Baterias Recarregáveis para Aplicações em Sensores IOT

Introdução

 

As baterias são dispositivos que por meio de reações eletroquímicas tem o objetivo de armazenar e fornecer energia de forma controlada. Elas têm aumentado significativamente sua importância, visto que cada vez mais são utilizados equipamentos portáteis ou remotos que necessitam de uma alimentação elétrica própria e independente. Embora a Internet das Coisas (IOT – “Internet of Things”) seja um conceito relativamente recente no Brasil, as aplicações de sensores autônomos não é uma novidade. Pesquisadores de diversas áreas muitas vezes utilizam monitoramento em campo aberto através do sensoreamento para coleta, armazenamento ou envio de dados por redes sem fio durante grandes períodos de tempo, e, certamente, nesses locais não há energia elétrica disponível; desta forma, é essencial a aplicação de baterias para alimentação elétrica desses sensores.

 

A Tabela 1 mostra os principais tipos de baterias que vêm sendo utilizadas para alimentação de equipamentos portáteis ou remotos[1].

 

Tabela 1 - Principais Tipos de Baterias Utilizadas Atualmente[1].

Níquel Cádmio 

Bateria de NiCd

Níquel-hidreto Metálico

Bateria de NiMh

Lithium-Ion Polímero

Bateria de Li-Ion

 

Apesar dos quatro tipos de baterias apresentados acima serem considerados os principais, é fato que eles possuem características e aplicações diferentes. Por isso, as baterias de lítio concentram a maioria das pesquisas atuais em função dos diversos benefícios que trazem consigo, a saber: requerem pouca manutenção, possuem grande energia específica, são fáceis de serem recarregadas e causam menores danos ao meio ambiente.

 

 

Características dos Principais Tipos de Baterias

 

A grande variedade de aplicações de baterias e suas respectivas exigências específicas obrigam aos projetistas a conhecerem as características técnicas desses produtos para fazerem as escolhas adequadas às especificações de seus projetos. Os parâmetros básicos das baterias são: Tensão (V), Corrente (A) e Capacidade de descarga (C-Rate). Na Tabela 2 estão listadas as tensões usuais de cada tipo de célula mencionada anteriormente.

 

Tabela 2 – Tensões Usuais de Tipos de Células de Baterias[1].

Tipos de Células

Tensão Característica (V)

NiCd

1,2

NiMh

1,2

Li-Ion

3,2 – 3,6 – 3,7

 

 

Bateria de Níquel Cádmio (NiCd)

 

Este tipo de bateria já foi bastante popular entre os equipamentos eletrônicos portáteis devido ao seu menor custo, robustez e durabilidade. Também, por apresentar bom desempenho sob rigorosas condições de trabalho e ser ideal para recargas rápidas e pulsantes; no entanto, não é aconselhável que uma célula deste tipo permaneça conectada ao circuito de recarga e possua eventuais períodos de curta utilização, pois isso pode provocar sua perda gradual de capacidade. Esta perda não se trata do conhecido “efeito memória” - que na verdade foi praticamente eliminado com a melhoria na tecnologia das células de NiCd – mas sim da cristalização do cádmio e do aumento da resistência interna da bateria causado pela formação de um composto intermetálico no seu interior, fenômeno que pode ser revertido, mas comprova que a aplicação ideal para este tipo de bateria seria em sistemas que proporcionam ciclos completos de carga e descarga. A Figura 1 Mostra um modelo de bateria de NiCd.

Figura 1 – Uns dos modelos de baterias de NiCd[2]

 

Desde o início da década de 90, as baterias de NiCd vêm perdendo espaço no mercado devido ao desenvolvimento de novas tecnologias de baterias – como as de Lítio, por exemplo – visto que estas possuem maior densidade de energia e agridem menos o meio ambiente[1]. A Tabela 3 mostra as principais especificações das baterias de NiCd.

 

Tabela 3 – Principais especificações das baterias de NiCd[1].

