Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Estudo sobre as propriedades de pilhas recarregáveis Bruno Santo (up201506602) José Santos (up201505513) Vitor Batista (up201506348) Relatório de Projecto realizada(o) no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Orientador: Prof. Paulo Costa Co-orientador: Gustavo Ferreira 16 de Outubro de 2015
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Resumo Com este relatório, elaborado na unidade curricular Projeto FEUP, visamos avaliar a veracidade das informações que constam nas embalagens das pilhas e testar as suas características: capacidade, energia, voltagem, relação intensidade-tempo (de descarga). Para este efeito, usando um aparelho de descarga controlada, foi efetuada a descarga das pilhas e registados os valores obtidos. De seguida, após a recarga das pilhas efetuou-se uma nova descarga, repetindo o processo com intensidades diferentes da inicial (2C, C, C/5 e C/2). Após realizadas as descargas, foram analisados os dados e calculados os valores de resistência interna, potência e energia total. Foram também elaborados gráficos tensão-tempo e tensão-intensidade. Destes dados conseguiu-se retirar conclusões sobre as características pretendidas. 3
Índice Resumo... 3 Introdução... 5 Tensão nas pilhas... 7 Testes... 8 Resistência interna da pilha... 9 Tipos de Pilhas... 11 Níquel-Cádmio (Ni-Cd)... 11 Níquel Hidreto Metálico (Ni-MH)... 12 Iões de Lítio (Li-ON)... 12 Como Funcionam as Pilhas?... 14 Recarregamento de pilhas... 15 Problemas de autodescarga em pilhas recarregáveis... 16 Conceitos... 17 Conclusões... 18 Referências... 19 4
Lista de figuras Fig.1 Aparelho de descarga controlada; Fig.2 Tensão e corrente das pilhas durante os testes; Fig.3- Pilhas utilizadas Fig.4 Aparelho para recarregar as pilhas. 5
Introdução O presente trabalho, realizado pela equipa 4 da turma 4 do Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, tem como objetivo o estudo das principais características de uma marca de pilhas recarregáveis (pilhas da marca é ). Ao abordar este tema, explorado na disciplina Projeto FEUP, foi importante perceber alguns dos conceitos mais importantes sobre pilhas, desde o seu funcionamento até ao significado de algumas das propriedades que lhes atribuímos. Para este efeito, foi necessário elaborar uma pesquisa sobre os diferentes tipos de pilhas existentes, de forma a entender melhor o tipo de pilha estudado durante este trabalho (NiMH); também foi importante perceber o funcionamento de uma pilha, tal como a maneira como esta é recarregada e os problemas que este tipo de pilhas recarregáveis podem apresentar. De seguida, realizaram-se algumas experiências fundamentais para obter os dados necessários e elaboraram-se gráficos, com as respetivas explicações, que serão apresentados no decorrer deste relatório. Com toda a pesquisa e as experiências feitas, procurou-se comparar os dados obtidos com a informação que é fornecida na embalagem de pilhas de marca é e verificar se estes são compatíveis. Ao compreender todos os conceitos e dados que irão ser apresentados, espera-se que o leitor possa ter uma melhor compreensão sobre pilhas recarregáveis e sobre as informações que lhe são fornecidas aquando da compra 6
Tensão nas pilhas A tensão numa pilha é a diferença de potencial entre os seus dois pontos, negativo e positivo. Esta diferença de potencial gera uma certa quantidade de energia que será utilizada para movimentar os electrões e criar a corrente eléctrica. A sua unidade no Sistema Internacional é o Volt, como homenagem a Alessandro Volta, um físico Italiano, conhecido pelo desenvolvimento da pilha voltaica, que mais tarde se iria tornar na pilha eléctrica. Com o objectivo de testar a variação da tensão nas pilhas durante a sua descarga, usamos um aparelho de descarga controlada de pilhas, que media a tensão da pilha mediante uma certa intensidade introduzida. Fig.1 - Aparelho de descarga controlada Fig.2 - Tensão e corrente das pilhas durante os testes 7
