Como funcionam as baterias recarregáveis e os ciclos de carga e descarga

A bateria armazena energia elétrica na forma de energia química e a energia química novamente capaz de ser convertida em energia elétrica. A conversão de energia química em energia elétrica é chamada de descarga. A reação química durante a descarga faz com que os elétrons fluam através da carga externa conectada nos terminais, o que faz com que a corrente flua na direção inversa do fluxo do elétron.

Algumas baterias são capazes de devolver esses elétrons ao mesmo elétron aplicando corrente reversa. Esse processo é chamado de carregamento. As baterias capazes de recuperar elétrons no mesmo eletrodo são chamadas de recarregáveis ​​e se não forem capazes de fazer isso, são chamadas de não recarregáveis.

Em uma bateria, o eletrodo onde ocorre a redução é chamado de cátodo e onde ocorre a oxidação é chamado de ânodo.

Existem três tipos de baterias no mercado que são comumente usadas como baterias recarregáveis.

1. Baterias de chumbo-ácido
2. Baterias Ni-Cd
3. Baterias Ni-MH
4. Baterias de íon-lítio

Baterias de chumbo-ácido
Em primeiro lugar, a bateria de chumbo-ácido foi inventada em 1859 pelo físico francês Gaston Plante. é um eletrodo negativo (ânodo) feito de chumbo esponjoso ou poroso. O eletrodo positivo (cátodo) consiste em óxido de chumbo. Os eletrodos anódico e cátodo são imersos em uma solução eletrolítica de ácido sulfúrico e água (ácido sulfúrico diluído).

A membrana quimicamente permeável separa os dois eletrodos que evitam curto-circuito. Esta membrana também evita curto-circuito através do eletrólito.

A bateria de chumbo-ácido tem uma tensão nominal de cerca de 2 V, podendo variar de 1,8 V em carga com descarga total a 2,40 V em circuito aberto com carga total. O cálculo da tensão de carga pode ser feito com tensão 2,40v/célula. A bateria de chumbo-ácido de 12 V pode ser feita a partir de 6 células conectadas em série. A capacidade atual depende totalmente do fabricante e tamanho, podendo variar de aproximadamente 1Ah até quase 150Ah. Por exemplo, 12V com 4Ah ou mais pode ser usado na ignição do veículo, 12V com bateria de 150Ah pode ser usado para um inversor.

Descarga de baterias de chumbo-ácido
Quando a bateria está conectada a uma carga, a bateria começa a descarregar. O ácido sulfúrico (H2SO4) se divide em duas partes de hidrogênio (2H⁺⁺) íons e íons sulfato (SO₄^– ). O íon hidrogênio retira um elétron do elétron positivo e os íons sulfato dão um elétron para a placa negativa. Esta desigualdade de elétrons faz com que o fluxo de corrente na carga externa equilibre a desigualdade do eletrodo.

Reação no eletrodo negativo
Pb + HSO₄^– ———-> PbSO₄ +H⁺ + 2e^–

Reação no eletrodo positivo
PbO₂ + HSO₄^– + 3H⁺ + 2e^– ———-> PbSO₄ + 2H₂Ó

Reação geral
Chumbo + PbO₂ + 2H₂ENTÃO₄ ———-> 2PbSO₄ + 2H₂Ó

A descarga da bateria de chumbo-ácido provoca a formação de sulfato de chumbo (PbSO₄) cristais tanto no eletrodo positivo (cátodo) quanto no eletrodo negativo (ânodo) e liberam elétrons devido à mudança na carga de valência do chumbo. Esta formação de sulfato de chumbo utiliza sulfato de ácido sulfúrico, que é um eletrólito da bateria. Isso torna o ácido sulfúrico menos concentrado na descarga total, ambos os eletrodos sendo cobertos com sulfato de chumbo e água, não há ácido sulfúrico ao redor do eletrodo. O eletrodo é totalmente coberto com o mesmo material na descarga total. O material é sulfato de chumbo, portanto não há potencial químico ou tensão entre os dois eletrodos. Na prática, existe uma tensão de corte para interromper a descarga, muito antes deste ponto.

Vamos descobrir a taxa de descarga da bateria de chumbo-ácido geralmente especificada para 8, 10 ou 20 horas, que é C/8, C/10, C/20. se você encontrar classificações na bateria 12v 200Ah/10h ou C/10.

