Princípio e definições

2020-08-11 08:07

Capacidade e energia de uma bateria ou sistema de armazenamento

A capacidade de uma bateria ou acumulador é a quantidade de energia armazenada de acordo com a temperatura específica, valor da corrente de carga e descarga e tempo de carga ou descarga.

Capacidade de classificação e taxa C

A taxa C é usada para dimensionar a corrente de carga e descarga de uma bateria. Para uma determinada capacidade, a taxa C é uma medida que indica em que corrente uma bateria é carregada e descarregado para atingir sua capacidade definida. 

Uma carga 1C (ou C / 1) carrega uma bateria com capacidade nominal de, digamos, 1000 Ah a 1000 A durante uma hora, portanto, no final da hora, a bateria atinge a capacidade de 1000 Ah; uma descarga 1C (ou C / 1) drena a bateria na mesma taxa.
Uma carga de 0,5C ou (C / 2) carrega uma bateria com capacidade nominal de, digamos, 1000 Ah a 500 A, portanto, leva duas horas para carregar a bateria na capacidade nominal de 1000 Ah;
Uma carga 2C carrega uma bateria com capacidade nominal de, digamos, 1000 Ah a 2000 A, portanto, leva teoricamente 30 minutos para carregar a bateria na capacidade nominal de 1000 Ah;
A classificação Ah é normalmente marcada na bateria.
Último exemplo, uma bateria de chumbo-ácido com uma capacidade nominal de C10 (ou C / 10) de 3000 Ah deve ser carregada ou descarregada em 10 horas com uma carga ou descarga atual de 300 A.

Por que é importante saber a taxa C ou a classificação C de uma bateria

A taxa C é um dado importante para uma bateria porque, para a maioria das baterias, a energia armazenada ou disponível depende da velocidade da corrente de carga ou descarga. Geralmente, para uma determinada capacidade, você terá menos energia se descarregar em uma hora do que se descarregar em 20 horas, inversamente, você armazenará menos energia em uma bateria com uma carga atual de 100 A durante 1 h do que com uma carga atual de 10 A durante 10 h.

Fórmula para calcular a corrente disponível na saída do sistema de bateria

Como calcular a corrente de saída, potência e energia de uma bateria de acordo com a taxa C?
A fórmula mais simples é:

I = Cr * Er
ou
Cr = I / Er
Onde
Er = energia nominal armazenada em Ah (capacidade nominal da bateria fornecida pelo fabricante)
I = corrente de carga ou descarga em amperes (A)
Cr = taxa C da bateria
A equação para obter o tempo de carga ou carga ou descarga "t" de acordo com a corrente e a capacidade nominal é:
t = Er / I
t = tempo, duração da carga ou descarga (tempo de execução) em horas
Relação entre Cr e t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr

Como funcionam as baterias de íon de lítio

Baterias de íon-lítio são incrivelmente populares hoje em dia. Você pode encontrá-los em laptops, PDAs, telefones celulares e iPods. Eles são tão comuns porque, quilo por quilo, são algumas das baterias recarregáveis mais energéticas disponíveis.

Baterias de íon-lítio também têm sido notícia recentemente. Isso porque essas baterias têm a capacidade de explodir em chamas ocasionalmente. Não é muito comum - apenas duas ou três baterias por milhão têm um problema - mas quando acontece, é extremo. Em algumas situações, a taxa de falha pode aumentar e, quando isso acontece, você acaba com um recall mundial da bateria que pode custar aos fabricantes milhões de dólares.

Portanto, a questão é: o que torna essas baterias tão enérgicas e tão populares? Como eles explodem em chamas? E há algo que você possa fazer para evitar o problema ou ajudar suas baterias a durar mais? Neste artigo, responderemos a essas perguntas e muito mais.

