanto, ter acontecido devido a um desgaste prévio das pilhas utilizadas na experiência. Noutro ponto, concluímos ainda que o "efeito memória" não é provocado em pilhas NiMH e, como este problema ainda está presente na maioria das pilhas NiCd, podemos afirmar que nesse aspeto as pilhas NiMH trazem mais vantagens relativamente às NiCd. De notar ainda que, tendencialmente, o avanço tecnológico das pilhas tem acompanhado um decréscimo da quantidade de poluentes presentes na composição das pilhas, prejudicando cada vez menos o meio ambiente. Este foi também um dos motivos que levou ao abandono do uso da pilha NiCd, uma vez que este tipo de pilha é um dos mais poluentes. Por estes motivos, é natural que, hoje em dia, as pilhas NiMH sejam cada vez mais populares, pois todos estes benefícios que elas contém relativamente às suas homólogas alcalinas, e mesmo relativamente a outros tipos de pilhas recarregáveis (por exemplo: NiCd) provam que este tipo de pilhas é, de facto, melhor em termos comparativos em relação às demais. Pág. 16
Referências bibliográficas Pilhas recarregáveis, Emerson Alecrim. Acedido a 26 de setembro de 2014. http://www.infowester.com/pilhasrec.php Pilhas recarregáveis, António Rabitti. Acedido a 24 de setembro de 2014. http://iflr.tripod.com Characteristics of Rechargeable Batteries, Texas Instruments. Acedido a 14 de outubro de 2014. http://www.ti.com/lit/an/snva533/snva533.pdf Michael Bluejay Battery Guide, Michael Bluejay. Acedido a 17 de outubro de 2014. http://michaelbluejay.com/batteries A Guide to Understanding Battery Specifications, MIT Electric Vehicle Team. Acedido a 14 de outubro de 2014. Pág. 17