A taxa de descarga é C/10 = 200 Ah / 10 h = 20A

O C/10m corta tensão após um tempo específico, aqui 10 horas para C/10.

Carregamento de baterias de chumbo-ácido
O carregamento começa quando o carregador é conectado nos terminais positivo e negativo. a bateria de chumbo-ácido converte o sulfato de chumbo (PbSO₄) no eletrodo negativo em chumbo (Pb) e no terminal positivo, a reação converte o sulfato de chumbo (PbSO₄) para óxido de chumbo. As reações químicas são revertidas do processo de descarga

Reação no eletrodo positivo
PbSO₄ + 2H₂O ———-> PbO₂ + HSO₄^– + 3H⁺ + 2e^–

Reação no eletrodo negativo
PbSO₄ + E⁺ + 2e^– ———-> Pb + HSO₄^–

Reação Geral
2PbSO₄ + 2H₂O ———-> Pb + PbO₂ + 2H₂ENTÃO₄

A corrente de carga eletrolisa a água do eletrólito e tanto o hidrogênio quanto o oxigênio são produzidos neste processo denominado “gaseificação” da bateria. Esta gaseificação levanta vários problemas na bateria. Isto não é seguro devido à natureza explosiva do hidrogénio produzido. Isto também reduz a água na bateria, que pode ser substituída manualmente, mas adiciona um fator de manutenção. A gaseificação pode causar sombreamento do material ativo do eletrólito, o que reduz permanentemente a capacidade da bateria, por isso a bateria não deve carregar regularmente acima da tensão que causa a gaseificação. A tensão de gaseificação pode ser alterada com a taxa de carga

Existem vários métodos para carregar as baterias de chumbo-ácido. Mas devemos usar o melhor método para reduzir a possibilidade de formação de gás, para obter a máxima vida útil e capacidade da bateria. A lista de métodos de cobrança é fornecida abaixo.

1. Voltagem constante:- Como nome, este método fornecerá tensão constante até que a corrente absorvida pela bateria chegue a zero. Leva muito tempo
2. Corrente constante:- Como nome, este método fornecerá corrente constante até que a tensão atinja a tensão de gaseificação definida. Também leva muito tempo.
3. corrente constante de várias etapas: – Neste método, a corrente de carga é constante quando a tensão atinge a tensão de gaseificação e a corrente começa a ser reduzida em etapas para manter a tensão abaixo da tensão de gaseificação. Este carregador é complicado de construir.
4. Corrente de tensão constante modificada: – Neste método, a bateria é carregada em três estágios. O primeiro estágio é o estágio de corrente constante, nesta corrente aplicada à bateria até que a voltagem atinja sua voltagem de gaseificação definida. No segundo estágio, a voltagem é constante até que a corrente diminua o valor de cerca de 0,1C20 (também conhecido como C20/10). A voltagem será reduzida para voltagem flutuante (geralmente 2,25v a 2,27v) para manter a bateria carregada.

A corrente de carga e a tensão de gaseificação podem ser encontradas na etiqueta da bateria, como você pode ver na imagem, existem dois modos para escolher a tensão e a corrente de carga: uso em espera e uso cíclico. O uso cíclico é o uso de uma bateria onde há necessidade de carregar e descarregar rapidamente. O uso em espera é onde a bateria já está carregada e é usada quando necessário. 0,1C significa multiplicar 0,1 pela capacidade total da bateria. Se você tiver uma bateria de 40Ah, significa que 0,1C é 0,1 x 40 = 4A. O mesmo para 0,25C = 0,25 x 40 = 10A.

O ciclo de vida das baterias de chumbo-ácido
O ciclo de vida da bateria de chumbo-ácido depende de vários fatores. Geralmente, dizemos que seu ciclo de carga/descarga é de cerca de 200 a 300 ciclos para baterias de ciclo raso, mas esse número pode aumentar ou diminuir. O ciclo de vida desta bateria depende de três fatores: profundidade de descarga, ciclo de carregamento correto e temperatura. A bateria de ciclo profundo pode manter um ciclo de vida de cerca de 1000, mas o que são ciclo pálido e ciclo profundo? , você pode encontrá-lo abaixo.

