Diferentes tipos de baterias e suas aplicações

Uma bateria é um conjunto de uma ou mais células que passam por reações químicas para criar o fluxo de elétrons dentro de um circuito. Há muitas pesquisas e avanços em andamento na tecnologia de baterias e, como resultado, tecnologias inovadoras estão sendo experimentadas e usadas em todo o mundo atualmente. As baterias entraram em jogo devido à necessidade de armazenar a energia elétrica gerada. Por mais que uma boa quantidade de energia estivesse sendo gerada, era importante armazenar a energia para que ela pudesse ser usada quando a geração estiver baixa ou quando houver necessidade de alimentar dispositivos autônomos que não podem ser mantidos presos à rede elétrica. Aqui deve ser observado que apenas DC pode ser armazenada nas baterias, a corrente AC não pode ser armazenada.

As células da bateria geralmente são compostas por três componentes principais;

1. O ânodo (eletrodo negativo)
2. O cátodo (eletrodo positivo)
3. Os eletrólitos

O ânodo é um eletrodo negativo que produz elétrons para o circuito externo ao qual a bateria está conectada. Quando as baterias são conectadas, um acúmulo de elétrons é iniciado no ânodo, o que causa uma diferença de potencial entre os dois eletrodos. Os elétrons naturalmente tentam se redistribuir, o que é impedido pelo eletrólito, portanto, quando um circuito elétrico é conectado, ele fornece um caminho livre para os elétrons se moverem do ânodo para o cátodo, alimentando assim o circuito ao qual está conectado. Ao alterar a disposição e o material usados ​​para construir o ânodo, o cátodo e o eletrólito, podemos obter muitos tipos diferentes de químicas de bateria, permitindo-nos projetar diferentes tipos de células de bateria. Neste artigo, vamos entender os diferentes tipos de baterias e seus usos, então vamos começar.

Tipos de baterias

As baterias geralmente podem ser classificadas em diferentes categorias e tipos, variando de composição química, tamanho, fator de forma e casos de uso, mas em todos eles há dois tipos principais de bateria;

1. Baterias Primárias
2. Baterias Secundárias

Vamos dar uma olhada mais profunda para entender as principais diferenças entre uma célula primacial e uma célula secundária.

1. Baterias primárias

As baterias primárias são baterias que não podem ser recarregadas depois de esgotadas. As baterias primárias são feitas de células eletroquímicas cuja reação eletroquímica não pode ser revertida.

As baterias primárias existem em diferentes formas, desde células tipo moeda até baterias AA. Eles são comumente usados ​​em aplicações autônomas onde o carregamento é impraticável ou impossível. Um bom exemplo disso são os dispositivos de nível militar e equipamentos movidos a bateria. Será impraticável usar baterias recarregáveis, pois recarregar uma bateria será a última coisa na mente dos soldados. As baterias primárias sempre têm alta energia específica e os sistemas em que são usadas são sempre projetados para consumir pouca energia para permitir que a bateria dure o máximo possível.

Alguns outros exemplos de dispositivos que usam baterias primárias incluem; Criadores de ritmo, rastreadores de animais, relógios de pulso, controles remotos e brinquedos infantis, para mencionar alguns.

O tipo mais comum de baterias primárias são as baterias alcalinas. Eles têm uma alta energia específica e são ecológicos, econômicos e não vazam mesmo quando totalmente descarregados. Eles podem ser armazenados por vários anos, têm um bom histórico de segurança e podem ser transportados em uma aeronave sem estarem sujeitos aos Transportes da ONU e outros regulamentos. A única desvantagem das baterias alcalinas é a baixa corrente de carga, que limita seu uso a dispositivos com requisitos de baixa corrente, como controles remotos, lanternas e dispositivos de entretenimento portáteis.

2. Baterias secundárias

Baterias secundárias são baterias com células eletroquímicas cujas reações químicas podem ser revertidas aplicando-se uma determinada voltagem à bateria na direção reversa. Também chamadas de baterias recarregáveis, as células secundárias, ao contrário das células primárias, podem ser recarregadas após o esgotamento da energia da bateria.

Eles são normalmente usados ​​em aplicações de alto consumo e outros cenários em que será muito caro ou impraticável usar baterias de carga única. Baterias secundárias de pequena capacidade são usadas para alimentar dispositivos eletrônicos portáteis como telefones celulares e outros dispositivos e aparelhos, enquanto baterias pesadas são usadas para alimentar diversos veículos elétricos e outras aplicações de alto consumo, como nivelamento de carga na geração de eletricidade. Eles também são usados ​​como fontes de energia autônomas ao lado de inversores para fornecer eletricidade. Embora o custo inicial de aquisição de baterias recarregáveis ​​seja sempre muito superior ao das baterias primárias, elas são as mais econômicas a longo prazo.

