Pilhas Recarregáveis

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Projecto FEUP 2014/2015 -- Engenharia Electrotécnica e Computadores: Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo Supervisor: Paulo Costa Equipa: 1MIEEC01_2 Monitor: Jorge Bessa Estudantes & Autores: Ana Quintanilha up2014055577@fe.up.pt Cátia Zoraiaup201405269@fe.up.pt Hélder Martins up201404891@fe.up.pt Tiago Borrego up201404719@fe.up.pt

Resumo No âmbito da unidade curricular Projecto FEUP do curso Mestrado Integrado de Engenharia Electrotécnica e de Computadores, foi proposto a realização deste relatório técnico abordando a temática Capacidades das pilhas. Esta unidade curricular apresenta como principais objectivos o estímulo do trabalho de equipa assim como da importância deste, da comunicação e da capacidade de discussão científica de um dado tema. O inicio da história das pilhas, apesar de a primeira pilha apenas ter sido produzida no séc. XIX por Alessandro Volta, remonta a três séculos antes, no séc. XVI, onde o conceito no qual a pilha é baseada fora concebido por Otto VonGuericke. O conceito de funcionamento de uma pilha consiste na transformação de energia química em energia eléctrica, por meio de reacções oxidação-redução dos químicos presentes na pilha. Estes químicos variam conforme o tipo de pilha, os quais foram diversificando ao longo do tempo, tornando uns tipos de pilha mais apropriados para certos propósitos, e outros tipos de pilha para outros. Uma das revoluções nesta área foi a concepção de pilhas recarregáveis, pilhas cujas reacções poderiam ser invertidas de modo a recuperarem a sua carga, sendo possível de novo a sua utilização. Foram feitos 6 ensaios onde se descarregaram 2 pilhas de NhMI, e se registaram os valores da tensão ao longo do tempo. Após calcular a capacidade média de cada uma das pilhas, verificou-se que os valores obtidos não coincidiam com os valores fornecidos pela fábrica, sendo estes inferiores aos mesmos. Tal se pode justificar pelo facto de a capacidade média das respectivas pilhas decair com o uso das mesmas, estando as pilhas usadas nos ensaios ligeiramente gastas, sendo armazenadas em locais cujas temperaturas são pouco propícias ou ainda recarregadas a ritmos elevados. Palavras-Chave Pilhas; ; Energia Química; Recuperação de Carga; ReacçõesQuímicas; Voltagem. Energia Eléctrica; 2

Índice Lista de acrónimos... 4 Glossário... 5 1. Introdução... 6 2. Os primeiros passos das pilhas... 6 3. Sistema de funcionamento... 6 4. Como a pilha descarrega?... 7 5. Como a pilha carrega?... 8 6. Tipos de pilhas recarregáveis... 9 7. Carregadores de Pilhas... 9 9. Cálculos... 11 Pilha A (NiMH)... 11 Pilha B (NiMH)... 13 10. Conclusões... 15 Referências bibliográficas... 16 3

Lista de acrónimos Equações E=P t E Energia P Potência t - Intervalo de tempo P=U I P Potencia U - Diferença de potencial I Intensidade Capacidade Média = Área do Grafico Voltagem/Tempo Tempo Voltagem(= 1.2) 4

Glossário Potencia De um modo abrangente, a potência é uma grandeza que indica a quantidade de energia cedida por uma fonte, por unidade de tempo. A unidade SI desta é o watt(w). Contudo, em sistemas elétricos a potencia que dois aparelhos desenvolvem é o produto da diferença de potencial, gerada entre dois terminais, com a corrente que atravessa o dispositivo. Intensidade A intensidade determina a variação do fluxo de energia, sendo que quanto maior a intensidade maior vai ser a energia no espaço. A sua unidade SI é em W/m². Quando se fala em cargas elétricas, que apenas se movem com um condutor, há que falar na diferença de potencial que determina a tendência de as cargas se moverem pelo condutor. Tensão elétrica (DDP - Diferença de Potencial) A tensão elétrica é caracterizada pela diferença de potencial entre dois pontos, sendo que o que cria esta diferença é a falta de eletrões numa extremidade e o excesso na outra extremidade. De uma forma mais simplificada, esta é a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. A sua unidade SI é o volt (V). Energia A energia elétrica permite estabelecer uma corrente elétrica entre dois pontos, através da diferença de potencial elétrico gerada entre esses. A energia química baseia-se nas atrações e repulsões das ligações químicas entre átomos. Capacidade Numa pilha a capacidade remete para a quanidade de energia que a pilha armazena durante o processo de carga, que é a enegia que está disponível para usar. 5

