informações sobre baterias recarregáveis, pilhas (baterias não recarregáveis) e carregadores de baterias

Este manual tem o objetivo de divulgar informações sobre baterias recarregáveis, pilhas (baterias não recarregáveis) e carregadores de baterias para o público em geral e em particular para os clientes Com isso, visamos expandir a utilização de baterias, facilitando sua especificação e o seu uso de forma adequada. Este manual apresenta informações sobre as baterias mais utilizadas por consumidores e por industrias: Baterias NiCd (Níquel Cádmio) Baterias NiMh (Níquel Metal Hidreto) Baterias Li-Ion (Lithium Ion) Li-Ion Polimero (Lithium Ion) Baterias Seladas Chumbo-Ácido Pilhas - Baterias Não Recarregáveis Também apresentamos um capítulo especialmente dedicado aos carregadores de baterias. Existem várias aplicações para baterias. Neste manual trataremos apenas das baterias de pequeno porte usadas em aparelhos portáteis ou de pequenas dimensões e peso. Cada aplicação tem suas exigências específicas. Por exemplo, uma bateria recarregável para telefone sem fio não precisa ter uma autonomia muito grande, uma vez que ela só é utilizada enquanto falamos ao telefone e logo em seguida é colocada em carga. Já uma bateria utilizada em um equipamento médico usado para reanimar pacientes com parada cardíaca, deve ter uma autonomia considerável, não pode falhar e tem de ser capaz de fornecer grandes correntes em pequenos intervalos de tempo. Assim, os usuários de baterias têm que saber as características de cada tipo de bateria para que possam escolher a bateria que melhor se adapta para sua aplicação. Quando fazemos referência neste manual à capacidade e a corrente das baterias, usamos a letra “C”. Uma bateria sendo carregada com uma corrente de “1C” significa que está sendo carregada com a corrente nominal. Uma bateria sendo carregada com uma corrente de “0,5C” significa que está sendo carregada com metade corrente nominal. Uma bateria sendo descarregada com uma corrente de “1C” significa que está sendo descarregada com a corrente nominal. Uma bateria sendo descarregada com uma corrente de “0,5C” significa que está sendo descarregada com metade corrente nominal. Com esse manual, esperamos estar fornecendo aos nossos clientes as informações técnicas necessárias para que possam fazer a melhor escolha. Parte I Baterias Recarregáveis e Carregadores de Baterias 1-Composição Química das Baterias – Vantagens e Desvantagens Vamos examinar as vantagens e limitações das baterias mais utilizadas hoje em dia. 1.1-NiCd A bateria de níquel cádmio é a bateria com mais tempo de uso no mercado. Assim é uma tecnologia já desenvolvida e madura. Porém a sua densidade de energia não é muito grande. A bateria de NiCd é utilizada quando se quer vida longa, alta corrente de descarga e preço baixo. As principais aplicações são telefones sem fio, walkie-talkies, equipamentos médicos, câmeras de vídeo profissionais e ferramentas elétricas. As baterias NiCd contêm material tóxico e não podem ser descartadas no meio ambiente. Precisam ser recicladas. A S.T.A. tem capacidade de receber baterias NiCd em fim de vida útil e providenciar sua adequada reciclagem. 1.2-NiMh A bateria de níquel metal hidreto tem uma alta densidade de energia se comparada com as baterias NiCd. Porém seu ciclo de vida é ligeiramente inferior ao das baterias NiCd. As aplicações principais dessas baterias são telefones celulares, câmeras digitais e notebooks. 1.3-Chumbo-Ácido É a bateria mais econômica quando o problema do peso pode ser desprezado. É bastante usada em equipamentos hospitalares, cadeira de rodas elétricas, luz de emergência e no-breaks. 1.4-Lítio-Íon É a tecnologia mais recente e está tendo um rápido crescimento. A bateria Li-íon é usada quando se deseja alta densidade de energia e peso leve. Essas baterias são mais caras que as outras e precisam ser utilizadas dentro de padrões rígidos de segurança. Aplicações incluem notebooks, telefones celulares. 1.5-Lítio-Íon Polímero É uma versão mais barata da Lítio-Íon. Essa química é similar à de Lítio-Íon em termos de densidade de energia. Pode ser fabricada com uma geometria muito fina e permite uma embalagem simplificada. As aplicações principais são telefones celulares. A tabela a seguir mostra dados comparativos entre as baterias mais utilizadas. NiCd NiMh Li-Ion Li-Íon Polímero Chumbo Densidade de Energia (Wh/kg) 45-80 60-120 110-160 100-130 30-50 Resistência Interna (miliOhm) 100-200 Pack 6V Pack 6V *(1) Pack 7,2V *(1) Pack 12 V *(1) Ciclo de Vida (80% da capacidade inicial) 1500 *(2) 500-1000 *(3) 300-500 200-300 *(2) Tempo para Carga Rápida 1 hora 2 a 4 hs 2 a 4 hs 2 a 4 hs 8 a 16 hs Tolerância para Sobrecarga Moderada Baixa Muito Baixa Baixa Alta Auto-Descarga Mensal (na temperatura ambiente) 20% *(4) 30% *(4) 