Estudo da capacidade de pilhas recarregáveis

Estudo da capacidade de pilhas recarregáveis Projeto FEUP 215/216 Equipa MIEEC4_6: Supervisor: Paulo Costa Monitor: Gustavo Ferreira Trabalho realizado pelos alunos: João Gonçalves up2155798@fe.up.pt Filipe Torres up2154398@fe.up.pt Miguel Rodrigues up2155583@fe.up.pt Pedro Coelho up215479@fe.up.pt 1

Resumo Este trabalho conte uma base teórica, onde é explicado o funcionamento das pilhas, mais concretamente três tipos (Ni-Cd, Ni-MH,Li-ion), e de certos fenómenos a elas associados. Foi realizada uma experiência na qual foram testadas 4 pilhas, do tipo AAA e da marca Lexman de 9 mha e do tipo NI-MH. Após a recolha dos dados foi possível calcular a capacidade. Foi concluído que a capacidade inicial ficou muito aquém do valor anunciado, mas após outras experiências, a capacidade consegui demonstrar-se superior ao valor padrão. Pode-se concluir que a resistência interna e o efeito de auto-descarga tiveram diretamente associados aos resultados obtidos. Palavras-Chave Pilhas, Pilhas recarregáveis, Baterias, NI-MH, NI-Cd, Capacidade, Carga, Descarga. 2

Índice Resumo... 2 Palavras-Chave... 2 Introdução... 5 1. Conceitos relacionados com o trabalho... 6 1.1 Intensidade da corrente... 6 1.2 Capacidade... 6 1.3 Potência... 6 1.4 Fórmulas... 6 2. O que são pilhas?... 7 2.1 História... 7 2.1.1 Primeiras pilhas e baterias... 7 2.1.2 Invenção das pilhas recarregáveis... 8 2.2 Tipos de pilhas... 8 Pilhas de Níquel Cádmio... 8 Pilhas de Níquel-Hidreto Metálico... 9 Pilha de Iões de Lítio... 1 3. Fenómenos que ocorrem nas pilhas... 12 3.1 Efeito de Memória... 12 3.2 Efeito Auto Descarga... 12 3.3 Resistência interna... 13 3.3.1 Lei de Ohm... 13 3.3.2 Resistência interna de uma pilha... 14 4. Atividade experimental... 15 4.1 Metodologia... 15 4.2 Tabela de Resultados... 16 4.3 Gráficos... 17 5. Conclusões sobre a experiência... 19 6. Conclusão... 2 3

7. Referências bibliográficas... 21 4

Introdução Pilhas são sistemas em que a energia química é transformada em energia elétrica de modo espontâneo. Existem dois tipos de pilhas, as recarregáveis e as não recarregáveis. As pilhas não recarregáveis ou células galvânicas fornecem energia ao sistema somente até que a reação química se esgote. O funcionamento destas pilhas baseia-se na transferência de eletrões de um metal que tende a perder eletrões para um metal que tende a ganhar eletrões. Este tipo de pilhas tem vindo a perder importância graças às enormes vantagens das pilhas recarregáveis que é o principal foco do nosso trabalho. As pilhas recarregáveis, como o nome indica, são pilhas que à medida que vão perdendo carga têm a capacidade de a recuperar através de uma fonte de energia adequada. Apesar disso, as pilhas recarregáveis também se esgotam, a partir do momento em que o sistema já não tem capacidade para estabelecer reações que libertem energia. O objetivo subjacente à realização da experiência era perceber se a capacidade da pilha, anunciada pela marca, corresponde ao real, fazendo para isso, sucessivos ciclos de cargas e descargas, registando os valores. Nas nossas experiências utilizamos pilhas do tipo Ni-MH. 5

1. Conceitos relacionados com o trabalho 1.1 Intensidade da corrente 1 Representa a quantidade de energia que passa num sistema fechado por unidade de tempo. A sua unidade SI de intensidade de corrente é o ampere (A). 1.2 Capacidade 2 A capacidade corresponde à intensidade obtida numa hora. A capacidade de uma bateria pode ser usada para fins de classificação de autonomia desta mesma. Normalmente é expressa em mah. 1.3 Potência 3 Potência é a energia fornecida, recebida ou gasta por unidade de tempo. No nosso caso a potência é a energia fornecida pela pilha ao sistema por unidade de tempo. 1.4 Fórmulas Resistência (Ω) Tensão (V) Intensidade (A) Capacidade (mah) Energia (J) Ρ I R I 1.2 36/1 1 Site: http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/intensidade_de_corrente 2 Site: http://www.electronica-pt.com/capacidade-bateria 3 Site: http://elektron.no.sapo.pt/oqueepotenciaelectrica.htm 6

