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Projeto FEUP 2015/2016

Equipa MIEEC04_06:

Supervisor: Paulo Costa Monitor: Gustavo Ferreira

Trabalho realizado pelos alunos:

João Gonçalves [email protected]

Filipe Torres [email protected]

Miguel Rodrigues [email protected]

Pedro Coelho [email protected]

Estudo da capacidade de pilhas recarregáveis

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

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Resumo Este trabalho conte uma base teórica, onde é explicado o funcionamento das pilhas,

mais concretamente três tipos (Ni-Cd, Ni-MH,Li-ion), e de certos fenómenos a elas

associados.

Foi realizada uma experiência na qual foram testadas 4 pilhas, do tipo AAA e da marca

Lexman de 900 mha e do tipo NI-MH.

Após a recolha dos dados foi possível calcular a capacidade.

Foi concluído que a capacidade inicial ficou muito aquém do valor anunciado, mas após

outras experiências, a capacidade consegui demonstrar-se superior ao valor padrão.

Pode-se concluir que a resistência interna e o efeito de auto-descarga tiveram

diretamente associados aos resultados obtidos.

Palavras-Chave Pilhas, Pilhas recarregáveis, Baterias, NI-MH, NI-Cd, Capacidade, Carga, Descarga.


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Índice Resumo ........................................................................................................................... 2

Palavras-Chave ............................................................................................................... 2

Introdução ........................................................................................................................ 5

1. Conceitos relacionados com o trabalho ...................................................................... 6

1.1 Intensidade da corrente ......................................................................................... 6

1.2 Capacidade ............................................................................................................. 6

1.3 Potência .................................................................................................................. 6

1.4 Fórmulas ................................................................................................................. 6

2. O que são pilhas? ........................................................................................................ 7

2.1 História .................................................................................................................... 7

2.1.1 Primeiras pilhas e baterias ............................................................................... 7

2.1.2 Invenção das pilhas recarregáveis ................................................................... 8

2.2 Tipos de pilhas ........................................................................................................ 8

Pilhas de Níquel Cádmio ...................................................................................... 8

Pilhas de Níquel-Hidreto Metálico ........................................................................ 9

Pilha de Iões de Lítio .......................................................................................... 10

3. Fenómenos que ocorrem nas pilhas .......................................................................... 12

3.1 Efeito de Memória ................................................................................................. 12

3.2 Efeito Auto Descarga ............................................................................................ 12

3.3 Resistência interna ............................................................................................... 13

3.3.1 Lei de Ohm ..................................................................................................... 13

3.3.2 Resistência interna de uma pilha .................................................................... 14

4. Atividade experimental ............................................................................................. 15

4.1 Metodologia .......................................................................................................... 15

4.2 Tabela de Resultados ........................................................................................... 16

4.3 Gráficos ................................................................................................................. 17

5. Conclusões sobre a experiência ................................................................................ 19

6. Conclusão .................................................................................................................. 20


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7. Referências bibliográficas .......................................................................................... 21


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Introdução

Pilhas são sistemas em que a energia química é transformada em energia elétrica de

modo espontâneo. Existem dois tipos de pilhas, as recarregáveis e as não recarregáveis.

As pilhas não recarregáveis ou células galvânicas fornecem energia ao sistema

somente até que a reação química se esgote. O funcionamento destas pilhas baseia-se na

transferência de eletrões de um metal que tende a perder eletrões para um metal que tende

a ganhar eletrões.

Este tipo de pilhas tem vindo a perder importância graças às enormes vantagens das

pilhas recarregáveis que é o principal foco do nosso trabalho.

As pilhas recarregáveis, como o nome indica, são pilhas que à medida que vão

perdendo carga têm a capacidade de a recuperar através de uma fonte de energia

adequada. Apesar disso, as pilhas recarregáveis também se esgotam, a partir do momento

em que o sistema já não tem capacidade para estabelecer reações que libertem energia.