0 425 850 1275 1700 2125 2550 2975 3400 3825 4250 4675 5100 5525 5950 6375 6800 7225 7650 8075 8500 8925 9350 9775 Testes Colocou-se uma pilha no aparelho de descarga controlada e este imediatamente leu que a sua tensão era de cerca de 1400 mv (1.4V). Começamos a analisar o que aconteceria à tensão da pilha se esta fosse colocada a descarregar, com uma intensidade de 375 ma de corrente. A pilha demorou cerca de 2 horas e 41 minutos a ficar completamente descarregada. Observou-se que a tensão da pilha ia diminuindo à medida que o tempo passava, ou seja, que a sua carga ia diminuindo. 1600 1400 1200 1000 Tensão 800 (mv) 600 400 200 0 Tempo (s) Gráfico 1 - Variação da tensão da pilha ao longo do tempo, com uma descarga a 375mA. Note-se a variação repentina no início do gráfico, esta ocorreu quando foi ligado o aparelho de descarga controlada, que começou a descarregar a pilha, baixando a sua tensão repentinamente. Ao longo do tempo verifica-se que a tensão vai diminuindo ligeiramente. Quando a carga da pilha começa a ser muito reduzida, existe uma variação mais rápida da sua tensão, até culminar quando a pilha está totalmente descarregada. Quando é terminada a descarga, note-se que a tensão da pilha volta a subir, mas não para o mesmo valor que tinha antes. Isto deve-se não só ao facto de estar sem carga, mas também ao facto da pilha perder capacidade sempre que e descarregada, é por isso que cada pilha recarregável tem sempre um número definido de ciclos. De seguida foi feito mesmo teste, mas com uma descarga a 500 ma. Neste teste, como seria de esperar devido à maior intensidade com que a pilha foi descarregada, esta ficou sem carga após 26 minutos. No entanto, outros aspetos foram semelhantes ao teste anterior, como por exemplo, a descida acentuada de tensão quando a pilha e colocada a descarregar, e o leve decréscimo ao longo do 8
tempo. Portanto, uma das conclusões que podemos tirar destes testes é que independentemente da intensidade a qual é colocada a pilha a descarregar, esta irá sempre perder um pouco da sua capacidade. Gráfico 2 - tensão da pilha ao longo do tempo, com uma descarga a 500mA 9
1.6 Resistência interna da pilha A resistência interna da pilha é calculada através da divisão entre a tensão da pilha e a corrente. Neste caso é dada pela função, sendo então cerca de 0.39 ohm. 1.4 1.2 Tensão 1 0.8 0.6 y = -0,3902x + 1,3489 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Corrente (A) Gráfico 3 Resistência interna da pilha 10
Tipos de Pilhas Níquel-Cádmio (Ni-Cd) O polo positivo, coberto por hidróxido de níquel (Ni(OH)2) e o polo negativo, coberto por material sensível ao cádmio, encontram-se no mesmo recipiente, estando separados por um isolador; Estão mergulhados numa substância electrolítica condutora de iões; São, geralmente, as mais baratas; Têm o menor tempo de vida útil, no entanto têm a maior capacidade de carga; Podem sofrer o fenómeno de efeito de memória : A pilha deixa de ser totalmente carregada porque, devido à sua composição química, pequenos blocos de cádmio são formados a partir de resíduos de carga, dando sinal que a pilha está carregada, antes de a mesma estar. Para evitar este problema, a pilha só deve ser carregada quando estiver totalmente descarregada; Para além destas desvantagens, este tipo de pilha é extremamente prejudicial ao meio ambiente pois o cádmio é altamente tóxico, o que tem levado estas pilhas a serem cada vez menos usadas; Vantagens: Baratas; Leves. Desvantagens: Altamente poluentes; Tempo de vida útil reduzido; Efeito de memória; Baixa capacidade. 11
Níquel Hidreto Metálico (Ni-MH) Semelhantes às pilhas de níquel-cádmio, no entanto estas usam hidrogénio absorvido, na forma de hidreto metálico, no eléctrodo negativo; Populares pela sua fiabilidade e uso de materiais não poluentes; Autodescarga é cerca de 1,5 a 2 vezes superior às de NiCd. Mais caras do que as de Ni-Cd pois conseguem oferecer até mais 100% de energia do que estas; Vantagens: Alta capacidade (50 a 100 vezes superior às de NiCd); Baixo efeito de memória; Não poluente. Desvantagens: Sensível a vários ciclos de carga e descarga profunda; Alta taxa de autodescarga; Corrente limitada de descarga; Mais caras do que as de NiCd. Fig.3-Pilhas utilizadas 12
