VANTAGENS E DESVANTAGENS  DAS BATERIAS NÃO RECARREGÁVEIS

 

 

As pilhas e baterias são dispositivos que transformam energia química em energia elétrica. Elas podem ser classificadas em dois tipos: primárias e secundárias.

Algumas baterias podem ser recarregadas e usadas muitas vezes, enquanto outras baterias só podem ser descarregadas uma vez. Se uma bateria for projetada para ser descarregada apenas uma vez e depois descartada, ela é chamada de ‘bateria primária’. Uma “bateria secundária” é recarregável. O projeto de uma bateria primária é muito mais simples do que o de uma bateria recarregável porque não é necessário projetar na bateria os recursos necessários para que os produtos de descarga sejam recarregados (conduzidos eletricamente de volta aos seus estados originais de carga).

 

As baterias primárias são encontradas em muitos produtos de consumo comuns, como abridores de portas de garagem com controle remoto, fechaduras remotas de portas de carros, relógios de pulso, faróis de luz remoto, detectores de fumaça domésticos e controles remotos para eletrônicos de consumo, como televisores e aparelhos de som.

 

Importância das baterias primárias

As baterias primárias, também conhecidas como baterias não recarregáveis, tendem a ficar ofuscadas pela atenção da mídia diferentemente das baterias secundárias ou recarregáveis. O grande foco em um produto em relação ao outro pode convencer as pessoas de que as baterias primárias são tecnologias antigas e em vias de extinção. Algo que não retrata a realidade ofuscando assim a importância das baterias primárias.

As primárias desempenham um papel importante, especialmente quando o carregamento é impraticável ou impossível, como em combate militar, missões de resgate e serviços de combate a incêndios florestais.

As baterias primárias também atendem a uma importante demanda de marca-passos em pacientes cardíacos, medidores de pressão de pneus em veículos, medidores inteligentes, brocas inteligentes em mineração, rastreamento de animais.

A maioria das baterias de marca-passo implantáveis são baseadas em lítio, consomem apenas 10–20 (µA) de corrente e duram de 5–10 anos.

Muitas baterias de aparelhos auditivos também são primárias, com capacidade de 70 a 600 mAh, válidas por 5 a 14 dias antes que uma substituição seja necessária. A versão recarregável oferece menos capacidade por tamanho e dura cerca de 20 horas. A redução de custos é a principal vantagem.

 

Alta energia específica, longos tempos de armazenamento e prontidão instantânea fornecem às baterias primárias uma vantagem única sobre outras fontes de energia. Elas podem ser transportadas para locais remotos e usadas instantaneamente, mesmo após um longo período de armazenamento. Elas também estão prontamente disponíveis e são ecologicamente corretas quando descartadas de forma correta.

 

Primárias x Secundárias

Baterias Primárias	Baterias Secundárias
Custo inicial baixo	Custo inicial alto
Custo do ciclo de vida alto ($/KWh)	Menor custo do ciclo de vida ($/KWh) se o carregamento for barato
Não necessita manutenção regular	Necessidade de manutenção regular
Não recarregável	Recarga periódica necessária
Substituição prontamente disponível	Substituições quando disponíveis precisam ser pré-encomendadas. Pois não são produzidas nas mesmas quantidades que as primárias.
Normalmente mais leve e menor, portanto, tradicionalmente mais adequadas para aplicações portáteis.	Tradicionalmente menos adequado para aplicações portáteis, embora avanços recentes na tecnologia de baterias de lítio tenham levado ao desenvolvimento de baterias secundárias menores/mais leves.
Boa retenção de Carga	Em relação aos sistemas de baterias primárias, as baterias secundárias tradicionais apresentam retenção de carga inferior.
Não é ideal para desempenho de uma carga pesada e alta taxa de descarga.	Desempenho superior com alta taxa de descarga em cargas pesadas
Não é ideal para balanceamento de carga, backup de emergência, bateria híbrida e aplicações militares de alto custo.	Ideal para balanceamento de carga, backup de emergência, bateria híbrida e aplicações militares de alto custo
Tradicionalmente limitado a aplicações específicas.	A versatilidade inerente geral dos sistemas de baterias secundárias permite seu uso e pesquisa contínua para um amplo espectro de aplicações.

 

Baterias Primárias: Breve Comparação

 

Baterias de Zinco Carbono

As baterias primárias de zinco-carbono, também conhecidas como carbono-zinco, é uma das baterias primárias mais antigas e menos caras. Ela fornece 1,5 V e geralmente vem com dispositivos de consumo.