O objetivo subjacente à realização da experiência era perceber se a capacidade da

pilha, anunciada pela marca, corresponde ao real, fazendo para isso, sucessivos ciclos de

cargas e descargas, registando os valores.

Nas nossas experiências utilizamos pilhas do tipo Ni-MH.


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1. Conceitos relacionados com o trabalho

1.1 Intensidade da corrente1

Representa a quantidade de energia que passa num sistema fechado por unidade de tempo. A sua unidade SI de intensidade de corrente é o ampere (A).

1.2 Capacidade2

A capacidade corresponde à intensidade obtida numa hora. A capacidade de uma bateria pode ser usada para fins de classificação de autonomia desta mesma. Normalmente é expressa em mAh.

1.3 Potência3

“Potência é a energia fornecida, recebida ou gasta por unidade de tempo.” No nosso caso a potência é a energia fornecida pela pilha ao sistema por unidade de tempo.

1.4 Fórmulas

Resistência (Ω)

Tensão (V)

Intensidade (A)

Capacidade (mAh)

Energia (J)

Ρ ∗ I R ∗ I

∗ ∗

1.2 ∗ ∗ 3600/1000 1 Site: http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/Intensidade_de_Corrente

2 Site: http://www.electronica-pt.com/capacidade-bateria 3 Site: http://elektron.no.sapo.pt/oqueepotenciaelectrica.htm


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2. O que são pilhas?

2.1 História

A invenção da pilha ou baterias está obviamente relacionada com a descoberta da

eletricidade, apesar disso, historiadores confirmam que as civilizações ancestrais já usavam

pilhas mas ainda de um modo rudimentar. Arqueologistas encontraram provas que os

Egípcios já galvanizavam antimónio para o cobre. Existem mais exemplos de civilizações

antigas que já utilizavam os diferentes metais de modo a obter energia.

Na era moderna um dos pri-meiros métodos de gerar energia foi através da criação de

uma carga estática. Em 1600, Otto von Guericke construiu uma máquina elétrica usando um

globo de enxofre que quando esfregado e agitado atraía folhas e pequenos pedaços de

papel. Guericke conseguiu provar que as faíscas geradas eram de natureza elétrica.

Em 1744, Ewald Georg von Kleist, desenvolveu a chamada “Leyden jar” que guardava

carga estática num frasco de vidro forrado por folha metálica dentro e fora do frasco. Estes

dois elétrodos formaram um condensador. Na altura os cientistas acreditavam que a

eletricidade era um fluido que podia ser guardado numa garrafa, o que podemos agora

prever como falso.

O primeiro uso de eletricidade estática foi com a invenção da pistola elétrica por

Alessandro Volta (1745-1827). Alessandro queria proporcionar comunicações à distância.

Era suposto prender um fio de ferro suportado por postes de madeira desde Como ate

Milão. No terminal recetor o fio acabava dentro de um frasco cheio de gás metano. Para

enviar o sinal codificado, um estímulo elétrico seria enviado pelo fio para ativar a pistola

elétrica. Esta ligação nunca foi construída. Mais tarde Volta observou que o músculo de um

sapo contraía-se quando tocava um objeto metálico. Este fenómeno ficou conhecido como

eletricidade animal e graças a este fenómeno Volta começou a fazer experiências com todo

o tipo de objetos metálicos. Este interesse por eletricidade galvânica rapidamente se

espalhou pela comunidade científica da época.

2.1.1 Primeiras pilhas e baterias

Volta descobriu em 1800 que certos fluidos geravam um fluxo contínuo poder

eletrónico quando usado como condutor. Esta descoberta levou a invenção da primeiro

célula voltaica, mais conhecida como pilha ou bateria. Volta descobriu ainda que o voltagem

aumentava quando se colocavam várias células voltaicas em cima umas das outras. A partir

desse momento já era possível observar a corrente durante períodos consideráveis ao


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contrário do que acontecia até à altura em que as observações das faíscas elétricas

duravam frações de segundo.