As baterias de íon-lítio são populares porque têm uma série de vantagens importantes sobre as tecnologias concorrentes:

• Geralmente são muito mais leves do que outros tipos de baterias recarregáveis do mesmo tamanho. Os eletrodos de uma bateria de íon-lítio são feitos de lítio e carbono leves. O lítio também é um elemento altamente reativo, o que significa que muita energia pode ser armazenada em suas ligações atômicas. Isso se traduz em uma densidade de energia muito alta para baterias de íon de lítio. Aqui está uma maneira de obter uma perspectiva sobre a densidade de energia. Uma bateria de íon de lítio típica pode armazenar 150 watts-hora de eletricidade em 1 quilograma de bateria. Uma bateria de NiMH (níquel-hidreto metálico) pode armazenar talvez 100 watts-hora por quilograma, embora 60 a 70 watts-hora possam ser mais comuns. Uma bateria de chumbo-ácido pode armazenar apenas 25 watts-hora por quilograma. Usando a tecnologia de chumbo-ácido, são necessários 6 kg para armazenar a mesma quantidade de energia que uma bateria de íon de lítio de 1 kg pode processar. Essa é uma grande diferença
• Eles mantêm sua carga. Uma bateria de íon de lítio perde apenas cerca de 5% de sua carga por mês, em comparação com uma perda de 20% por mês para baterias NiMH.
• Eles não têm efeito de memória, o que significa que você não precisa descarregá-los completamente antes de recarregar, como acontece com algumas outras químicas de bateria.
• As baterias de íon-lítio podem lidar com centenas de ciclos de carga / descarga.

Isso não quer dizer que as baterias de íon de lítio sejam perfeitas. Eles também têm algumas desvantagens:

• Eles começam a se degradar assim que saem da fábrica. Eles durarão apenas dois ou três anos a partir da data de fabricação, quer você os use ou não.
• Eles são extremamente sensíveis a altas temperaturas. O calor faz com que as baterias de íon de lítio se degradem muito mais rápido do que normalmente.
• Se você descarregar completamente uma bateria de íon de lítio, ela ficará danificada.
• Uma bateria de íon de lítio deve ter um computador de bordo para gerenciar a bateria. Isso os torna ainda mais caros do que já são.
• Há uma pequena chance de que, se uma bateria de íon de lítio falhar, ela pegue fogo.

Muitas dessas características podem ser compreendidas observando-se a química dentro de uma célula de íon-lítio. Veremos isso a seguir.

As baterias de íon de lítio vêm em todas as formas e tamanhos, mas todas parecem iguais por dentro. Se você fosse desmontar uma bateria de laptop (algo que NÃO recomendamos devido à possibilidade de causar um curto-circuito na bateria e iniciar um incêndio), você encontraria o seguinte:

• As células de íon-lítio podem ser baterias cilíndricas que parecem quase idênticas às células AA ou podem ser prismáticas, o que significa que são quadradas ou retangulares. O computador, que compreende:
• Um ou mais sensores de temperatura para monitorar a temperatura da bateria
• Um conversor de tensão e circuito regulador para manter níveis seguros de tensão e corrente
• Um conector de notebook blindado que permite o fluxo de energia e informações para dentro e para fora da bateria
• Uma torneira de voltagem, que monitora a capacidade de energia de células individuais na bateria
• Um monitor de estado de carga da bateria, que é um pequeno computador que lida com todo o processo de carga para garantir que as baterias carreguem o mais rápido e totalmente possível.

Se a bateria ficar muito quente durante o carregamento ou uso, o computador interromperá o fluxo de energia para tentar esfriar as coisas. Se você deixar seu laptop em um carro extremamente quente e tentar usá-lo, este computador pode impedi-lo de ligá-lo até que esfrie. Se as células ficarem completamente descarregadas, a bateria será desligada porque as células estão danificadas. Ele também pode controlar o número de ciclos de carga / descarga e enviar informações para que o medidor de bateria do laptop possa informar a quantidade de carga restante na bateria.

É um pequeno computador bastante sofisticado e consome energia das baterias. Esse consumo de energia é um dos motivos pelos quais as baterias de íon de lítio perdem 5% de sua energia todos os meses quando estão ociosas.