As baterias secundárias podem ser classificadas em vários outros tipos com base em sua química . Isso é muito importante porque a química determina alguns dos atributos da bateria, incluindo sua energia específica, ciclo de vida, vida útil e preço, para citar alguns.

A seguir estão os diferentes tipos de baterias recarregáveis comumente usados.

1. Íon-lítio (íon-lítio)
2. Níquel cádmio (Ni-Cd)
3. Hidreto metálico de níquel (Ni-MH)
4. Chumbo ácido

1. Baterias de níquel-cádmio

A bateria de níquel-cádmio (bateria NiCd ou bateria NiCad) é um tipo de bateria recarregável desenvolvida usando hidróxido de óxido de níquel e cádmio metálico como eletrodos. As baterias Ni-Cd são excelentes para manter a tensão e manter a carga quando não estão em uso. No entanto, as baterias NI-Cd facilmente se tornam vítimas do temido efeito de “memória” quando uma bateria parcialmente carregada é recarregada, reduzindo a capacidade futura da bateria.

Em comparação com outros tipos de células recarregáveis, as baterias Ni-Cd oferecem bom ciclo de vida e desempenho em baixas temperaturas com uma capacidade razoável, mas sua vantagem mais significativa será sua capacidade de fornecer sua capacidade nominal total em altas taxas de descarga. Eles estão disponíveis em diferentes tamanhos, incluindo os tamanhos usados ​​para baterias alcalinas, AAA a D. As células Ni-Cd são usadas individualmente ou montadas em pacotes de duas ou mais células. Os pacotes pequenos são usados ​​em dispositivos portáteis, eletrônicos e brinquedos, enquanto os maiores encontram aplicação em baterias de partida de aeronaves, veículos elétricos e fonte de alimentação reserva.

Algumas das propriedades das baterias de níquel-cádmio estão listadas abaixo.

• Energia específica: 40-60W-h / kg
• Densidade de energia: 50-150 Wh / L
• Potência específica: 150W / kg
• Eficiência de carga / descarga: 70-90%
• Taxa de autodescarga: 10% / mês
• Durabilidade / vida do ciclo: 2.000 ciclos

2. Baterias de hidreto de metal de níquel

O hidreto metálico de níquel (Ni-MH) é outro tipo de configuração química usada para baterias recarregáveis. A reação química no eletrodo positivo das baterias é semelhante à da célula de níquel-cádmio (NiCd), com ambos os tipos de bateria usando o mesmo hidróxido de óxido de níquel (NiOOH). No entanto, os eletrodos negativos em hidreto metálico de níquel usam uma liga de absorção de hidrogênio em vez de cádmio, que é usado em baterias de NiCd

As baterias NiMH encontram aplicação em dispositivos de alto consumo devido à sua alta capacidade e densidade de energia. Uma bateria NiMH pode ter duas a três vezes a capacidade de uma bateria NiCd do mesmo tamanho e sua densidade de energia pode se aproximar da de uma bateria de íon de lítio. Ao contrário da química NiCd, as baterias baseadas na química NiMH não são suscetíveis ao efeito de “memória” que os NiCads experimentam.

Abaixo estão algumas das propriedades das baterias baseadas na química de níquel-hidreto metálico;

• Energia específica: 60-120h / kg
• Densidade de energia: 140-300 Wh / L
• Potência específica: 250-1000 W / kg
• Eficiência de carga / descarga: 66% - 92%
• Taxa de autodescarga: 1,3-2,9% / mês a 20 ^o C
• Durabilidade / vida útil do ciclo: 180 -2000

3. Baterias de íon-lítio

As baterias de íons de lítio são um dos tipos mais populares de baterias recarregáveis. Existem muitos tipos diferentes de baterias de lítio, mas entre todas as baterias de íon-lítio são as mais comumente usadas. Você pode encontrar essas baterias de lítio sendo usadas em diferentes formas, popularmente entre veículos elétricos e outros aparelhos portáteis. Se você está curioso para saber mais sobre baterias usadas em veículos elétricos, consulte este artigo sobre Baterias para veículos elétricos. Eles são encontrados em diferentes aparelhos portáteis, incluindo telefones celulares, dispositivos inteligentes e vários outros aparelhos de bateria usados ​​em casa. Eles também encontram aplicações em aplicações aeroespaciais e militares devido à sua natureza leve.