1. Profundidade de descarga- profundidade de descarga (DOD) significa o quanto sua bateria está descarregada. Vamos supor que você tenha uma bateria de 100Ah, você a descarregou por 20 minutos para 50A, então a profundidade da descarga é fornecida abaixo.
   Tempo secreto em hora = 20/60
   Calcular o tempo de descarga = 50 x 20/60 = 16,7 A
   Profundidade de descarga = (descarga/capacidade) x 100 = (16,7/100) x 100 = 16,7%
   Existem dois tipos de bateria de acordo com o DOD, a bateria que tem capacidade DOD de mais de 50% é chamada Bateria de ciclo profundo, e bateria que foi cortada antes de 50% do DOD ser chamada bateria de ciclo raso. A bateria de ciclo profundo é capaz de manter um ciclo de vida de cerca de 1000, mesmo que a profundidade de descarga seja superior a 50%, mas a bateria de ciclo raso pode aumentar seu ciclo de vida conforme o gráfico abaixo.

2. Carregando: Se o carregamento não estiver correto, causará sobrecarga ou subcarga, o que também reduz a capacidade da bateria.

3. Temperatura: o ciclo de vida também é afetado pela temperatura, a capacidade da bateria é reduzida na operação em baixa temperatura, a operação em alta temperatura aumenta a taxa de envelhecimento da bateria.

Baterias Ni-Cd
Em primeiro lugar, a bateria Ni-Cd foi inventada em 1899 por Waldermar Jungner. seu eletrodo positivo (cátodo) feito de hidróxido de óxido de níquel (NiO (OH)) e um eletrodo negativo (ânodo) feito de cádmio metálico (Cd). O eletrólito usado é hidróxido de potássio (KOH) a 30% em água destilada. O nível de eletrólito mantido logo acima do topo do eletrodo. Não há alterações apreciáveis ​​​​que ocorram no eletrólito durante a carga e a descarga.

Esta bateria tem um ciclo de descarga/carga de cerca de 2.000 ciclos. Sua tensão nominal é de 1,2 V por célula e sua tensão totalmente carregada é de 1,55 V. ele está totalmente descarregado quando a tensão cai para 1,1 V. A tensão pode ser aumentada conectando células em série. O fabricante define a capacidade da bateria, normalmente a bateria AA disponível é próxima de 1000mAh.

Descarregamento de baterias Ni-Cd
A bateria começa a descarregar quando a carga é conectada nos terminais. O hidróxido de potássio (KOH) é dissociado em potássio (K⁺) e hidroxila (OH^–) íons. A hidroxila (OH^–) os íons vão em direção ao eletrodo negativo. O eletrodo negativo libera o elétron e o eletrodo positivo o recebe por conexão externa. Isso faz com que a corrente flua através da carga do eletrodo positivo para o negativo.

Reação no eletrodo negativo
Cd + 2OH ———-> Cd(OH)₂ + 2e^–

Reação no eletrodo positivo
NiO(OH) +H₂O + 2e^– ———->Ni(OH)₂ + AH^–

Reação Geral
Cd + 2NiO(OH) + 2H₂Ó ———->2Ni(OH)₂ +Cd(OH)₂

A taxa de descarga varia de acordo com o tamanho da bateria. Uma bateria AA comum pode fornecer uma corrente de aproximadamente 1,8 amperes e uma bateria tamanho D capaz de fornecer uma corrente de aproximadamente 3,5 amperes.

Carregamento de baterias Ni-Cd
No momento do carregamento, o carregador está conectado aos terminais. A reação é revertida a partir da descarga. O eletrodo positivo converte Ni (OH)₂ para NiO (OH) e libera o elétron. O elétron é levado por um elétron negativo de conexões externas e converte Cd (OH)₂ para CD.

Reação no eletrodo positivo
Ni(OH)₂ + AH^– ———-> NiO(OH) +H₂O + 2e^–

Reação no eletrodo negativo
Cd(OH)₂ + 2e^– ———-> Cd + 2OH

Reação geral
2Ni(OH)₂ +Cd(OH)₂ ———-> Cd + 2NiO(OH) + 2H₂Ó

Ao final do ciclo de carga, as células emitem gás e isso também ocorrerá quando a célula estiver sobrecarregada. A partir deste gás, a água no eletrólito se decomporá em hidrogênio no eletrodo negativo e oxigênio no eletrodo positivo. Esta gaseificação depende da voltagem usada para carregar a célula e da temperatura. Para carregar totalmente a bateria de Ni-cd, deve ocorrer uma leve gaseificação, portanto, um pouco de água é usada a partir da concentração de eletrólito.

Existem dois métodos para carregar as baterias ni-cd. Carga lenta e carga rápida.

