BATERIAS DE LÍTIO-ÍON - ENERGIA ESPECIFICA X POTÊNCIA ESPECÍFICA
Aa energia específica (Wh/kg) e a potência específica (W/Kg) de uma bateria são medidas importantes que auxiliam na melhor escolha de uma bateria de acordo com uma aplicação ou projeto específico.
Este artigo tem por finalidade detalhar estes conceitos apresentando as principais diferenças entre eles.
Energia específica
A energia específica (Wh/kg) é a quantidade de energia que uma bateria contém em relação ao seu peso. Desta maneira quanto maior este valor, maior será a autonomia da bateria.
A energia de uma bateria é medida em watts-hora (watts por hora, o equivalente a usar um watt por uma hora). Logo, a energia específica de uma bateria é obtida ao dividir o watt-hora (Wh) pelo seu peso em quilogramas (kg), ou seja, a razão (Wh/Kg).
Quais são os benefícios de usar baterias com alta energia específica?
Baterias com alta energia específica transformaram o mundo ao nosso redor. Com mais energia, podemos colocar as baterias em espaços menores. Isso permite que os telefones, laptops, fones de ouvido e os diversos dispositivos alimentados por bateria tenha uma longa duração.
Qual bateria atualmente tem a maior energia específica?
Todos os tipos de baterias apresentam um certo valor de energia específica, entretanto, as baterias de lítio-íon se destacam quando se trata de alto valor de energia especifica.
A energia específica das principais baterias recarregáveis são:
- Bateria de chumbo-ácido
A energia específica varia entre 30-50 Wh/kg
- Bateria de níquel-cádmio
A energia específica varia entre 45-80 Wh/kg
- Bateria de níquel-metal-hidreto
A energia específica varia entre 60-120 Wh/kg
- Bateria de lítio íon
A energia específica varia entre 50-260 Wh/kg
O gráfico a seguir compara os principais valores de energia específica para as baterias de chumbo ácido, níquel-cadmio, níquel metal hidreto e lítio-íon respectivamente.
A energia específica das principais baterias de lítio-íon
A bateria de óxido de lítio níquel cobalto alumínio (NCA) é uma das baterias que oferece maior valor de energia específica (entre 200 e 260), esta bateria existe desde 1999 e é mais comumente utilizada em aplicações especiais.
Seguindo a lista, as baterias de óxido de lítio níquel manganês cobalto (NMC) e de óxido lítio cobalto (LCO) possuem uma energia específica, com valores entre 150 e 220 Wh/Kg.
O níquel manganês cobalto (NMC) é um dos sistemas de íons de lítio mais bem-sucedidos. O grande segredo do NMC se encontra na combinação de níquel e manganês, o níquel é conhecido por sua alta energia específica, mas baixa estabilidade, já o manganês possui a vantagem de formar uma estrutura de espinélio para alcançar baixa resistência interna.
As baterias NMC são utilizadas em ferramentas elétricas, bicicletas elétricas e motores elétricos. A combinação de cátodo é feita com um terço de níquel, um terço de manganês e um terço de cobalto.
As baterias de óxido de lítio cobalto consiste em um eletrodo positivo de óxido de cobalto (cátodo) e um carbono de grafite no eletrodo negativo (ânodo). A longa autonomia devido a sua alta energia específica torna essa química atraente para telefones celulares, laptops e câmeras.
Na Figura a seguir, comparamos a energia específica (Wh/kg) das principais químicas de íons de lítio.
Quais são os riscos da alta energia específica?
Quando uma bateria acumula mais energia, ela tem mais energia para liberar se algo der errado.
Os eletrólitos líquidos encontrados nas baterias de lítio-íon são altamente voláteis e podem levar à combustão, apresentando risco de incêndio. Por causa disso, existem recursos de segurança incorporados a essas baterias, limitando o quão leves e compactas elas podem ser.
Portanto, quanto maior a energia específica de uma bateria, mais perigosa ela pode ser, o que impõe limitações (e riscos) para um maior avanço.
Potência específica
A Potência específica (W/kg) indica quanta energia uma bateria pode fornecer sob demanda. Quanto maior a potência específica, maior a corrente que uma bateria pode conduzir através de uma determinada carga em um curto período de tempo.
A potência específica é dada pela razão expressa em watts por quilograma (W/Kg).
Energia específica x Potência específica
É fácil confundir energia específica e potência específica porque elas são semelhantes em certos aspectos. Ambos medem uma característica elétrica de uma bateria em comparação com seu peso. No entanto, a energia específica e a potência específica diferem de uma maneira importante: enquanto a energia específica da bateria mede os watts-hora (wh) por quilograma (kg), a potência específica mede a saída de watts por quilograma.
Logo a energia específica (Wh/kg) mede quanta energia uma bateria contém, enquanto a potência específica (W/kg) mede a rapidez com que a energia pode ser fornecida.
Analogia entre energia específica x potência específica
Para melhor compreensão, uma analogia pode ser feita entre a energia específica e a potência específica das baterias a partir de um reservatório de água. O tamanho do reservatório é a energia específica, enquanto a torneira se refere a potência específica. Um reservatório grande pode armazenar muita água, enquanto uma torneira grande pode esvaziá-la rapidamente. Consequentemente um reservatório grande com uma torneira grande seria a melhor combinação.
Potência específica das baterias de lítio-íon
A potência específica das baterias de lítio-íon pode chegar até o valor de 10.000 W/kg, valor superior aos outros tipos de bateria (chumbo ácido, níquel-cádmio e níquel-metal hidreto).
O gráfico a seguir compara a potência específica em função da energia específica de diversos dispositivos.
Conclusão
Ao adquirir uma bateria para uma determinada aplicação ou no desenvolvimento de projetos é de extrema importância conhecer as características que diferem as baterias. Entre elas estão a energia específica e a potência específica, que são aspectos importantes que devem ser levados em consideração no momento da escolha.
Os valores de energia específica (Wh/Kg) e potência específica (W/Kg) diferem de acordo com o tipo e a composição química da bateria, uma alta energia específica confere uma longa duração da bateria enquanto a potência específica se refere ao quanto uma bateria é capaz de fornecer (potência) num determinado instante.