 

Descrição

Valores

Tensão nominal

1,2 Volts

Carga padrão

0,1 C

Carga rápida

1 C

Vida útil até redução de 20% na capacidade

800 ciclos a 20º C – Carga: 0,1C – Descarga: 0,2C

Temperatura de uso

20 à 60º C

Tensão mínima de descarga

1 Volt

 

 

 

Bateria de Níquel Hidreto Metálico (NiMh)

 

Basicamente, este tipo de bateria tomou a popularidade nos mesmos equipamentos eletrônicos portáteis que a bateria de NiCd teve anteriormente. Ao contrario de sua antecessora, a bateria de NiMh não é fabricada a partir de metais tóxicos, logo, não é tão agressiva ao meio ambiente quanto a outra. As preocupações ambientais com o descarte da bateria ao fim de sua vida útil influenciou o mercado de tal forma que em algumas partes do planeta os consumidores eram encorajados a optarem por baterias de NiMh em substituição as de NiCd. Consequentemente, alguns fatores importantes como “produção e consumo”, que outrora fizera com que o custo da célula de NiMh fosse superior ao da NiCd, passaram a contribuir para que seu valor monetário fosse reduzido a praticamente o mesmo custo da célula de Níquel Cádmio. Algumas características técnicas como a maior densidade de energia e o “marketing” de que a bateria de NiMh era livre do efeito memória – no ato de sua introdução ao mercado – também foram fatores impactantes na “concorrência” entre os dois tipos de baterias, mesmo tendo menor vida útil e aproximadamente duas vezes mais o valor de auto descarga que possui a bateria de NiCd. As características técnicas das baterias de NiMh podem variar de acordo com o fabricante, mas em linhas gerais são basicamente as mesmas das baterias de Nicd, visto que a sucessão entre os tipos se deu principalmente devido aos possíveis impactos ambientais diante de um descarte inapropriado. A Figura 2 mostra um dos modelos de bateria de NiMh.

Figura 2 – Modelo de bateria de NiMh[3].

 

 

Bateria de Íons de Lítio (Li-Ion)

 

A bateria de Íons de lítio é uma das mais recentes tecnologias e, apesar do custo mais elevado, vem tendo um crescimento expressivo se comparada às demais, principalmente pela alta densidade de energia e menor peso. Inicialmente este tipo de bateria era fabricado a base de metal de lítio no eletrodo negativo, este elemento sofria algumas alterações após diversos ciclos de carga e descarga com a possibilidade de provocar danos aos usuários pelo desencadeamento de uma reação causada pela instabilidade térmica que liberava gases inflamáveis. Devido a isso, os pesquisadores intensificaram suas buscas por um tipo de bateria que não utilizaria metal de lítio em sua composição e acabaram desenvolvendo a tecnologia que utiliza Íons de lítio (Li-Ion). Mesmo tendo sua densidade de carga ligeiramente menor esta tecnologia supera de duas a três vezes as baterias de NiCd neste quesito, além de proporcionar um nível de segurança aceitável, desde que precauções inerentes a utilização de fontes de energias químicas sejam tomadas.

 

Outros pontos importantes podem ser destacados quando se compara esta tecnologia às demais citadas anteriormente, seu perfil de descarga oferece utilização eficiente da energia armazenada num espectro de tensão desejável, é livre do efeito memória, e ainda, sua auto descarga é bem menor[1].

 

Como foi mencionado anteriormente – na Tabela 2 – as células de baterias de Li-Ion trabalham tipicamente com tensões maiores que 3 volts proporcionando que muitos circuitos eletrônicos sejam alimentados com uma simples célula. Isso facilita o projeto e certamente reflete no custo, visto que cada conjunto de células requer um circuito regulador de tensão que evite picos durante o ciclo de carga e baixa excessiva de tensão durante o ciclo de descarga, além de limitar as correntes e monitorar a temperatura a fim de prevenir condições extremas.

 

Considerando a relação entre custo e energia, uma das células Li-Ion que se destaca é a de formato cilíndrico, modelo 18650 (diâmetro = 18 mm e altura = 65 mm)[1], que apesar do seu volume é bastante utilizada para aplicações em computadores móveis. Contudo, diante da necessidade de um conjunto menos volumoso, existe a alternativa de utilização das células prismáticas ou a célula de Lítio-Polímero, que podem ser usadas quando se deseja geometrias ultrafinas. Diversas alternativas são possíveis quando falamos de baterias de Li-Ion; no entanto, é necessário consideramos os ganhos de energia e a durabilidade das células além de outras características. A Tabela 4 mostra as vantagens e as limitações das baterias de Li-Ion.