As baterias de íons de lítio são um tipo de bateria recarregável em que os íons de lítio do eletrodo negativo migram para o eletrodo positivo durante a descarga e migram de volta para o eletrodo negativo quando a bateria está sendo carregada. As baterias de íon-lítio usam um composto de lítio intercalado como um material de eletrodo, em comparação com o lítio metálico usado em baterias de lítio não recarregáveis.

As baterias de íon de lítio geralmente possuem alta densidade de energia, pouco ou nenhum efeito de memória e baixa autodescarga em comparação com outros tipos de bateria. Sua química junto com o desempenho e o custo variam em diferentes casos de uso, por exemplo, baterias de íon-lítio usadas em dispositivos eletrônicos portáteis são geralmente baseadas em óxido de cobalto-lítio (LiCoO ₂) que fornece alta densidade de energia e baixos riscos de segurança quando danificados enquanto íon-lítio as baterias baseadas em fosfato de lítio e ferro, que oferecem uma densidade de energia mais baixa, são mais seguras devido à menor probabilidade de ocorrência de eventos infelizes e são amplamente utilizadas para alimentar ferramentas elétricas e equipamentos médicos. As baterias de íon de lítio oferecem o melhor desempenho em relação ao peso, com a bateria de enxofre de lítio oferecendo a maior proporção.

Alguns dos atributos das baterias de íon de lítio estão listados abaixo;

• Energia específica: 100: 265 W-h / kg
• Densidade de energia: 250: 693 Wh / L
• Potência específica: 250: 340 W / kg
• Porcentagem de carga / descarga: 80-90%
• Durabilidade do ciclo: 400: 1200 ciclos
• Tensão nominal da célula: NMC 3,6 / 3,85V

4. Baterias de chumbo-ácido

As baterias de chumbo-ácido são uma força de trabalho confiável de baixo custo usada em aplicações pesadas. Normalmente são muito grandes e, devido ao seu peso, são sempre usados ​​em aplicações não portáteis, como armazenamento de energia em painel solar, ignição e luzes de veículos, energia de reserva e nivelamento de carga na geração / distribuição de energia. O chumbo-ácido é o tipo de bateria recarregável mais antigo e ainda muito relevante e importante no mundo atual. As baterias de chumbo-ácido têm uma relação energia-volume e energia-peso muito baixas, mas têm uma relação potência-peso relativamente grande e, como resultado, podem fornecer enormes correntes de surto quando necessário. Esses atributos, juntamente com seu baixo custo, tornam essas baterias atraentes para uso em várias aplicações de alta corrente, como alimentar motores de partida de automóveis e para armazenamento em fontes de alimentação de reserva.Você também pode conferir o artigo sobre bateria de chumbo-ácido funcionando se quiser saber mais sobre os diferentes tipos de baterias de chumbo-ácido, sua construção e aplicações.

Cada uma dessas baterias tem sua área de melhor ajuste e a imagem abaixo é para ajudar na escolha entre elas.

Selecionando a bateria certa para sua aplicação

Um dos principais problemas que atrapalham as revoluções tecnológicas como a IoT é a energia, a vida da bateria afeta a implantação bem-sucedida de dispositivos que exigem uma bateria de longa duração e, embora várias técnicas de gerenciamento de energia estejam sendo adotadas para fazer a bateria durar mais, uma bateria compatível ainda deve ser selecionada para alcançar o resultado desejado.

Abaixo estão alguns fatores a serem considerados ao selecionar o tipo certo de bateria para o seu projeto.

1. Densidade de energia: A densidade de energia é a quantidade total de energia que pode ser armazenada por unidade de massa ou volume. Isso determina quanto tempo o dispositivo permanece ligado antes de precisar ser recarregado.

2. Densidade de potência: Taxa máxima de descarga de energia por unidade de massa ou volume. Baixo consumo de energia: laptop, i-pod. Alta potência: ferramentas elétricas.

3. Segurança: É importante considerar a temperatura na qual o dispositivo que você está construindo funcionará. Em altas temperaturas, certos componentes da bateria quebram e podem sofrer reações exotérmicas. As altas temperaturas geralmente reduzem o desempenho da maioria das baterias.

4. Durabilidade do ciclo de vida: A estabilidade da densidade de energia e densidade de potência de uma bateria com ciclos repetidos (carga e descarga) é necessária para a longa vida da bateria exigida pela maioria das aplicações.

5. Custo: o custo é uma parte importante de qualquer decisão de engenharia que você tomará. É importante que o custo da escolha da bateria seja compatível com seu desempenho e não aumente o custo geral do projeto de forma anormal.