Iões de Lítio (Li-ON) Tecnologia recente e em desenvolvimento; Alta densidade de energia; São frágeis e, portanto, necessitam de um circuito de protecção para manter a operação segura, o que limita a tensão de cada célula, no entanto previne que a mesma caia muito durante a descarga; As suas correntes de carga e descarga são limitadas; Após um ano, é perceptível a deterioração da sua carga. Após 2-3 anos, a pilha poderá falhar; Deve ser carregada antes de ser armazenada e o carregamento deve ser parcial. Vantagens: Densidade de energia elevada; Auto descarga baixa; Baixa necessidade de manutenção; Sem efeito memória. Desvantagens: Alto custo; Requer circuito de protecção; Requerem alguns cuidados durante o uso. 13
Como Funcionam as Pilhas? Uma pilha é um dispositivo que consiste em duas ou mais células eletroquímicas que convertem energia química armazenada em energia elétrica através de reações de oxidação-redução. Cada célula tem um terminal positivo, o cátodo e um terminal negativo, o ânodo. O cátodo é a fonte de eletrões que, quando conectados a um circuito, irá fornecer energia a um dispositivo externo. Quando a bateria está ligado a um circuito, os eletrólitos são capazes de mover-se como iões dentro da pilha, permitindo que as reações químicas aconteçam em terminais separados, de modo a fornecer energia ao circuito externo. É o movimento desses iões no interior da pilha, que permite que a corrente flua para fora da pilha. Uma pilha é constituída por 3 partes básicas, dois elétrodos, um eletrólito e um separador. Os dois elétrodos têm papéis opostos no funcionamento da pilha. Um, o cátodo, parte positiva da pilha, é onde ocorre a redução e de onde a corrente sai (ou entram eletrões), enquanto o outro, o ânodo, parte negativa da pilha, é onde a corrente entra (ou saem eletrões) e ocorrem reações de oxidação. Os elétrodos estão unidos pelo eletrólito, líquido ou gel (dependendo da composição da pilha), que mantém a corrente da pilha estável ao longo da descarga. Finalmente, o separador é a parte que separa os dois elétrodos, mas permite a comunicação elétrica entre ambos. As reações de oxidação-redução que ocorrem nos elétrodos da pilha fazem com que haja um fluxo de iões do ânodo para o cátodo que, ao passar pelo eletrólito, libertam eletrões dos átomos deste, que vão deslocar-se para o ânodo. Assim, os dois elétrodos têm uma diferença de carga, o ânodo, carga negativa, e o cátodo carga positiva. Assim, os eletrões vão tentar deslocar-se para o cátodo, na tentativa de anular esta diferença de cargas, mas, devido ao separador, não o conseguem fazer. Assim, ao completar o circuito, os eletrões conseguem agora deslocar-se para o cátodo, gerando uma corrente elétrica ao longo do circuito. 14
Recarregamento de pilhas Durante o recarregamento de pilhas recarregáveis, o processo de descarga é invertido. O material positivo é oxidado, libertando eletrões, e o material negativo é reduzido, consumindo eletrões. Aqui, o eletrólito pode ser um simples separador dos elétrodos, como no caso das pilhas de iões de lítio ou de níquel-cádmio, ou pode também participar nas reações eletroquímicas, como acontece nas pilhas de chumboácido. Carregar um pilha pode ser um processo muito rápido, ou muito lento, dependo da voltagem da pilha em si, e da qualidade do carregador. Para ocorrer a carga da pilha, a voltagem fornecida à pilha tem de ser maior que a que é fornecida pela pilha durante a descarga, mas não muito mais elevada, pois com um aumento da voltagem, há um aumento da temperatura da pilha. Carregadores mais fracos e básicos carregam a uma voltagem constante independente da voltagem ou temperatura da pilha, enquanto carregadores mais avançados têm medidores da temperatura da pilha, ou até pequenas ventoinhas, de forma a fornecer a voltagem máxima à pilha, sem provocar o sobreaquecimento da mesma, de forma a acelerar o processo de recarga. Fig.4-Aparelho para recarga de pilhas 15