Células de íon-lítio

Como a maioria das baterias, você tem uma caixa externa feita de metal. O uso de metal é particularmente importante aqui porque a bateria é pressurizada. Esta caixa de metal tem algum tipo de orifício de ventilação sensível à pressão. Se a bateria ficar tão quente a ponto de correr o risco de explodir por excesso de pressão, esta abertura irá liberar a pressão extra. A bateria provavelmente ficará inútil depois disso, então isso é algo a evitar. O respiradouro está estritamente lá como medida de segurança. O mesmo acontece com a chave Positive Temperature Coefficient (PTC), um dispositivo que deve evitar o superaquecimento da bateria.

Esta caixa de metal segura uma longa espiral que compreende três folhas finas pressionadas entre si:

• Um eletrodo positivo
• Um eletrodo negativo
• Um separador

Dentro da caixa, essas folhas são submersas em um solvente orgânico que atua como eletrólito. O éter é um solvente comum.

O separador é uma folha muito fina de plástico micro perfurado. Como o nome indica, ele separa os eletrodos positivo e negativo, permitindo a passagem dos íons.

O eletrodo positivo é feito de óxido de lítio-cobalto, ou LiCoO2. O eletrodo negativo é feito de carbono. Quando a bateria é carregada, os íons de lítio se movem através do eletrólito do eletrodo positivo para o negativo e se fixam no carbono. Durante a descarga, os íons de lítio voltam do carbono para o LiCoO2.

O movimento desses íons de lítio acontece em uma voltagem bastante alta, de modo que cada célula produz 3,7 volts. Isso é muito maior do que o 1,5 volts típico de uma pilha alcalina AA normal que você compra no supermercado e ajuda a tornar as baterias de íon de lítio mais compactas em pequenos dispositivos como telefones celulares. Consulte Como funcionam as baterias para obter detalhes sobre os diferentes químicos de bateria.

Veremos como prolongar a vida útil de uma bateria de íon de lítio e explorar por que ela pode explodir a seguir.

Vida útil e morte da bateria de íon de lítio

As baterias de íon de lítio são caras, então, se você quiser que as suas durem mais, aqui estão algumas coisas para ter em mente:

• A química do íon de lítio prefere descarga parcial a descarga profunda, portanto, é melhor evitar levar a bateria até zero. Visto que a química do íon de lítio não tem uma "memória", você não danifica a bateria com uma descarga parcial. Se a voltagem de uma célula de íon de lítio cair abaixo de um certo nível, ela está arruinada.
• As baterias de íon de lítio envelhecem. Eles duram apenas dois a três anos, mesmo que fiquem em uma prateleira sem uso. Portanto, não "evite usar" a bateria pensando que ela durará cinco anos. Não vai. Além disso, se você estiver comprando uma bateria nova, certifique-se de que é realmente nova. Se estiver na prateleira da loja há um ano, não vai durar muito. As datas de fabricação são importantes.
• Evite o calor, que degrada as baterias.

Baterias explosivas

Agora que sabemos como manter as baterias de íon de lítio funcionando por mais tempo, vamos ver por que elas podem explodir.

Se a bateria esquentar o suficiente para inflamar o eletrólito, você vai pegar fogo. Existem videoclipes e fotos na web que mostram o quão sério esses incêndios podem ser. O artigo da CBC, "Summer of the Exploding Laptop", resume vários desses incidentes.

Quando um incêndio como esse acontece, geralmente é causado por um curto-circuito interno na bateria. Lembre-se da seção anterior que as células de íon-lítio contêm uma folha separadora que mantém os eletrodos positivo e negativo separados. Se essa folha for perfurada e os eletrodos se tocarem, a bateria aquece muito rapidamente. Você pode ter experimentado o tipo de calor que uma bateria pode produzir se você já colocou uma bateria normal de 9 volts no bolso. Se uma moeda entrar em curto-circuito nos dois terminais, a bateria ficará muito quente.