2. O que são pilhas? 2.1 História A invenção da pilha ou baterias está obviamente relacionada com a descoberta da eletricidade, apesar disso, historiadores confirmam que as civilizações ancestrais já usavam pilhas mas ainda de um modo rudimentar. Arqueologistas encontraram provas que os Egípcios já galvanizavam antimónio para o cobre. Existem mais exemplos de civilizações antigas que já utilizavam os diferentes metais de modo a obter energia. Na era moderna um dos pri-meiros métodos de gerar energia foi através da criação de uma carga estática. Em 16, Otto von Guericke construiu uma máquina elétrica usando um globo de enxofre que quando esfregado e agitado atraía folhas e pequenos pedaços de papel. Guericke conseguiu provar que as faíscas geradas eram de natureza elétrica. Em 1744, Ewald Georg von Kleist, desenvolveu a chamada Leyden jar que guardava carga estática num frasco de vidro forrado por folha metálica dentro e fora do frasco. Estes dois elétrodos formaram um condensador. Na altura os cientistas acreditavam que a eletricidade era um fluido que podia ser guardado numa garrafa, o que podemos agora prever como falso. O primeiro uso de eletricidade estática foi com a invenção da pistola elétrica por Alessandro Volta (1745-1827). Alessandro queria proporcionar comunicações à distância. Era suposto prender um fio de ferro suportado por postes de madeira desde Como ate Milão. No terminal recetor o fio acabava dentro de um frasco cheio de gás metano. Para enviar o sinal codificado, um estímulo elétrico seria enviado pelo fio para ativar a pistola elétrica. Esta ligação nunca foi construída. Mais tarde Volta observou que o músculo de um sapo contraía-se quando tocava um objeto metálico. Este fenómeno ficou conhecido como eletricidade animal e graças a este fenómeno Volta começou a fazer experiências com todo o tipo de objetos metálicos. Este interesse por eletricidade galvânica rapidamente se espalhou pela comunidade científica da época. 2.1.1 Primeiras pilhas e baterias Volta descobriu em 18 que certos fluidos geravam um fluxo contínuo poder eletrónico quando usado como condutor. Esta descoberta levou a invenção da primeiro célula voltaica, mais conhecida como pilha ou bateria. Volta descobriu ainda que o voltagem aumentava quando se colocavam várias células voltaicas em cima umas das outras. A partir desse momento já era possível observar a corrente durante períodos consideráveis ao 7

contrário do que acontecia até à altura em que as observações das faíscas elétricas duravam frações de segundo. 2.1.2 Invenção das pilhas recarregáveis Em 1836, John F. Daniell, um químico inglês, desenvolveu uma bateria melhorada que produzia uma corrente constante comparada com a dos dispositivos anteriores. Até esta altura, todas as baterias eram primárias, ou seja, não podiam ser recarregadas. Em 1859, o físico francês Gaston Planté inventou a primeira bateria recarregável. Tendo por base a bateria melhorada de Daniell e um sistema de chumbo ácido que ainda hoje é utilizado. Mais tarde começou a ser utilizado a bateria de níquel-cádmio (NiCd) que usava o níquel como elétrodo positivo e o cádmio como elétrodo negativo. Durante muitos anos NiCd foi a única bateria utilizada para aplicações portáteis, mas ambientalistas começaram a ficar preocupados com a contaminação no ambiente quando estas baterias eram descartadas, o que ajudou a substituir estas baterias por baterias Niquel-Metal-Hibrido (NiMH). Nesta altura mesmo essas baterias já estão a ser substituídas por baterias Lítio-íon. 2.2 Tipos de pilhas Pilhas de Níquel Cádmio Este tipo de pilhas é constituído basicamente por um ânodo de hidróxido de níquel, um cátodo de cádmio e um eletrólito alcalino, tipicamente hidróxido de potássio. As reações de oxidação-redução dão-se apenas entre os elétrodos, não ocorrendo sulfatação. Apesar destas pilhas terem um preço inicial mais elevado em comparação com outras, são mais resistentes a variações de temperatura e a condições de sobrecarga. Possuem ainda a vantagem de possibilitarem a sua carga com correntes elevadas o que conduz a um menor tempo de carga. Para além do seu preço inicial elevado a principal desvantagem das pilhas Ni-Cd reside na existência de efeito de memória que obriga a descarregar totalmente a pilha para que não ocorra a sua viciação (fenómeno que diminui a tensão fornecida pela pilha). Por norma são baterias seladas. 4 Normalmente as pilhas contêm 13% a 15% de cádmio e 2% a 3% de níquel por peso. 4 PDF: https://paginas.fe.up.pt/~ee396/dissertacao_vprov2.pdf 8