2.1.2 Invenção das pilhas recarregáveis

Em 1836, John F. Daniell, um químico inglês, desenvolveu uma bateria melhorada

que produzia uma corrente constante comparada com a dos dispositivos anteriores. Até esta

altura, todas as baterias eram primárias, ou seja, não podiam ser recarregadas. Em 1859, o

físico francês Gaston Planté inventou a primeira bateria recarregável. Tendo por base a

bateria melhorada de Daniell e um sistema de chumbo ácido que ainda hoje é utilizado.

Mais tarde começou a ser utilizado a bateria de níquel-cádmio (NiCd) que usava o

níquel como elétrodo positivo e o cádmio como elétrodo negativo.

Durante muitos anos NiCd foi a única bateria utilizada para aplicações portáteis, mas

ambientalistas começaram a ficar preocupados com a contaminação no ambiente quando

estas baterias eram descartadas, o que ajudou a substituir estas baterias por baterias

Niquel-Metal-Hibrido (NiMH). Nesta altura mesmo essas baterias já estão a ser substituídas

por baterias Lítio-íon.

2.2 Tipos de pilhas

Pilhas de Níquel Cádmio

Este tipo de pilhas é constituído basicamente por um ânodo de hidróxido de níquel,

um cátodo de cádmio e um eletrólito alcalino, tipicamente hidróxido de potássio. As reações

de oxidação-redução dão-se apenas entre os elétrodos, não ocorrendo sulfatação.

Apesar destas pilhas terem um preço inicial mais elevado em comparação com

outras, são mais resistentes a variações de temperatura e a condições de sobrecarga.

Possuem ainda a vantagem de possibilitarem a sua carga com correntes elevadas o que

conduz a um menor tempo de carga.

Para além do seu preço inicial elevado a principal desvantagem das pilhas Ni-Cd

reside na existência de efeito de memória que obriga a descarregar totalmente a pilha para

que não ocorra a sua viciação (fenómeno que diminui a tensão fornecida pela pilha). Por

norma são baterias seladas.4

Normalmente as pilhas contêm 13% a 15% de cádmio e 20% a 30% de níquel por

peso.

4 PDF: https://paginas.fe.up.pt/~ee03096/Dissertacao_vprov2.pdf


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O eletrólito é uma solução Básica forte capaz de causar os mesmos problemas

ambientais causados pelas outras pilhas alcalinas.5

Pilhas de Níquel-Hidreto Metálico

As pilhas de Ni-MH são tecnologicamente semelhantes às pilhas de Níquel-Cádmio.

Neste caso, o Hidreto metálico (hidrogénio absorvido numa liga metálica) é usado como

ânodo ao invés do Cádmio (devendo-se a esta característica, a maior capacidade deste tipo

de baterias).

As pilhas de níquel-hidreto metálico, têm como principais vantagens (relativamente às

pilhas de Ni-Cd) terem maior capacidade e serem mais ecológicas, pois são compostas por

materiais menos nocivos para o ambiente.

Funcionamento:

5 Site: http://infohouse.p2ric.org/ref/07/06033.htm

Figura 1 - Esquema de eletrodos e separador para processos de carga/descarga em baterias deníquel-hidreto metálico de níquel cádmio.


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“Durante a descarga, no eletródio positivo, o oxi-hidróxido de níquel III é reduzido a

hidróxido de níquel II.”

“Enquanto que no eletródio negativo, o hidreto metálico MH é oxidado para regenerar

a liga metálica M.”

“A reação global de descarga da bateria de níquel-hidreto metálico dada pela

reação:”

Durante a descarga a reação é dada principalmente no sentido direto e aquando a

carga esta passa a tomar o sentido inverso (regenerando assim os componentes NIOOH e

MH).

Pilha de Iões de Lítio

A primeira bateria de iões de lítio recarregáveis surgiu com sucesso em 1991,

comercializada pela Sony. Anteriormente a este feito, este tipo de baterias não era

desconhecido, todavia, todas as tentativas para desenvolver estas baterias teriam sido

falhadas.