1. Introdução As pilhas e baterias são utilizadas no nosso dia a dia quer para o uso de comandos, portáteis, telemóveis, entre outros equipamentos eletrónicos. Assim percebemos a importância destes pequenos objetos, que fazem tantos aparelhos fulcrais funcionarem. Temos assim como objectivo descobrir como estes pequenos e poderosos objetos evoluíram, como funcionam e qual a sua rentabilidade. 2. Os primeiros passos das pilhas Antes da existência de alguma pilha esta pequena ciência de produzir electricidade tinha sido idealizada por Otto VonGuericke, em 1600. A primeira descoberta relevante foi feita por Luigi Galvani, quando percebeu que os nervos transferiam a energia armazenada nos músculos, e assim vários estudiosos investigaram a criação de eletricidade a partir da química. Alessandro Volta, por volta de 1800, criou um dispositivo com zinco e prata separados por outro material poroso sendo tudo imerso numa solução aquosa, produzindo assim corrente elétrica, sendo considerando o criador de pilhas. 3. Sistema de funcionamento As pilhas no seu interior contêm compartimentos interligados entre si por electrólitos contendo catiões e aniões. É a migração de aniões e catiões de uns compartimentos para outros que vem a constituir a reação de Oxidação-redução dos componentes da pilha, que por sua vez origina a corrente elétrica. Diferentes tipos de pilhas têm diferentes tipos de funcionamento. Pilhas não Recarregáveis apenas usam reações de Oxidação-redução para transformar a energia química em energia elétrica. Por outro lado usam reações de Oxidação-redução para descarregar e reações Redox (Redução-Oxidação) para recarregar, invertendo a reação de Oxidação-redução. 6

4. Como a pilha descarrega? A descarga da pilha resulta da reação de Oxidação-redução dos componentes químicos da Pilha, criando uma diferença de potencial entre os dois polos da pilha, denominado de Tensão. As pilhas Recarregáveis ao contrário das Pilhas não Recarregáveis até bem perto da sua total descarga mantém uma Tensão constante, sendo também por essa razão preferidas às não Recarregáveis. As pilhas denihm como todas as outras são afetadas por um fenómeno chamado de Auto descarga, onde de forma indesejada a pilha vai perdendo alguma da sua carga. A magnitude desta perda é influenciada por diversos fatores, como por exemplo a temperatura. Quanto mais alta for a temperatura mais alta é a perda de carga.a pilha quando não em utilização não está totalmente parada. Na verdade, uma pequena parte das partículas dos seus componentes continuam agitadas, fazendo com que electrões transitem de uns níveis de energia para outros e da nuvem electrónica de uns átomos para a de outros (o mesmo principio que é usado para acumular e descarregar energia). Atentendo à definição de temperatura, medida da energia cinética média das partículas, pode-se facilmente demonstrar que como o aumento da energia cinética, a agitação que as partículas já apresentam quando a pilha não está a ser utilizada é aumentada também.sendo a energia cinética a responsável pelo deslocamento das partículas, por sinal, o aumento desta provoca o aumento desse deslocamento.visto isto, a perda de carga devido à agitação das parcticulas não propositada, aumenta em conformidade. A Temperatura influencia igualmente a rentabilidade da pilha quando usada. Tal como na Auto descarga, quanto mais alta a temperatura aquando a utilização, menor a rentabilidade da pilha.temperaturas demasiado baixas também não são propícias às pilhas, pois dificultam a corrente natural das reacções, sendo difícil assim a transformação de energia química em energia eléctrica. 7

5. Como a pilha carrega? As pilhas recarregáveis apenas podem serecarregadas usando dispositivos próprios para tal (carregadores). Estes Invertem a ordem de reação da descarga das pilhas, promovendo reações redox nos componentes da pilha. Um dos problemas Gráfico 1 Tensão que se levanta em relação ao carregamento de pilhas recarregáveis é a questão da Sobre Carga, que leva a danos na pilha, que por sua vez reduz a sua capacidade máxima de armazenamento. Alguns carregadores possuem mecanismos para detetar quando a pilha está totalmente carregada, como por exemplo a variação da tensão, onde a tensão após a pilha estar totalmente carregada desce ligeiramente. O carregador mede essa diferença de tensão e termina o carregamento da pilha. 8