O eletrólito é uma solução Básica forte capaz de causar os mesmos problemas ambientais causados pelas outras pilhas alcalinas. 5 Pilhas de Níquel-Hidreto Metálico As pilhas de Ni-MH são tecnologicamente semelhantes às pilhas de Níquel-Cádmio. Neste caso, o Hidreto metálico (hidrogénio absorvido numa liga metálica) é usado como ânodo ao invés do Cádmio (devendo-se a esta característica, a maior capacidade deste tipo de baterias). As pilhas de níquel-hidreto metálico, têm como principais vantagens (relativamente às pilhas de Ni-Cd) terem maior capacidade e serem mais ecológicas, pois são compostas por materiais menos nocivos para o ambiente. Funcionamento: Figura 1 - Esquema de eletrodos e separador para processos de carga/descarga em baterias de níquel-hidreto metálico de níquel cádmio. 5 Site: http://infohouse.p2ric.org/ref/7/633.htm 9

Durante a descarga, no eletródio positivo, o oxi-hidróxido de níquel III é reduzido a hidróxido de níquel II. NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH E =,52 V Enquanto que no eletródio negativo, o hidreto metálico MH é oxidado para regenerar a liga metálica M. MH + OH M + H2O + e E =,83 V A reação global de descarga da bateria de níquel-hidreto metálico dada pela reação: MH + NiOOH M + Ni(OH)2 E = 1,35 V Durante a descarga a reação é dada principalmente no sentido direto e aquando a carga esta passa a tomar o sentido inverso (regenerando assim os componentes NIOOH e MH). Pilha de Iões de Lítio A primeira bateria de iões de lítio recarregáveis surgiu com sucesso em 1991, comercializada pela Sony. Anteriormente a este feito, este tipo de baterias não era desconhecido, todavia, todas as tentativas para desenvolver estas baterias teriam sido falhadas. Atualmente e generalizando, estas baterias são utilizadas por todos habitantes do nosso planeta. Uma das marcas da vanguarda da tecnologia, a Apple Inc., utiliza estas baterias nos seus dispositivos. Esta empresa sofisticadíssima defende que Em comparação com a tecnologia de bateria tradicional, as baterias de iões de lítio carregam mais rápido, duram mais tempo e têm uma maior densidade energética para uma maior autonomia numa estrutura mais leve. Estas baterias possuem um ânodo (polo negativo) que normalmente é constituído pela grafite e um cátodo (polo positivo) que por sua vez é constituído por óxido metálico de lítio. Durante o processo de carga, os iões de lítio saem do polo positivo, que se oxida e cede um eletrão. Os iões de lítio e o eletrão dirige-se até ao ânodo, local onde vai ocorrer uma redução. 1

Na descarga (quando a bateria gera energia), os iões de lítio saem do ânodo e deslocam-se até ao cátodo, ou seja, existe uma reação de redução no cátodo e uma oxidação no ânodo. Este tipo de baterias pode ter alguns riscos como uma rápida descarga que conduz a um sobreaquecimento que pode resultar numa explosão. No entanto, as baterias vendidas atualmente têm já proteções térmicas para evitar o risco de explosão. 11

