No artigo anterior, discutimos diferentes tipos de fontes de alimentação. Para prototipagem e teste de circuitos, a fonte de alimentação regulada linearmente é a solução “faça você mesmo” mais econômica e viável. A saída de potência de uma fonte regulada linear também pode ser ajustada com a ajuda de um resistor variável. Amadores de eletrônica e iniciantes que não querem se preocupar em projetar sua própria fonte de alimentação podem comprar uma fonte de alimentação de bancada ajustável para testes regulares de circuitos e prototipagem. A maioria dos sistemas embarcados são baseados em bateria, portanto, mais cedo ou mais tarde, você precisará adicionar uma fonte de alimentação baseada em bateria aos seus projetos (circuitos). Mesmo circuitos que não são totalmente baseados em bateria podem usar baterias como reserva de energia. Portanto, é fundamental conhecer esses componentes eletroquímicos antes de mais nada, pois eles farão seus circuitos funcionarem na maioria das situações.
O que são baterias
As baterias são dispositivos eletroquímicos que armazenam energia elétrica na forma de energia química. Quando eles estão conectados em um circuito, a corrente começa a fluir através de seus terminais à medida que a energia química armazenada neles é descarregada de volta como energia elétrica. Os supercapacitores são diferentes das baterias porque armazenam energia elétrica como um campo eletrostático, enquanto as baterias armazenam energia eletroquimicamente.
As baterias são dispositivos de dois terminais e sempre possuem um terminal positivo (ânodo) e um terminal negativo (cátodo). Eles são compostos de três componentes – ânodo, cátodo e eletrólito. Quando uma bateria é conectada a um circuito, os elétrons fluem do cátodo para o ânodo devido a reações químicas com o eletrólito. Obviamente, a direção da corrente convencional é do ânodo para o cátodo.
Tipos de baterias
Existem quatro tipos principais de baterias:
- Baterias Primárias
- Baterias Secundárias
- Células de reserva
- Células de Combustível
Baterias primárias
As células e baterias primárias são baterias não recarregáveis e descartáveis. As reações eletroquímicas nessas baterias não podem ser revertidas, portanto elas não podem ser recarregadas depois de esgotadas e podem até descarregar se não forem usadas por um longo período. Essas baterias são destinadas ao uso único e precisam ser descartadas quando esgotadas. Essas baterias são mais adequadas para aplicações baseadas em bateria, que geralmente exigem baixos requisitos de energia e devem funcionar inteiramente com bateria por um longo período. As baterias primárias também são usadas em muitas aplicações de nível militar (rádio e comunicação), pois é mais conveniente substituir as baterias do que recarregá-las em tais aplicações. As baterias primárias comumente usadas incluem células tipo moeda, pilhas AA e AAA.
As baterias de célula tipo moeda de íons de lítio da série RJD apresentam a alta densidade de potência necessária em aplicações vestíveis de IoT. (Imagem: Capacitor de Illinois)
Essas baterias pequenas e de baixo custo geralmente estão secas, têm boa retenção de carga e são destinadas ao uso a longo prazo. Eles não são projetados nem são adequados para aplicações de carga pesada onde é necessária uma alta taxa de descarga, nem são adequados para backup de energia ou nivelamento de carga.
Existem muitos tipos de baterias primárias disponíveis. Algumas das baterias primárias populares incluem o seguinte.
Pilhas Alcalinas: Estas são as baterias primárias mais populares e são compostas por células de 1,5V. Eles têm alta energia específica, longa vida útil, são ecológicos, seguros de usar, à prova de vazamentos e de baixo custo. Eles são ideais para aplicações de baixa corrente e são usados em muitos dispositivos de consumo, como controles remotos de TV, relógios de parede e brinquedos. Sua principal desvantagem é o peso, pois são pesados.
Baterias de zinco-carbono: Estas são baterias resistentes e são uma alternativa de baixo custo às baterias alcalinas. No entanto, eles têm energia específica mais baixa (densidade de energia) e baixo desempenho na taxa de descarga. Geralmente são usados como uma substituição econômica de baterias alcalinas.
Baterias primárias de lítio: Essas baterias pequenas e leves destinam-se ao uso em aplicações de baixa corrente. Estas são usadas como uma alternativa às baterias alcalinas, onde o tamanho e o peso são a principal preocupação em relação ao custo.
Baterias de Mercúrio: Estas não são baterias secas como outros produtos químicos de bateria primária. Essas baterias de tamanho pequeno têm vida útil mais longa e tensão estável. Eles geralmente são usados em aplicações de restrição de tamanho.
Baterias secundárias
As baterias secundárias são baterias recarregáveis. Suas reações eletroquímicas podem ser revertidas recarregando-os. No processo de recarga, a corrente de carga passa através de seus terminais opostos à direção da corrente de descarga. Depois de recarregadas, essas baterias são restauradas ao estado de pré-descarga.