Em uma falha do separador, o mesmo tipo de curto ocorre dentro da bateria de íon de lítio. Como as baterias de íon-lítio são tão energéticas, elas ficam muito quentes. O calor faz com que a bateria libere o solvente orgânico usado como eletrólito, e o calor (ou uma faísca próxima) pode acendê-la. Uma vez que isso acontece dentro de uma das células, o calor do fogo se espalha para as outras células e todo o pacote pega em chamas.

É importante notar que os incêndios são muito raros. Ainda assim, são necessários apenas alguns incêndios e um pouco de mídia cobertura para solicitar um recall.

Diferentes tecnologias de lítio

Em primeiro lugar, é importante observar que existem muitos tipos de baterias de “íon de lítio”. O ponto a ser observado nesta definição se refere a uma “família de baterias”.
Existem várias baterias de “íons de lítio” dentro desta família que utilizam materiais diferentes para seu cátodo e ânodo. Como resultado, eles exibem características muito diferentes e, portanto, são adequados para diferentes aplicações.

Fosfato de lítio e ferro (LiFePO4)

Lítio Ferro Fosfato (LiFePO4) é uma tecnologia de lítio bem conhecida na Austrália devido ao seu amplo uso e adequação a uma ampla gama de aplicações.
Características de baixo preço, alta segurança e boa energia específica, fazem desta uma opção forte para muitas aplicações.
A tensão da célula LiFePO4 de 3,2 V / célula também a torna a tecnologia de lítio preferida para substituição selada de chumbo-ácido em várias aplicações importantes.

Bateria LiPO

De todas as opções de lítio disponíveis, existem várias razões pelas quais LiFePO4 foi selecionado como a tecnologia de lítio ideal para a substituição do SLA. As principais razões se resumem às suas características favoráveis quando se olha para as principais aplicações onde existe SLA atualmente. Esses incluem:

• Tensão semelhante ao SLA (3,2 V por célula x 4 = 12,8 V) tornando-os ideais para substituição SLA.
• A forma mais segura das tecnologias de lítio.
• Amigável ao meio ambiente - o fosfato não é perigoso e, portanto, é amigo do meio ambiente e não é um risco para a saúde.
• Ampla faixa de temperatura.

Recursos e benefícios de LiFePO4 quando comparado ao SLA

Abaixo estão alguns recursos principais de uma bateria de fosfato de ferro e lítio que oferecem algumas vantagens significativas de SLA em uma variedade de aplicações. Esta não é uma lista completa de forma alguma; no entanto, cobre os itens principais. Uma bateria 100AH AGM foi selecionada como o SLA, pois este é um dos tamanhos mais comumente usados em aplicações de ciclo profundo. Este 100AH AGM foi comparado a um 100AH LiFePO4 para comparar um igual o mais próximo possível.

Característica - Peso:

Comparação

• LifePO4 tem menos da metade do peso do SLA
• Ciclo profundo AGM - 27,5 kg
• LiFePO4 - 12,2Kg

Benefícios

• Aumenta a eficiência do combustível
  • Em aplicações de caravana e barco, o peso de reboque é reduzido.
• Aumenta a velocidade
  • Em aplicações de barco, a velocidade da água pode ser aumentada
• Redução do peso geral
• Maior tempo de execução

O peso tem uma grande influência em muitas aplicações, especialmente quando o reboque ou a velocidade estão envolvidos, como caravana e passeios de barco. Outras aplicações, incluindo iluminação portátil e aplicações de câmera onde as baterias precisam ser carregadas.

Recurso - Maior Ciclo de Vida:

Comparação

• Até 6 vezes o ciclo de vida
• Ciclo profundo AGM - 300 ciclos @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2.000 ciclos @ 100% DoD

Benefícios

• Custo total de propriedade mais baixo (custo por kWh muito menor ao longo da vida útil da bateria para LiFePO4)
• Redução nos custos de substituição - substitua o AGM até 6 vezes antes que o LiFePO4 precise ser substituído

A maior vida útil do ciclo significa que o custo inicial extra de uma bateria LiFePO4 é mais do que compensado ao longo da vida útil da bateria. Se estiver sendo usado diariamente, um AGM precisará ser substituído aprox. 6 vezes antes que o LiFePO4 precise ser substituído