3. Fenómenos que ocorrem nas pilhas 3.1 Efeito de Memória O efeito de memória de uma pilha, vulgarmente falando, refere-se ao vício de uma bateria recarregável. A bateria de iões de lítio não possui efeito de memória ao contrário das pilhas níquel cádmio. Este efeito surge devido à bateria memorizar uma carga parcial feita no último carregamento e a partir daí, não consegue fazer uma carga superior a essa, e por isso, não conseguirá recarregar o dispositivo completamente. 3.2 Efeito Auto Descarga 6 Ao contrário daquilo que poderá ter sido afirmado em anúncios publicitários, todas as baterias, independentemente da sua constituição, estão sujeitas ao efeito de auto descarga. Esta condição não se baseia em defeitos de fabrico, mas sim nas características das pilhas, no entanto, os descuidos na produção e a falta de atenção na forma como estas são tratadas e transportadas pode aumentar a futura auto descarga. A auto descarga aumenta com a idade, elevada temperatura e ciclos de carga/descarga (efeito de memória). Ciclos de descarga completa ajudam a manter a memória controlada. Tipos de pilhas Pilhas de Litio primárias Estimativa de auto descarga 1% em 5 anos Pilhas Alcalinas 2-3% por ano Pilhas de Níquel-Cádmio 1-15% nas primeiras 24 horas e posteriormente 1-15% por mês Pilhas Li-ion 5% nas primeiras 24 horas e posteriormente 1-2% por mês (mais 3% devido a normas de segurança) Tabela 1 - Tabela de percentagem de auto descarga de diferentes tipos de pilhas em anos e meses. 6 Site: http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge 12

As pilhas recarregáveis de Níquel necessitam de ser recarregadas antes de usadas (principalmente se já tiverem sido compradas há algum tempo), uma vez que têm grande percentagem de auto descarga. Pilhas de níquel de alto desempenho têm uma auto descarga mais elevada do que as versões padrão. A perda de energia é maior após a pilha ser recarregada e de seguida diminui. Figura 2 - Esquema de eletrodos e separador para processos de carga/descarga em baterias de níquel-hidreto metálico de níquel cádmio. 3.3 Resistência interna 7 3.3.1 Lei de Ohm A fórmula acima demostrada aplica se a alguns componentes constituídos por materiais condutores, nos quais,aquando a aplicação de uma diferença de potencial VAB (fig.3), medida em volts (V), forma se uma corrente elétrica de intensidade I, definida em ampéres (A). Estes componentes são chamados de resistências, sendo R, medido em ohm [Ω], o seu valor. Figura 3 7 PDF, http://www.fis.uc.pt/data/2728/apontamentos/apnt_221_2.pdf 13

Quando se exerce uma tensão independente da corrente que percorre os componentes condutores que estão ligados à fonte, esta designa se ideal. No entanto, se essa tensão depender linearmente da corrente que está a ser fornecida, o que é comum em correntes baixas, a fonte de tensão pode ser modelada como sendo constituída por uma fonte ideal em série com uma resistência, designada por resistência interna, sendo assim designada por fonte ideal. Estas fontes têm sempre resistência interna, podendo na maioria das vezes ser desprezada por ser muito pequena. 3.3.2 Resistência interna de uma pilha O valor da resistência interna de uma pilha pode ser determinado montando um circuito equivalente ao da fig.4 e medindo a diferença de potencial VAB para diferentes valores conhecidos da resistência de carga R. Figura 5 - Circuito elétrico alimentado por fonte de tensão ideal. Figura 4 - Variação da tensão VAB nos terminais de uma fonte de tensão de força electromotriz E, em função da corrente eléctrica I para uma pilha. Quando a pilha funciona na zona de variação aproximadamente linear é bem modelada como sendo uma fonte ideal em série com uma resistência interna, sendo comum designá-la por fonte de tensão real. Uma vez que V AB = RI = E - r i I, a partir do gráfico da fig.5 podemos calcular a corrente eléctrica I que percorre o circuito para cada valor de R por aplicação da lei de Ohm, o que permite extrair, da parte linear de V AB (I) (fig.5), o valor da resistência interna da pilha, r i. 14

4. Atividade experimental 4.1 Metodologia Abrir uma caixa com quatro pilhas AAA novas, do tipo Ni Mh, com capacidade anunciada de 9 mah e numerá las; Colocar as pilhas numa máquina de descarrega controlada, ligada a um computador, registando assim os valores da tensão e da Intensidade da corrente a cada 5 segundos; Após exportar dos dados recolhidos pelo computador, fazer um gráfico representativo da tensão em função do tempo (para cada pilha); Através da realização de cálculos com as fórmulas anteriormente referidas, calcular a capacidade disponível na primeira utilização; Carregar as pilhas usando um carregador Medium Charger; Repetir todo este processo várias vezes, recolhendo a mesma informação e calculando a respetiva capacidade experimental. Figura 6 Embalagem das pilhas Figura 7 Aparelho de descarga controlada Figura 8- Carregador de baterias 15

