CUIDADOS NO CARREGAMENTO DE BATERIAS EM ALTAS OU BAIXAS TEMPERATURAS

 

 

Ao adquirir um determinado tipo de bateria é de extrema importância conhecer as características principais e os cuidados a serem tomados para não ultrapassar os limites impostos pelo fabricante. Um dos cuidados principais se refere a temperatura ideal no processo de carregamento da bateria.

O objetivo deste artigo é demonstrar a influência de baixas ou altas temperaturas durante o carregamento das baterias e como isso pode afetar sua vida útil.

 

Carregamento x Temperatura

As principais baterias que encontramos no mercado podem operar em uma ampla faixa de temperatura, mas isso não permite carregá-las também nessas condições. O processo de carga é mais delicado do que o de descarga e cuidados especiais devem ser tomados. Frio ou calor extremos reduzem a aceitação de carga da bateria e por este motivo o ideal é submeter a uma temperatura moderada antes de carregar.

Tecnologias de bateria mais antigas, como chumbo-ácido e níquel-cadmio, têm tolerâncias de carga mais altas do que sistemas mais novos, como as baterias de Lítio-ion. Isso permite que elas possam ser carregadas abaixo de 0° a uma taxa C de carga reduzida.

Quando se trata de carregamento em temperaturas mais baixas, o Níquel-cadmio é mais resistente do que o Níquel-metal-hidreto. O chumbo-ácido também é tolerante, mas as baterias de lítio-íon precisam de cuidados especiais.

A Tabela a seguir resume as temperaturas permitidas de carga e descarga de baterias recarregáveis ??comuns não levando em conta baterias especiais projetadas para carregar fora desses parâmetros.

 

 

As baterias podem ser descarregadas em uma ampla faixa de temperatura, mas a temperatura de carga é limitada. Para melhores resultados, é aconselhável carregar entre 10°C e 30°C.

 

Carregamento em baixa temperatura

Baterias a base de níquel

O carregamento rápido da maioria das baterias é limitado a 5°C a 45°C. Para melhores resultados, considere estreitar a largura de banda de temperatura entre 10°C e 30°C, pois a capacidade de recombinar oxigênio e hidrogênio diminui ao carregar baterias à base de níquel abaixo de 5°C.

Se for carregada muito rapidamente, a pressão se acumula na célula que pode levar à ventilação. Ao carregar as baterias à base de níquel abaixo de 0°C é aconselhável reduzir a corrente de carga para 0,1C. Existem no mercado atualmente carregadores à base de níquel com detecção de carga total NDV (negative delate V) que oferecem alguma proteção ao carregar rapidamente em baixas temperaturas.

Para permitir o carregamento rápido em todas as temperaturas, algumas baterias industriais adicionam uma manta térmica que aquece a bateria a uma temperatura aceitável, já outros carregadores ajustam a taxa de carga às temperaturas predominantes. Entretanto os carregadores de consumo não têm essas características e o usuário final é aconselhado a carregar apenas em temperatura ambiente.

 

Baterias de chumbo-ácido

As baterias de chumbo-ácido são razoavelmente tolerantes quando se trata de temperaturas extremas. Parte dessa tolerância é creditada ao seu comportamento lento. A taxa de carga recomendada em baixa temperatura é de 0,3C, que é quase idêntica às condições normais. A uma temperatura confortável de 20°C, o gaseamento começa com uma tensão de carga de 2,415 V/célula. Ao ir para –20°C, o limite de gaseificação sobe para 2,97 V/célula.

Uma bateria de chumbo-ácido carrega a uma corrente constante para uma tensão definida que é tipicamente 2,40 V/célula à temperatura ambiente. Essa tensão é governada pela temperatura e é ajustada para mais alta quando está frio e mais baixa quando está quente. A Figura a seguir ilustra as configurações recomendadas para a maioria das baterias de chumbo-ácido. Paralelamente, a figura também mostra a tensão de carga flutuante recomendada para a qual o carregador reverte quando a bateria está totalmente carregada. Ao carregar chumbo ácido em temperaturas flutuantes, o carregador deve apresentar ajuste de voltagem para minimizar o estresse na bateria.

 

Tensões da célula em carga e flutuação em várias temperaturas

O carregamento em temperaturas frias e quentes requer o ajuste do limite de tensão.

Congelar uma bateria de chumbo-ácido leva a danos permanentes. Sempre mantenha as baterias totalmente carregadas porque, no estado descarregado, o eletrólito se torna mais parecido com água e congela mais cedo do que quando totalmente carregado.

Baterias de chumbo-ácido inundadas tendem a rachar a caixa e causar vazamentos se congeladas. Os packs de ácido de chumbo selados perdem a potência e fornecem apenas alguns ciclos antes de desaparecerem e precisarem ser substituídos.

 

Baterias de lítio-íon

As baterias de Lítio-íon podem ser carregadas rapidamente de 5°C a 45°C. Abaixo de 5°C, a corrente de carga deve ser reduzida e nenhuma carga é permitida em temperaturas abaixo de 0°C por causa das taxas de difusão reduzidas no ânodo.

Durante a carga, a resistência interna da célula causa um leve aumento de temperatura que compensa parte do frio. A resistência interna de todas as baterias aumenta quando frias, prolongando consideravelmente os tempos de carga. Isso também afeta visivelmente o desempenho da descarga com íons de lítio.

Muitos usuários de bateria não sabem que as baterias de lítio-íon de uso doméstico não podem ser carregadas abaixo de 0°C. Embora o pack pareça estar carregando normalmente, o revestimento de lítio metálico ocorre no ânodo durante uma carga de subcongelamento que leva a uma degradação permanente no desempenho e na segurança. Atualmente existem carregadores avançados que impedem o carregamento de baterias de lítio-íon abaixo de 0°C.