10% *(5) 10% *(5) Tensão da Célula 1,25V *(6) 1,25V *(6) 3,6V 3,6V 2V w.sta-eletronica.com.br NiCd NiMh Li-Ion Li-Íon Polímero Chumbo Corrente de Carga -Pico - Melhor Resultado 20C 1C 5C 0.5C >2C 1C >2C 1C 5C - *(7) 0.2C Temperatura de operação (somente descarga) *(8) -40 a 60 0C -20 a 60 0C 0 a 60 0C -20 a 60 Manutenção 30 a 60 dias 60 a 90 dias Não é necessário 3 a 6 meses *(9) Comparação de Custo Pack 7,2V – U.S.A. *(10) $ 50 $60 $100 $100 $25 Custo por ciclos Usada comercialmente desde 1950 1990 1991 1999 1970 1-A resistência interna de uma bateria varia com a capacidade da célula, tipo de proteção e numero de células. Os circuitos de proteção para Li-Íon e Li-Íon polímero adicionam 100 mili Ohms de resistência. 2-O ciclo de vida é baseado na consideração que a bateria recebe o ciclo adequado de manutenção. A falha na aplicação de ciclos profundos de descarga pode reduzir a vida útil por três vezes. 3-O ciclo de vida útil é baseado na profundeza da descarga. Descargas curtas permitem ciclos de vida mais longos. 4-A descarga é maior imediatamente após a carga, A bateria NiCd descarrega aproximadamente 10% nas primeiras 24 horas e após descarrega 10% cada 30 dias. A autodescarga aumenta com a elevação da temperatura. 5-Circuitos internos de proteção tipicamente consomem 3% da energia armazenada por mês. 6- 1,25V é a tensão de célula sem carga. 1,2V é a tensão mais comum 7- Capaz de altas correntes pulsadas 8- Aplicado apenas à descarga; a temperatura de carga é mais restrita. 9- A manutenção pode ser na forma de carga de equalização ou de pico. 10- Custo das baterias para aplicações portáteis. 1- Derivado do preço da bateria dividido pelo numero de ciclos. Não inclui o custo da eletricidade e dos carregadores. 2-Vantagens e Limitações das Baterias de Níquel Cádmio – NiCd São usadas comercialmente desde 1950. As baterias de NiCd preferem carga rápida ao invés de carga lenta e carga pulsada ao invés de carga contínua. Todas as outras baterias preferem carga e descarga moderadas. De fato a bateria de NiCd é a única que tem uma ótima performance sob rigorosas condições de trabalho. A bateria de NiCd não gosta de ficar em carregadores por vários dias e ser usada somente ocasionalmente por períodos breves. Uma descarga completa é tão importante que, se omitida, poderá causar a formação de grandes cristais nas placas das células (é o chamado efeito memória) e a bateria irá gradualmente perder sua capacidade. Entre as baterias recarregáveis, as de NiCd permanecem a escolha mais popular para aplicações tais como walkie-talkies, equipamentos de emergência médica, câmeras de vídeo profissionais e ferramentas elétricas. Mais de 50% de todas as baterias recarregáveis para equipamentos portáteis são de NiCd. Entretanto a introdução de novas baterias com densidade de energia maior e metais menos tóxicos está causando a migração do NiCd para tecnologias mais recentes, principalmente NiMh e Li-íon 2.1-Vantagens Carga rápida e simples mesmo após armazenagem prolongada. Alto número de ciclos de carga e descarga. Se mantida adequadamente, a bateria NiCd pode chegar a 1000 ciclos de carga e descarga. Boa performance de carga. As baterias de NiCd permitem recargas em baixas temperaturas. Longa vida na condição de armazenagem, em qualquer estado de carga. Armazenagem e transporte simples. A maioria das empresas aéreas aceita as baterias NiCd sem condições especiais. Bom desempenho em baixa temperatura. Bom desempenho mesmo se sobrecarregada. Preço baixo em comparação com outras baterias. A bateria NiCd é a que tem menor custo por ciclo. Disponível em larga escala de tamanho e opções de desempenho. 2.2-Limitações Baixa densidade de energia, comparado com baterias mais modernas. Efeito memória. A NiCd contém metais tóxicos que não podem ser jogados no meio ambiente. Alguns países estão limitando o uso de baterias de NiCd. Tem uma alta taxa de autodescarga precisando ser carregada periodicamente quando armazenada. 3-Vantagens e Limitações das Baterias de Níquel Metal Hidreto – NiMH O sucesso das baterias NiMH tem sido dirigido por sua alta densidade de energia e pelo uso de metais não tóxicos. As modernas baterias de NiMH oferecem até 100% a mais de densidade de energia em comparação com as baterias de NiCd. Tanto as baterias NiCd como as baterias NiMH têm uma alta taxa de autodescarga. A bateria de NiCd perde aproximadamente 10% de sua capacidade dentro das primeiras 24 horas, após o que a autodescarga é de 10% ao mês. A autodescarga das baterias de NiMH é 1,5 a 2 vezes a autodescarga das baterias NiCd. As baterias de NiMH têm substituído as baterias de NiCd nos mercados de comunicações sem fio e computação móvel. Em muitas partes do mundo o consumidor é encorajado a usar baterias NiMH ao invés de baterias NiCd. Isto se deve a preocupações ambientais com o descarte das baterias em fim de vida útil. Inicialmente mais caras que as baterias NiCd, atualmente as baterias NiMH têm preço bem próximo ao das baterias NiCd. Devido aos problemas ambientais, o consumo e a produção de baterias NiCd têm diminuído, o que provavelmente fará seu preço crescer. 