4.2 Tabela de Resultados Tempo de descarga Energia Total Capacidade inicial Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Pilha 4 65 s 65 s 61 s 665 s 575,6672 J 53,538 J 575,6672 J 554,181 J 133,2563 mah 122,818 mah 124,8172 mah Tabela 2 Tabela de resultados antes do carregamento 128,2826 mah Pilha 1 Tempo de descarga 758 s Energia Total 447,558 J Capacidade final 936,9347 mah Tabela 3 Tabela de resultados após carregamento 16

4.3 Gráficos 14 12 1 8 6 4 Tensão Intensidade 2 45 9 135 18 225 27 315 36 45 45 495 54 585 63 Figura 9 - Gráfico da pilha 1. 14 12 1 8 6 4 Tensão Intensidade 2 45 9 135 18 225 27 315 36 45 45 495 54 585 Figura 1 Gráfico da pilha 2 17

14 12 1 8 6 4 Tensão Intensidade 2 45 9 135 18 225 27 315 36 45 45 495 54 585 Figura 8 Gráfico da pilha 3. 14 12 1 8 6 4 Tensão Intensidade 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 Figura 11 Gráfico da pilha 4. 14 12 1 8 6 4 Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Pilha 4 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 Figura 12 Gráfico para comparação dos valores de todas as pilhas. 18

14 12 1 8 6 Tensão Intensidade 4 2 2 4 6 8 Figura 13 Gráfico da intensidade e tensão da pilha 1 após carregamento. 5. Conclusões sobre a experiência Como se pôde verificar, na primeira descarga, o valor experimental da capacidade é muito inferior ao valor anunciado. Este facto deve se principalmente ao efeito de Autodescarga. Fomos informados que as pilhas que estávamos a usar teriam sido compradas no ano anterior. Como foi afirmado anteriormente (através da relação com os valores da pilhas Ni Cd) sabemos que este tipo de pilhas costuma perder entre 5% a 7.5% da energia total por mês. Assim sendo, é possível que grande parte da energia perdida se deva a esta causa. Também não se pôde confirmar se as pilhas vieram totalmente carregadas, o que faz com que a sua capacidade inicial pudesse ser superior se isso tivesse acontecido. Após a recolha e tratamento dos dados relativos à pilha totalmente carregada, o valor da capacidade demonstrou se superior ao anunciado pelo fabricante. Esse resultado deveuse ao facto de a pilha ter sido descarregada com uma intensidade relativamente baixa (5 Ma), o que fez com que o efeito da resistência interna fosse menor, e menos energia tenha sido desperdiçada na forma de calor 19

6. Conclusão Como foi referido acima, as pilhas recarregáveis são pilhas que à medida que vão perdendo carga têm a capacidade de a recuperar através de uma fonte de energia adequada, no entanto, após a primeira recarga, tal como se pôde verificar na nossa experiência, o comportamento a nível do tempo de descarga começa a variar, podendo isto dever se aos vários fatores referidos anteriormente neste relatório. Com este trabalho conclui se, então, que na primeira descarga o valor da capacidade das pilhas é, por norma, muito inferior ao valor anunciado pelas marcas de fabrico, sendo que esta discrepância se deve, em grande parte, à auto descarga que ocorre de forma incontrolável no interior das pilhas. É ainda de realçar que a capacidade pode ser preservada de acordo com a boa manutenção e cuidados nos ciclos de carga e descarga deste tipo de pilhas, de forma a prevenir a ocorrência do efeito de memória. 2

7. Referências bibliográficas [1] Miguel Ferreira, Intensidade de Corrente, WikiCiências, http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/intensidade_de_corrente (acedido 15/1/215) [2] Capacidade de uma bateria, Electrónica, http://www.electronica-pt.com/capacidadebateria (acedido 17/1/215) [3] Jorge Castilho Cabrita, O que é a potência eléctrica?, Elektron, http://elektron.no.sapo.pt/oqueepotenciaelectrica.htm (acedido 12/1/215) [4] Emanuel Loureiro Garrido, Concepção e certificação de nova geração de candeeiros de iluminação pública,feup, (acedido 15/1/215) [5] Battery Disposal, P2 INFOHOUSE, http://infohouse.p2ric.org/ref/7/633.htm, (acedido 1/1/215) [6] BU-82b: What does Elevated Self-discharge do?, Battery University, http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge, (acedido 12/1/215) [7] DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA INTERNA DE UMA PILHA, Departamento de Física da FCTUC, http://www.fis.uc.pt/data/2728/apontamentos/apnt_221_2.pdf, (acedido 15/1/215) 21