1. Carga lenta: – A corrente de carga lenta é de cerca de 0,1C e não danificará a célula quando estiver totalmente carregada. Este método também é usado para superar a autodescarga de baterias ni-cd.
2. Carregamento rápido: – No carregamento rápido, a célula é carregada a uma corrente constante de cerca de 1C. C é a capacidade da bateria, se você estiver usando uma bateria de 4Ah então 1C significa 1 x 4 = 4A. Depois de totalmente carregado, o que pode ser detectado pelo algoritmo de detecção de carga fornecido abaixo. A corrente será reduzida para 0,1C e uma carga lenta será aplicada. A carga lenta é o carregamento na mesma taxa em que a bateria se descarrega automaticamente. Isso manterá a bateria totalmente carregada.

O algoritmo de detecção de carga total pode usar dois fatores Delta V negativo ou temperatura.

Se o algoritmo usar a temperatura para detectar, a temperatura será de 45 graus para carregamento rápido e 50 graus para carregamento lento.

No algoritmo de detecção de delta V negativo, a tensão cai após uma carga completa. A detecção desta queda pode ser usada para detectar o estado de carga total. Este método é chamado de delta V negativo. Este método fornece detecção precisa de carga total.

Baterias Ni-MH
Em primeiro lugar, a bateria Ni-MH foi inventada em 1967 pelo Centro de Pesquisa Battelle-Genebra. Em seguida, foi lançado em 2005 pela Sanyo, com a marca Eneloop. Nesta bateria, um eletrodo positivo (cátodo) é feito de hidróxido de óxido de níquel e um eletrodo negativo é feito de uma liga absorvente de hidrogênio (hidreto metálico). O eletrólito utilizado é o hidróxido de potássio (KOH) concentrado com água destilada.

Esta bateria tem um ciclo de descarga/carga de cerca de 180 a 2.000 ciclos. Isso depende de vários fatores, como você está carregando ou descarregando a bateria.

Esta bateria é quase semelhante à bateria Ni-Cd. A tensão nominal da bateria Ni-MH é de 1,2 V para uma única célula. Mas com carga total, a tensão é de 1,5 V e a tensão de descarga total é de 1,0 V. A capacidade atual desta bateria varia de acordo com seu tamanho, uma bateria AA pode estar disponível perto de 2.000mAh.

Descarregamento de baterias Ni-MH
A reação de descarga começa quando a carga é conectada aos terminais. O hidreto metálico (MH) reage com íons OH para formar M e água, e também libera um elétron. O elétron é levado por NiO (OH) através de uma carga externa. Isso faz com que a eletricidade flua através da carga.

Reação no eletrodo negativo
MH + OH^– ———->M +H₂O + e^–

Reação no eletrodo positivo
NiO(OH) +H₂O + e^– ———->Ni(OH)₂ + AH^–

Reação Geral
NiO(OH) +MH ———->Ni(OH)₂ +M

Normalmente a bateria Ni-MH descarrega a uma taxa de 3C (onde C é a capacidade da bateria, mas a bateria de alta qualidade pode descarregar até uma taxa de 15C.

Carregamento de baterias Ni-MH
No momento do carregamento, o carregador é conectado ao terminal da bateria e as reações de carregamento são inversas às reações de descarga. O eletrodo positivo converte Ni (OH)₂ para formar NiOOH, água e libera um elétron. Este elétron é retirado pelo eletrodo negativo do fio externo e novamente do MH.

Reação no eletrodo positivo
Ni(OH)₂ + AH^– ———-> NiO(OH) +H₂O + e^–

Reação no eletrodo negativo
M +H₂O + e^– ———->MH+OH^–

Reação Geral
Ni(OH)₂ + M ———-> NiO(OH) + MH

Os produtos químicos de carregamento da bateria Ni-MH utilizam algoritmos de corrente constante e tensão constante que podem ser divididos em quatro partes fornecidas abaixo.

1. Carga lenta:- Quando a bateria está profundamente descarregada, ela fica abaixo de 0,9 V por célula. a corrente constante de no máximo 0,1C usada para carregar a bateria é chamada de carga lenta.
2. Corrente constante:- Quando a voltagem está acima de 0,9 V por célula, a corrente constante é aplicada na faixa de 0,2 C a 1 C para realizar o carregamento de corrente constante.
3. Rescisão de cobrança: – A carga total da bateria pode ser detectada por um algoritmo de detecção de carga completa explicado abaixo. Após a carga completa, o carregamento lento é usado na taxa de autodescarga para manter a carga total da bateria.