As baterias secundárias têm um custo inicial elevado; no entanto, como podem ser reutilizados muitas vezes, têm custos de ciclo de vida mais baixos. Em muitas aplicações, é mais econômico usar baterias secundárias de baixa potência do que baterias primárias para uso prolongado. É por isso que baterias secundárias de baixo consumo são comumente usadas em dispositivos móveis e gadgets. Essas baterias também são úteis em aplicações pesadas e nas aplicações onde é necessário um desempenho de alta taxa de descarga. É a razão pela qual as baterias secundárias são usadas para aplicações como nivelamento de carga, veículos elétricos e reserva de energia. Algumas das baterias secundárias populares incluem o seguinte:
Baterias de íon-lítio: Estas são as baterias secundárias mais populares. Eles vêm em uma variedade de produtos químicos, como óxido de lítio-cobalto, lítio-enxofre e fosfato de ferro-lítio. Essas baterias leves têm a mais alta densidade de energia e excelente desempenho de taxa de descarga e são amplamente utilizadas em smartphones, dispositivos portáteis e dispositivos de consumo baseados em bateria. Recentemente, o Prémio Nobel da Química de 2019 foi atribuído a três cientistas – John B Goodenough, M Stanley Whittingham e Akira Yoshino – pelo seu trabalho no desenvolvimento de baterias de iões de lítio.
Uma bateria de íons de lítio tipo pino adequada para alimentar pequenas aplicações, como dispositivos vestíveis. (Imagem: Bateria Industrial Panasonic)
Baterias de chumbo-ácido: Estes são os primeiros tipos de baterias secundárias. Estas são baterias pesadas e de grande porte usadas para aplicações pesadas com um custo menor do que outras baterias, tornando-as úteis em aplicações não portáteis, como automóveis e para reserva de energia. Apesar da baixa energia específica e do peso pesado, essas baterias têm uma alta relação potência/peso. Eles estão disponíveis como baterias seladas de chumbo-ácido (SLA).
Baterias de níquel-cádmio: Essas baterias secundárias duráveis usam cádmio metálico e hidróxido de óxido de níquel como eletrodos e são conhecidas por fornecerem sua tensão nominal total em altas taxas de descarga. Estes têm baixa autodescarga e longa vida útil. Uma grande desvantagem das baterias de Ni-Cd é que elas têm memória – se não forem recarregadas adequadamente, sua vida útil pode ser encurtada.
Hidreto metálico de níquel: Essas baterias são semelhantes às baterias de Ni-Cd, exceto pelo fato de usarem uma liga absorvente de hidrogênio em vez de cádmio. Possuem maior densidade de energia e não necessitam de procedimento específico de recarga. No entanto, essas baterias têm vida útil curta em comparação com as de Ni-Cd e podem precisar ser descartadas antes de mil ciclos.
Células de reserva
Assim como as baterias primárias, as células de reserva também são principalmente para uso único, mas apresentam um eletrólito isolado dos eletrodos ou eletrodos isolados do eletrólito. A maioria das células de reserva possui eletrólitos isolados. O eletrólito é ativado somente quando a bateria é usada. Como o eletrólito e os eletrodos permanecem isolados, essas baterias não se descarregam automaticamente (como as baterias primárias) e têm uma vida útil mais longa. Algumas das células de reserva populares incluem baterias ativadas por eletrólito, baterias ativadas por calor (baterias térmicas), baterias ativadas por água e baterias ativadas por gás. Essas baterias são geralmente usadas em aplicações de nível militar.
Células de combustível
Nas células de combustível, o material ativo é alimentado de fora para a bateria. A bateria permanece operacional apenas até que o material ativo seja alimentado. As células de combustível são geralmente usadas em aplicações espaciais, mas também em aplicações como veículos elétricos, nivelamento de carga e backup de energia.
Como funciona uma célula de combustível básica. (Imagem: FCHEA)
A maioria dos dispositivos embarcados baseados em bateria usa baterias primárias. Muitos dispositivos embarcados podem usar baterias secundárias, como em aplicações industriais, onde o uso de baterias secundárias pode ser muito econômico. As células de reserva e as células de combustível têm aplicações limitadas e podem não ser vistas em produtos eletrônicos amplamente utilizados. Assim como os indutores, as baterias são específicas para aplicações. Portanto, não é uma tarefa difícil escolher um tipo de bateria para um determinado circuito ou aplicação. Mas você precisa considerar outros requisitos, como tensão terminal, segurança, conformidade, tamanho e geometria ao selecionar uma bateria para uma determinada aplicação.
Já discutimos diferentes tipos de baterias com base na reutilização e na sua química. No próximo artigo falaremos sobre a geometria e o tamanho das baterias.