Uma observação importante é que o envoltório de zinco pode ser corroído e, com isso, pode vazar o material corrosivo e danificar o aparelho ao qual a pilha está conectada. Assim, o melhor a fazer é não deixar as pilhas dentro de aparelhos que não são continuamente usados."

As pilhas e baterias de zinco-carbono são indicadas para equipamentos que requerem descargas leves e contínuas, como controle remoto, relógio de parede, rádio portátil e brinquedos.

 

Baterias Alcalinas

A bateria primária mais popular é a alcalina, uma versão melhorada da bateria de zinco carbono e também fornece 1,5V. Lewis Urry inventou as células alcalinas em 1949 enquanto trabalhava com o laboratório Eveready Battery Company em Ohio, Estados Unidos.

 Ela tem uma alta energia específica e é econômica, ecologicamente correta e à prova de vazamentos, mesmo quando totalmente descarregadas. A alcalina pode ser armazenada por até 10 anos, tem um bom histórico de segurança e pode ser transportada em uma aeronave sem estar sujeita aos Transportes da ONU e outros regulamentos. O lado negativo é que elas fornecem apenas correntes para cargas de consumo baixo, limitando seu uso apenas a determinados equipamentos, como por exemplo, controles remotos, lanternas e dispositivos de entretenimento portáteis.

 

 

Bateria de lítio bissulfeto de ferro

O bissulfeto de ferro e lítio (Li-FeS2) é um recém-chegado à família de baterias primárias e oferece melhor desempenho em comparação com uma bateria alcalina. Possui maior capacidade e menor resistência interna (IR) do que as baterias alcalinas. Elas têm a vantagem de melhor desempenho em baixa temperatura, resistência superior a vazamentos e baixa auto-descarga.

 

 

Bateria de litio-cloreto de tionila

O cloreto de lítio-tionil (LiSOCI2 ou LTC) é uma das baterias de lítio-metal mais robustas. Possui a capacidade de suportar altas temperaturas e fortes vibrações. Alguns LTCs operam de 0 a 200°C (32–392°F). Com uma energia específica superior a 500 Wh/kg, o LTC oferece o dobro da capacidade do melhor Li-ion. A tensão nominal é de 3,60 V/célula; a tensão de corte no final da descarga é 3,00 V.

Como as alcalinas, o LTC tem uma resistência relativamente alta e pode ser usado apenas para cargas de descarga moderadas. Se armazenado por um tempo, a camada de passivação se forma entre o ânodo de lítio e o cátodo à base de carbono que se dissipa ao aplicar uma carga. Essa camada protege a bateria, garantindo baixa auto-descarga, e um LTC de longa vida útil é uma das químicas de bateria mais poderosas e potentes e deve ser usada apenas por trabalhadores treinados.

 

Bateria de dióxido de manganês de lítio

O dióxido de manganês de lítio (MnO2 ou Li-M) é semelhante ao LTC, mas tem uma capacidade específica menor e é seguro para uso público. A tensão é de 3,0 a 3,30 V e a energia específica é de cerca de 280 Wh/kg. Li-M tem um preço econômico e tem uma longa vida útil. A temperatura operacional varia de -30 a 60°C (-22 a 140°F). Os usos típicos são sensores de medidores, dispositivos médicos, sensores de pedágio e câmeras.

 

Bateria de dióxido de enxofre de litio

A bateria de dióxido de enxofre de lítio (LiSO2) é uma bateria primária com tensão de 2,8 V e densidade de energia de até 330 Wh/kg. Ele oferece uma ampla faixa de temperatura de –54 a 71°C (-65 a 160°F) com uma vida útil projetada de quase 10 anos em temperatura ambiente. LiSO2 é barato de fazer e é comumente usado pelos militares.  São baterias capazes de fornecer consumo permanente moderado com picos de corrente muito altos.

 

 

Densidade de energia das baterias primárias

 

O gráfico abaixo compara a densidade de energia das baterias secundárias de chumbo ácido, Níquel metal hidreto e de íons de lítio em relação a densidade de energia das baterias primárias de metal de lítio e alcalina.

 

                    

   Comparação de densidade de energia de baterias secundárias e primárias.

 

A densidade de energia indica apenas a capacidade que uma bateria pode conter, mas não significa a entrega do fornecimento dessa energia, um ponto fraco da maioria das baterias primárias.  Baterias primárias costumam ter uma resistência interna alta, limitando a descarga para controles remotos, flashlights e dispositivos de entretenimento.