Característica - Curva de descarga plana:

Comparação

• Na descarga 0,2C (20A)
• AGM - cai abaixo de 12V após
• 1,5 horas de tempo de execução
• LiFePO4 - cai abaixo de 12 V após aproximadamente 4 horas de tempo de execução

Benefícios

• Uso mais eficiente da capacidade da bateria
• Potência = Volts x Amps
• Uma vez que a tensão começa a cair, a bateria precisará fornecer amperes mais altos para fornecer a mesma quantidade de energia.
• Tensão mais alta é melhor para eletrônicos
• Maior tempo de execução para equipamentos
• Uso total da capacidade, mesmo em alta taxa de descarga
• Descarga AGM @ 1C = 50% da capacidade
• LiFePO4 @ 1C descarga = 100% da capacidade

Esse recurso é pouco conhecido, mas é uma grande vantagem e oferece vários benefícios. Com a curva de descarga plana de LiFePO4, a tensão terminal se mantém acima de 12 V para até 85-90% de uso da capacidade. Por causa disso, menos amperes são necessários para fornecer a mesma quantidade de energia (P = VxA) e, portanto, o uso mais eficiente da capacidade leva a um tempo de execução mais longo. O usuário também não notará a desaceleração do dispositivo (carrinho de golfe, por exemplo) anteriormente.

Junto com isso, o efeito da lei de Peukert é muito menos significativo com o lítio do que com o AGM. Isso resulta em ter disponível uma grande porcentagem da capacidade da bateria, independentemente da taxa de descarga. A 1C (ou descarga de 100A para bateria de 100AH), a opção LiFePO4 ainda fornecerá 100AH contra apenas 50AH para AGM.

Recurso - Maior uso da capacidade:

Comparação

• AGM recomendado DoD = 50%
• LiFePO4 recomendado DoD = 80%
• Ciclo profundo AGM - 100AH x 50% = 50Ah utilizável
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Diferença = 30Ah ou 60% a mais de uso da capacidade

Benefícios

• Maior tempo de execução ou bateria de menor capacidade para substituição

O aumento do uso da capacidade disponível significa que o usuário pode obter até 60% mais tempo de execução com a mesma opção de capacidade no LiFePO4 ou, alternativamente, optar por uma bateria LiFePO4 de menor capacidade e ainda atingir o mesmo tempo de execução do AGM de maior capacidade.

Recurso - Maior eficiência de cobrança:

Comparação

• AGM - a carga completa leva aprox. 8 horas
• LiFePO4 - carga completa pode ser tão baixa quanto 2 horas

Benefícios

• Bateria carregada e pronta para ser usada novamente mais rapidamente

Outro grande benefício em muitas aplicações. Devido à menor resistência interna entre outros fatores, LiFePO4 pode aceitar carga a uma taxa muito maior do que AGM. Isso permite que sejam carregados e estejam prontos para uso muito mais rápido, trazendo muitos benefícios.

Recurso - Baixa taxa de descarga automática:

Comparação

• AGM - descarga para 80% SOC após 4 meses
• LiFePO4 - Descarga para 80% após 8 meses

Benefícios

• Pode ser deixado em armazenamento por um período mais longo

Esse recurso é importante para os veículos recreativos que só podem ser usados por alguns meses por ano antes de ir para o armazenamento para o resto do ano, como caravanas, barcos, motocicletas e jet skis etc. Junto com este ponto, LiFePO4 não calcifica e, portanto, mesmo após ser deixada por longos períodos de tempo, é menos provável que a bateria seja permanentemente danificada. Uma bateria LiFePO4 não é danificada por não ser deixada armazenada em um estado totalmente carregado.

Portanto, se seus aplicativos garantem algum dos recursos acima, você terá certeza de obter o valor do seu dinheiro pelo gasto extra em uma bateria LiFePO4. Um artigo de acompanhamento seguirá nas próximas semanas, incluindo os aspectos de segurança do LiFePO4 e diferentes produtos químicos de lítio.