6. Tipos de pilhas recarregáveis Dentro das pilhas recarregáveis, existem as pilhas de Níquel Cádmio (NiCd) e as Níquel Metal Hidreto (NiMH), sendo estas as mais conhecidas. As primeiras foram as primeiras pilhas recarregáveis a surgir. São por norma de menor custo, pelo que também apresentam uma menor capacidade de carga e uma tempo de vida inferior. São também as menos utilizadas devido ao cádimo apresentar uma elevada toxicidade e ser prejudicial para o meio ambiente. Um dos problemas das pilhas de Níquel Cádimo é o chamado efeito de memória, pois a pilha dá-nos a informação de estar totalmente carregada quando na realidade isso não acontece. Para uma melhor compreensão, considere-se que o efeito de memória de uma pilha é de 20%, sendo que atingir os 80% de carga a pilha dá-nos a informação de estar 100% carregada, quando na realidade ainda falta 20%. As segundas são as pilhas mais utilizadas atualmente devido à sua maior capacidade e ao maior tempo de vida. Por analogia com as pilhas de Níquel Cádimo, as pilhas de Níquel Metal Hidreto aguentam mais as recargas, são menos poluentes e não possuem o efeito de memória, daí serem as mais utilizadas. Tanto as pilhas de NiMh e as pilhas de NiCd têm uma tensão de 1,2V, uma alta capacidade de fornecimento de corrente e uma alta auto descarga. Contudo, as pilhas de NiMh apresentam cerca de 1000 ciclos de recarga e as pilhas de de NiCd apresentam cerca de 500 ciclos de recarga. 7. Carregadores de Pilhas Os carregadores de pilhas são dispositivos, cuja função é (re)carregar pilhas. O método para recarregar as pilhas consiste na colocação de um ou dois pares de pilhas no aparelho e ligar o mesmo a uma tomada de rede elétrica. O processo baseia-se na transmissão de corrente elétrica para as pilhas de forma à energia ficar armazenada. Relativamente ao tempo de carga, este está diretamente relacionado com a corrente, sendo que quanto maior for a corrente, por consequente o tempo de carga irá ser menor. Já a velocidade de carga está relacionada com a geração de calor, daí a necessidade de uma carregador que nos informe que a pilha está totalmente carregada. É preciso tomar atenção à temperatura da pilha para que não ocorra um super aquecimento, pois este pode fazer com que a pilha vaze, ou mesmo, expluda. 9

8. Reciclagem de Pilhas A reciclagem de pilhas leva a uma diminuição do risco de deposição descontrolada das mesmas, pois desta forma são recolhidas à parte do resto dos resíduos, o que impede que por vezes sejam depositadas em aterros onde se decompõem e poluem o meio ambiente. Com esta recolha separada de pilhas e acumuladores, é possível decompor os mesmoseparando os seus constituintes. Estes podem assim ser reutilizados em outros processos produtivos, diminuindo assim a necessidade de recorrer a recursos naturais, como por exemplo recursos minerais utilizados na produção de novas pilhas. 10

9. Cálculos Pilha A -1100mAh (NiMH) Descarga a 300 mah - 0,27C Capacidade média= 1021,65 mah Tempo de descarga: 2h03 11

Descarga a 550 mah - 0,5C Capacidade média= 985,41 mah Tempo de descarga: 1h09 Descarga 1100 mah 1C Capacidade média=932,05 mah Tempo de descarga: 0h37 12

Pilha B -1100mAh (NiMH) Descarga a 300 mah - 0,27C Capacidade média= 1005,98 mah Tempo de descarga: 1h52 Descarga a 550 mah - 0,50C Capacidade média= 958,51 mah Tempo de descarga: 1h06 13

Descarga a 1100 mah - 1C Capacidade média= 866,87 mah Tempo de descarga: 0h37 14

10. Conclusões Comparando os valores obtidos com os valores defábrica (1100 mah), podemos concluir que as pilhasem questão encontram-se gastas, visto que apresentamvalores para a capacidade média inferiores aos defábrica. A pilha A encontra-se com 84,73% e a pilha 2 com 78,81% de rendimento em relação aos dados de fábrica. Podemos ainda concluir que aumentar o ritmo dedescarga diminui a capacidade média. 15

Referências bibliográficas http://sistemas.ib.unicamp.br/be310/index.php/be310/article/viewfile/258/201 [16/10/2014 10:40] http://www.infowester.com/pilhasrec.php [16/10/2014 10:43] http://www.pcguia.pt/2012/04/baterias-pilhas-mitos-dicas/ [16/10/2014 10:47] http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilha-alessandro-volta.htm [16/10/2014 10:56] http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilhas-duvidas-frequentes.htm [16/10/2014 10:58] http://ghztecnologia.blogspot.pt/2010/12/como-surgio-as-baterias-pilhas.html [16/10/2014 11:15] http://www.notapositiva.com/pt/trbestbs/quimica/12_exploracao_mineira_e_pilhas _ comerciais_d.htm [16/10/2014 11:17] http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/pilhas-e-baterias [16/10/2014 11:26] 16