Diferentemente da maioria das baterias secundárias que são especificadas com uma corrente de descarga de 1C, a capacidade de descarga das baterias primárias de consumo é medida com uma corrente muito baixa de 25mA. Além disso, as baterias podem descarregar de 1,5 V (nominal para alcalinas) a 0,8 V antes de serem consideradas totalmente descarregadas. Isso fornece leituras impressionantes no papel, mas os resultados são menos favoráveis ao aplicar cargas que consomem correntes mais altas.

 

Para compararmos baterias primárias e secundárias lado a lado, iremos descarregar ambos os tipos com uma corrente de 1C e plotamos os resultados. Enquanto as baterias primárias se saem bem com correntes de descarga similares as de dispositivos de entretenimento, baterias secundárias tem uma baixa capacidade, mas são mais resilientes a uma taxa de descarga de 1C.

 

A Figura abaixo compara o desempenho das baterias primárias e secundárias em relação a capacidade ao descarregar em uma corrente muito baixa e descargas reais a 1C, a forma como a maioria das baterias secundárias são classificadas.

A figura demonstra claramente que a bateria primária alcalina tem um bom desempenho com carga leve, típica de dispositivos de entretenimento, enquanto as baterias secundárias representadas por chumbo ácido, NiMH e íon-lítio têm uma capacidade nominal inferior (nominal), mas são melhores quando descarregadas com uma taxa de 1C.

 

 

Uma das razões para o baixo desempenho das baterias primárias em condições de descarga mais altas como 1C por exemplo é a alta resistência interna das baterias primárias, que causa o colapso da tensão. A resistência determina o quão bem a corrente elétrica flui através de um material ou dispositivo e é medida em ohms (?).

A medida que a bateria se descarrega, a resistência já elevada aumenta ainda mais. Câmeras digitais com baterias primárias são casos limítrofes - uma ferramenta elétrica alcalina seria impraticável. Uma alcalina gasta em uma câmera digital geralmente deixa energia suficiente para fazer um relógio de cozinha funcionar por dois anos.

 

Formatos de células

AA e AAA são os formatos de célula mais comuns para baterias primárias. Conhecida como baterias penlight para lanternas de bolso, o AA tornou-se disponível ao público em 1915 e foi usado como uma ferramenta de espionagem durante a Primeira Guerra Mundial; o American National Standards Institute padronizou o formato em 1947. O AAA foi desenvolvido em 1954 para reduzir o tamanho das câmeras Kodak e Polaroid e diminuir outros dispositivos portáteis. Na década de 1990, um desdobramento da bateria de 9V produziu o AAAA para ponteiros laser, penlights de LED, estiletes de computador e amplificadores de fone de ouvido. A bateria primária de 9V usa seis AAAA em série.

 

A célula AA contém aproximadamente o dobro da capacidade do AAA. Isso dobra o custo de energia do AAA em relação ao AA. O custo da energia geralmente fica em segundo lugar, preferindo o downsizing. Esse é o caso dos faróis de bicicleta, onde o formato AA aumentaria apenas ligeiramente o tamanho do farol, mas poderia oferecer o dobro do tempo de execução pelo mesmo custo.

 

Os preços de varejo da AA alcalina variam, assim como o desempenho. A Exponent Inc., uma empresa de engenharia dos Estados Unidos, verificou a capacidade de oito baterias alcalinas de marca em embalagens AA e descobriu uma discrepância de 800 por cento entre os desempenhos mais altos e os mais baixos. O padrão de teste baseou-se na contagem dos disparos de uma câmera digital até o esgotamento das baterias, um teste que considerou a capacidade e a capacidade de carga de uma bateria.

 

 

Resumo

As baterias primárias são práticas para aplicações que consomem energia ocasionalmente, mas podem ficar caras quando em uso contínuo. O preço é outro problema quando os packs são substituídos após cada missão, independentemente do tempo de uso. O descarte de baterias parcialmente usadas é comum, especialmente em aplicações de frota e missões críticas, pois é conveniente simplesmente emitir packs novos com cada atribuição, em vez de estimar o uso. Em uma conferência sobre baterias, um general do Exército dos EUA disse que metade das baterias descartadas ainda tem 50% de energia restante.

O estado de carga das baterias primárias pode ser estimado medindo a resistência interna. Cada tipo de bateria precisa de sua própria tabela de consulta, pois as características resistivas podem ser diferentes. Um método mais preciso é a contagem coulomb, que observa o fluxo de energia, mas isso requer um circuito mais caro e raramente é feito.