Avanços estão sendo feitos para carregar baterias de lítio-íon em temperaturas baixas. O carregamento é possível com a maioria das células lítio-íon, mas apenas em correntes muito baixas.

 De acordo com trabalhos de pesquisa, a taxa de carga permitida a –30°C é 0,02C. Com essa corrente baixa, o tempo de carga chegaria a mais de 50 horas, um tempo considerado impraticável. Existem, no entanto, íons de lítio especiais que podem carregar até –10°C a uma taxa reduzida.

Alguns fabricantes de lítio-íon oferecem células personalizadas para carregamento a frio. Também serão necessários carregadores especiais que diminuem a taxa C de acordo com a temperatura e carregam a bateria para um pico de tensão mais baixo; 4, V/célula em vez dos habituais 4,20 V/célula, por exemplo.

Essas limitações diminuem a energia que uma bateria de lítio-íon pode conter para cerca de 80%, em vez dos 100% habituais. Os tempos de carregamento também serão prolongados e podem durar 12 horas ou mais quando estiverem frios.

As baterias de íons de lítio que carregam abaixo de 0°C devem passar por questões regulatórias para certificar que não ocorrerá revestimento de lítio. Além disso, um carregador especialmente projetado manterá a corrente e a tensão alocadas dentro de um limite seguro em toda a largura de banda de temperatura. A certificação de tais baterias e carregadores é muito cara, o que refletirá no preço.

Existem fabricantes de células e carregadores que afirmam carregar íons de lítio em baixas temperaturas; no entanto, a maioria das empresas não quer correr o risco de falha potencial e assumir a responsabilidade.

 

Carregamento em alta temperatura

Baterias a base de níquel

Carregar baterias à base de níquel em altas temperaturas reduz a geração de oxigênio, e consequentemente reduz a aceitação de carga. O calor acaba enganando o carregador fazendo-o pensar que a bateria está totalmente carregada quando na realidade não está.

A Figura a seguir mostra uma forte diminuição na eficiência de carga da “linha de eficiência de 100 por cento” ao permanecer acima de 30°C. Note que a 45°C, a bateria pode aceitar apenas 70% de sua capacidade total e a 60°C, a aceitação de carga é reduzida para 45 por cento.

A alta temperatura reduz a aceitação de carga e por este motivo se afasta da "linha de 100% de eficiência " representada na imagem.

 

 Aceitação de carga de NiCd em função da temperatura

 

Baterias de chumbo-ácido

O calor é o pior inimigo das baterias, incluindo a bateria de chumbo-ácido. Por este motivo para variações de temperatura deve-se adicionar uma compensação no carregador da bateria de chumbo ácido.

Com a compensação é possível prolongar a vida útil da bateria em até 15%. A compensação recomendada é uma queda de tensão de 3mV por célula para cada aumento de grau Celsius da temperatura.

Vamos supor que a tensão de flutuação seja definida como 2,30 V/célula a 25°C, e nesse caso a temperatura aumente para 35°, logo a tensão após a compensação deve ser em torno de 2,27 V/célula a 35°C. Esses ajustes de 10°C representam uma mudança de 30mV.

 

Baterias de lítio-íon

A maioria das baterias Li-Ion usa material do tipo grafite em um eletrodo. Uma temperatura de carga elevada provoca a esfoliação das folhas de grafite que acelera a perda permanente da capacidade das baterias. Este fenômeno pode ser agravado quando associado a uma alta taxa de carga: a corrente de carga aumenta a temperatura e provoca uma aceleração do fenômeno de esfoliação.

Um alto nível de tensão associado a uma alta temperatura faz com que a eletroquímica gere gases dentro da célula que aceleram o envelhecimento químico. Dependendo da construção da célula, altas temperaturas também podem gerar inchaço celular. Tal deformação pode causar riscos de segurança quando a caixa da bateria ou o local do dispositivo não foram projetados para suportá-la.

A maioria das baterias de lítio-íon suporta apenas uma temperatura máxima de 60°C e é recomendado que seja carregada a um máximo de 45°C sob uma taxa de carga C/2.

A perda de capacidade em temperatura elevada está em relação direta com o estado de carga (SOC). A Figura 5 ilustra o efeito do Li-cobalto (LiCoO2) que é primeiro ciclado à temperatura ambiente (RT) e depois aquecido a 130°C por 90 minutos e ciclado a 20, 50 e 100 por cento do estado de carga (SOC). Não há perda perceptível de capacidade à temperatura ambiente. A 130°C com um estado de carga (SOC) de 20%, uma pequena perda de capacidade é visível em 10 ciclos. Essa perda é maior com um estado de carga (SOC) de 50% e mostra um efeito devastador quando ciclado com carga total.

 

Perda de capacidade em temperatura ambiente (RT) e 130°C por 90 minutos

 

Conclusão

Existem diversos fatores que devem ser considerados no processo de carregamento das baterias, um dos mais importantes é a temperatura.

 A temperatura, tanto quente quanto fria, pode ter um efeito significativo no ciclo de vida, na profundidade de descarga, no desempenho, nas capacidades e na segurança das baterias.  O objetivo deste artigo foi demonstrar de forma clara o efeito das altas e baixas temperaturas no processo de carregamento das principais baterias do mercado.

É de suma importância seguir os critérios com seriedade e sempre que houver a dúvida consultar o datasheet do fabricante da bateria, dessa forma é possível gerar economias consideráveis e conferir segurança e confiabilidade aos produtos aos quais as baterias serão utilizadas.