 

Tabela 4 – Vantagens e limitações das baterias de Li-Ion[1]

 

Vantagens

Limitações

Alta densidade de energia

Requer circuito de proteção

Baixa autodescarga

Sujeita a envelhecimento

Baixa manutenção

Maior custo

Metal menos tóxico

Tecnologia em desenvolvimento

 

Eletrólito altamente inflamável

 

Alta temperatura diante do uso abusivo das células

 

Li-Ion é uma espécie de nome genérico para se referir aos materiais dessa tecnologia de bateria. Como é notório, os símbolos dos elementos químicos são utilizados, mas alguns fabricantes preferem utilizar abreviações. A Tabela 5 mostra alguns exemplos de nomenclatura utilizadas para identificação de baterias a base de Íons de lítio.

 

Tabela 5 – Nomenclaturas das baterias de Li-Ion[4]

 

Elementos da Bateria

Nomenclatura pelo Elemento

Nomenclatura pela abreviação

Fosfato de lítio ferro

LiFePO4

LFP

Óxido de lítio manganês

LiMn2O4

LMO

Óxido de lítio cobalto

LiCoO2

LCO 

Titanato de lítio

Li4Ti5O12

LTO

Óxido de lítio níquel cobalto alumínio

LiNiCoAlO2

NCA

Óxido de lítio níquel manganês cobalto

LiNiMnCoO2

NMC

 

 

Conclusão

 

Certamente, uma boa parcela de sensores a serem desenvolvidos para aplicações em IOT precisarão ter autonomia de alimentação elétrica, e a escolha da tecnologia mais adequada para cada aplicação é essencial. Embora existam diferentes tipos de tecnologias de baterias recarregáveis, os fabricantes disputam incansavelmente no aprimoramento das mesmas com o objetivo de ampliar sua fatia de mercado, pois sabem que a bateria pode ser um gargalo limitador no desenvolvimento de sensores autônomos. Graças a esta dedicação, é possível notar que no decorrer do tempo houve um avanço expressivo na tecnologia de Li-Ion, apesar da particularidade das diferentes tecnologias de baterias.

 

Referências

 

[1]Michelini, A. – Baterias Recarregáveis para Equipamentos Portáteis – 1ª Ed. – 2017

[2]https://www.electronica-pt.com/tipos-baterias - Acessado em 27/07/2019.

[3]https://www.fnac.pt/mp10996830/MicroBattery-MBXSO-BA0002-Niquel-hidreto-metalico-700mAh-2-4V-pilha-recarregavel. Acessado em 27/07/2019.

[4]http://www.sta-eletronica.com.br/artigos/baterias-recarregaveis/baterias-de-Lítio/baterias-de-Lítio/tipos-de-baterias-de-Li-Ion - Acessado em 19/08/2019.

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Fábio Ricardo de Oliveira
Graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica e pós-graduado em Sistemas Embarcados, possuo experiência em nacionalização de máquinas e equipamentos, automação de processos e manutenção industrial.

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Diego Fontes Lustosa
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Diego Fontes Lustosa

Excelente artigo! A preocupação com a utilização e materiais menos tóxicos ao meio ambiente deve ser ainda maior em áreas mais remotas pois nestes locais geralmente a estrutura para o descarte adequado é mais limitada.

Vagner Rodrigues
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Vagner Rodrigues

Muito bom, Fábio!

JOSE GUSTAVO MURTA
Visitante
JOSE GUSTAVO ABREU MURTA

Excelente artigo.
Esse link é a bíblia das baterias. Material mais completo sobre baterias que eu já vi na web.
https://batteryuniversity.com/learn/
Meu tutorial sobre carregador de bateria de Li Ion:
https://jgamblog.wordpress.com/2017/01/05/projeto-carregador-de-bateria-li-ion/
Gustavo Murta

Pedro Henrique Fonseca Bertoleti
Visitante
Pedro Henrique Fonseca Bertoleti

Muito bom artigo!