O algoritmo de detecção de carga completa pode usar dois fatores Delta V negativo ou temperatura.

Se o algoritmo usar a temperatura para detectar, a temperatura será de 45 a 50 graus para detectar a carga total.

No algoritmo de detecção de delta V negativo, a tensão cai após uma carga completa. A detecção desta queda pode ser usada para detectar o estado de carga total. Este método é denominado delta negativo V. Este método fornece detecção precisa de carga total.

Baterias de íon-lítio
Primeiramente, uma bateria de íons de lítio foi desenvolvida por Akira Yoshino em 1985. O eletrodo positivo (cátodo) é feito de óxido de lítio-cobalto e o eletrodo negativo (ânodo) é feito de grafite. O sal de lítio como solvente orgânico é usado como eletrólito. Um separador é usado para separar eletrodos

Esta bateria tem um ciclo de descarga/carga de cerca de 400 a 1200 ciclos. Isso depende de vários fatores, como você está carregando ou descarregando a bateria.

A voltagem nominal da bateria de íons de lítio é 3,60 V. Quando a bateria está totalmente carregada, a voltagem é de cerca de 4,2 V. Quando a bateria está totalmente descarregada, a voltagem é de cerca de 3,0 V. A bateria de íons de lítio vem em diferentes tamanhos e formas, a capacidade também está disponível conforme os requisitos.

Descarregamento de baterias de íon-lítio
No momento da descarga da bateria, a carga é conectada ao terminal da bateria. O íon de lítio é liberado do eletrodo negativo e segue para o eletrólito. Este íon de lítio é absorvido por um eletrodo positivo. O eletrodo negativo também libera os elétrons que viajam através de um fio externo até o eletrodo positivo. Isso nos fornece uma corrente elétrica para o nosso circuito.

(Descarregamento da bateria de íons de lítio)

Reação no eletrodo negativo
LiC₆ ———-> C₆ +Li⁺ +e^–

Reação no eletrodo positivo
CoO₂ + Li + e^– ———-> LiCoO₂

Reação Geral
LiC₆ + CoO₂ ———->C₆ + LiCoO₂

A bateria de íon-lítio pode descarregar a uma taxa de 10C (onde C é a capacidade da bateria). Se a sua bateria puder fornecer 1000mAh, a taxa de descarga será de 10 x 1000 = 10000mAh.

Carregamento de baterias de íon-lítio
No momento de carregar a bateria de íons de lítio, a bateria está conectada ao carregador. O eletrodo positivo perde um elétron carregado negativamente. Para manter esse equilíbrio de carga no eletrodo negativo, um número igual de íons carregados positivamente é dissolvido na solução eletrolítica. Esses íons de lítio viajam até o eletrodo positivo, onde são absorvidos pelo grafite. Esta reação de absorção também deposita elétrons no ânodo de grafite para “amarrar” o íon-lítio.

Reação no eletrodo positivo
LiCoO₂ ———->CoO₂ + Li + e^–

Reação no eletrodo negativo
C₆ +Li⁺ +e^– ———-> LiC₆

Reação Geral
C₆ + LiCoO₂ ———-> LiC₆ + CoO₂

Os produtos químicos de carregamento da bateria de íon-lítio utilizam algoritmos de corrente constante e tensão constante que podem ser divididos em quatro partes.

4. Carga lenta: – Quando a bateria está profundamente descarregada, ela fica abaixo de 3,0 V por célula. a corrente constante de no máximo 0,1C usada para carregar a bateria é chamada de carga lenta.
5. Corrente constante:- Quando a tensão está acima de 3,0 V por célula, a corrente constante é aplicada na faixa de 0,2 C a 1 C para realizar o carregamento de corrente constante.
6. Voltagem constante:- quando a tensão é atingida em 4,2 V por célula de carregamento de corrente constante. A tensão constante é aplicada até que a corrente absorvida pela célula caia a zero, o que maximiza o desempenho da bateria.
7. Rescisão de cobrança: – O fim do carregamento é detectado por um algoritmo que detecta a faixa de corrente que cai de 0,02C a 0,07C ou usa um método de temporizador. Ele detecta quando um estágio de tensão constante é iniciado e encerra o carregador após 2 horas de estágio de tensão constante.