3.1-Vantagens 50 a 100% maior capacidade que as baterias NiCd. Menor efeito memória. Armazenagem e transporte simples. – o transporte não está sujeito a condições especiais. Não tóxica e não causa dano ao meio ambiente. 3.2-Limitações Repetidos ciclos de carga e descarga profunda reduzem a vida útil da bateria. Seu desempenho se deteriora após 200 a 300 ciclos. Descargas parciais ao invés de descarga profunda são preferidas pelas baterias NiMH. Corrente limitada de descarga. Embora as baterias NiMH possam fornecer altas correntes de descarga, repetidas descargas com altas correntes de carga podem reduzir a vida útil da bateria. Melhores resultados são conseguidos com correntes de descarga da 0,2 C a 0,5 C (20 a 50 % da corrente nominal). Processo de carga mais complexo. As baterias NiMH geram mais calor durante o processo de carga e requerem um maior tempo de carga que a NiCd. Atualmente, com os carregadores de baterias inteligentes esse problema foi resolvido. Alta taxa de autodescarga. As baterias de NiMH se autodescarregam em torno de 50 % mais rápido que as baterias NiCd. O desempenho da bateria se deteriora se armazenada em elevadas temperaturas. As baterias NiMH devem ser armazenadas num local fresco e a um estado de carga de aproximadamente 40%. Alta manutenção – as baterias requerem descargas completas regularmente para evitar a formação de cristais. São mais caras que as baterias NiCd. As baterias NiMH projetadas para alta corrente são ainda mais caras. 4-Vantagens e Limitações das Baterias Chumbo-Ácido Inventadas em 1859 pelo físico francês Gaston Planté, as baterias de chumboácido foram as primeiras baterias para uso comercial. Atualmente as baterias de chumbo-ácido são usadas em automóveis, empilhadeiras e grandes sistemas de fornecimento de energia elétrica ininterrupta (no-breaks). Durante a metade dos anos 70, os pesquisadores desenvolveram uma bateria chumbo-ácido livre de manutenção, que pode operar em qualquer posição. O eletrólito líquido foi transformado em separadores umedecidos e o invólucro foi selado. Válvulas de segurança foram adicionadas para permitir a liberação do gás durante a carga e descarga. Direcionada a várias aplicações, surgiram duas designações para essas baterias. São elas: SLA (sealed lead acid – bateria selada chumbo-ácido), também conhecida com o nome comercial de Gelcell e as baterias VRLA (valve regulated lead acid – bateria chumbo-ácido regulada por válvula). Tecnicamente ambas as baterias são as mesmas. Não há uma definição clara de quando uma bateria deixa de ser SLA e passa a ser VLRA. Engenheiros podem argumentar que a palavra “bateria selada” é um engano já que nenhuma bateria pode ser totalmente selada. Em essência, todas são reguladas com válvulas. A bateria SLA tem uma faixa típica de capacidade que vai de 0,2 Ah até 30 Ah. Os usos típicos são no-breaks para computadores, pequenas unidades de iluminação de emergência, ventiladores para cuidar da saúde dos pacientes e cadeiras de rodas elétricas. Por causa do baixo custo e da pequena manutenção, as baterias seladas são a melhor escolha para instrumentos biomédicos e de cuidados com a saúde em hospitais e casas de repouso. As baterias VRLA são usadas em aplicações estacionárias. Sua capacidade vai de 30 Ah até vários milhares de Ah e são encontradas em no-breaks de grande porte, para reserva de energia. Usos típicos são em repetidoras telefônicas, centros de distribuição de energia, hospitais, bancos aeroportos e instalações militares. Ao contrário das baterias de chumbo-ácido com eletrólito líquido, ambas as baterias SLA e VRLA são projetadas para uma baixa sobre-tensão, de forma a evitar a formação de gases durante a carga. Carga em excesso pode causar aparecimento de gás e depleção de água. Conseqüentemente, as baterias SLA e VRLA não podem nunca ser recarregadas em todo seu potencial. Entre as baterias recarregáveis modernas, a família das baterias de chumbo-ácido tem a menor densidade de energia. Como estamos nos focando em aplicações portáteis vamos tratar daqui para diante exclusivamente das baterias SLA.As baterias SLA não estão sujeitas ao efeito memória. Deixar a bateria em carga flutuante por um período de tempo prolongado não causa nenhum dano. A retenção de carga é a melhor entre todas as baterias recarregáveis. Enquanto que as baterias NiCd se autodescarregam aproximadamente 40 % da sua energia armazenada em três meses, a bateria SLA se autodescarrega na mesma quantidade no período de 01 ano.