Problemas de autodescarga em pilhas recarregáveis Autodescarga é uma característica irreversível presente em pilhas (ou baterias) recarregáveis e não resulta de um defeito de fabrico (se bem que possa ser agravada se os materiais e os processos usados forem de qualidade inferior). Esta ocorre devido a reações químicas na pilha quando não está ligada a nenhum aparelho e resulta na diminuição de carga disponível no primeiro uso da pilha, diminuindo ainda o seu prazo de validade. A rapidez de autodescarga depende do tipo de pilha, corrosão do ânodo, estado de carga, e da temperatura a que esta é armazenada, entre outros fatores. Como as reações numa pilha são de natureza química, a temperatura é um fator importante a considerar no seu armazenamento. Uma temperatura mais quente aumenta a taxa de reação dentro da pilha, o que em torno causa a sua descarga, mesmo não estando conectada a um aparelho; portanto, deve-se manter um ambiente de armazenamento com uma temperatura baixa e desta forma diminuir a taxa de autodescarga. As baterias de níquel são mais suscetíveis a uma maior taxa de autodescarga. As de NiCd (níquel-cádmio) perdem 15-20% da sua carga a cada mês, enquanto as de Ni-MH (níquel-metal) perdem aproximadamente 30% da carga por mês (exceto baterias com uma autodescarga baixa, cujo valor está entre os 2% e os 3%), Pelo contrário, as pilhas de ião-lítio apresentam uma baixa taxa de autodescarga (aproximadamente 2-3% por mês). 16
Conceitos Capacidade: - Mede o valor da intensidade da corrente elétrica (fluxo de partículas de carga elétrica) pela unidade de tempo, a uma tensão definida pelo tamanho de pilha; - Permite saber quanto tempo durará uma pilha sabendo o consumo do aparelho que está a alimentar; Tensão (Diferença de Potencial): - Trabalho que deve ser feito, por unidade de carga para movimentar uma carga contra um campo elétrico; - Pilha é geradora de tensão; Potência: - Trabalho realizado pela corrente elétrica num determinado intervalo de tempo; Intensidade da Corrente: - Quantidade de partículas de carga que atravessam uma secção reta de um condutor por unidade de tempo; 17
Conclusões Com a realização deste trabalho, foi possível explorar mais aprofundadamente o que se sabia sobre algo que fornece um recurso extremamente importante na nossa sociedade, a energia, e perceber o funcionamento de pilhas recarregáveis. Pôde-se constatar que as pilhas recarregáveis apresentam uma grande vantagem em relação às pilhas convencionais, porém, também apresentam algumas inconveniências como problemas de autodescarga. Também foi possível compreender que as informações apresentadas nas embalagens podem não ser totalmente corretas em algumas condições e que são apenas uma estimativa. 18
Referências https://en.wikipedia.org/wiki/self-discharge. Acesso em 14/Outubro/2015. http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge. Acesso em 14/Outubro/2015. https://en.wikipedia.org/wiki/rechargeable_battery. Acesso em 14/Outubro/2015. http://chemwiki.ucdavis.edu/analytical_chemistry/electrochemistry/voltaic_c ells/case_study%3a_battery_types/rechargeable_batteries. Acesso em 14/Outubro/2015. https://pt.wikipedia.org/wiki/efeito_mem%c3%b3ria. Acesso em 14/Outubro/2015. http://www.infowester.com/pilhasrec.php. Acesso em 15/Outubro/2015. https://pt.wikipedia.org/wiki/tens%c3%a3o_el%c3%a9trica. Acesso em 15/Outubro/2015. https://pt.wikipedia.org/wiki/pot%c3%aancia_el%c3%a9trica. Acesso em 15/Outubro/2015. http://www.infopedia.pt/$intensidade-de-corrente. Acesso em 15/Outubro/2015. http://paginas.fe.up.pt/~ee05189/wp-content/uploads/2013/03/relatatorio- Final-de-PDI-de-Rui-Marcelino-050503189.pdf Acesso em 15/Outubro/2015 19