Atualmente e generalizando, estas baterias são utilizadas por todos habitantes do

nosso planeta. Uma das marcas da vanguarda da tecnologia, a Apple Inc. , utiliza estas

baterias nos seus dispositivos. Esta empresa sofisticadíssima defende que “Em comparação

com a tecnologia de bateria tradicional, as baterias de iões de lítio carregam mais rápido,

duram mais tempo e têm uma maior densidade energética para uma maior autonomia numa

estrutura mais leve”.

Estas baterias possuem um ânodo (polo negativo) que normalmente é constituído

pela grafite e um cátodo (polo positivo) que por sua vez é constituído por óxido metálico de

lítio.

Durante o processo de carga, os iões de lítio saem do polo positivo, que se oxida e cede

um eletrão. Os iões de lítio e o eletrão dirige-se até ao ânodo, local onde vai ocorrer uma

redução.

NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH E = 0,52 V

MH + OH M + H2O + e E = 0,83 V

MH + NiOOH M + Ni(OH)2 E = 1,35 V


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Na descarga (quando a bateria gera energia), os iões de lítio saem do ânodo e

deslocam-se até ao cátodo, ou seja, existe uma reação de redução no cátodo e uma

oxidação no ânodo.

Este tipo de baterias pode ter alguns riscos como uma rápida descarga que conduz a

um sobreaquecimento que pode resultar numa explosão. No entanto, as baterias vendidas

atualmente têm já proteções térmicas para evitar o risco de explosão.


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3. Fenómenos que ocorrem nas pilhas

3.1 Efeito de Memória

O efeito de memória de uma pilha, vulgarmente falando, refere-se ao vício de uma

bateria recarregável. A bateria de iões de lítio não possui efeito de memória ao contrário das

pilhas níquel cádmio.

Este efeito surge devido à bateria memorizar uma carga parcial feita no último

carregamento e a partir daí, não consegue fazer uma carga superior a essa, e por isso, não

conseguirá recarregar o dispositivo completamente.

3.2 Efeito Auto Descarga6

Ao contrário daquilo que poderá ter sido afirmado em anúncios publicitários, todas as

baterias, independentemente da sua constituição, estão sujeitas ao efeito de auto descarga.

Esta condição não se baseia em defeitos de fabrico, mas sim nas características das

pilhas, no entanto, os descuidos na produção e a falta de atenção na forma como estas são

tratadas e transportadas pode aumentar a futura auto descarga.

A auto descarga aumenta com a idade, elevada temperatura e ciclos de

carga/descarga (efeito de memória). Ciclos de descarga completa ajudam a manter a

memória controlada.

Tipos de pilhas Estimativa de auto descarga

Pilhas de Litio primárias

10% em 5 anos

Pilhas Alcalinas

2-3% por ano

Pilhas de Níquel-Cádmio

10-15% nas primeiras 24 horas e posteriormente 10-15% por mês

Pilhas Li-ion

5% nas primeiras 24 horas e posteriormente 1-2% por mês (mais 3% devido a normas de segurança)

Tabela 1 - Tabela de percentagem de auto descarga de diferentes tipos de pilhas em anos e meses.

6 Site: http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge


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As pilhas recarregáveis de Níquel necessitam de ser recarregadas antes de usadas

(principalmente se já tiverem sido compradas há algum tempo), uma vez que têm grande

percentagem de auto descarga. Pilhas de níquel de alto desempenho têm uma auto

descarga mais elevada do que as versões padrão. A perda de energia é maior após a pilha

ser recarregada e de seguida diminui.

3.3 Resistência interna7

3.3.1 Lei de Ohm

A fórmula acima demostrada aplica‐se a alguns componentes constituídos por

materiais condutores, nos quais ,aquando a aplicação de uma diferença de potencial

VAB (fig.3), medida em volts (V), forma‐se uma corrente elétrica de intensidade I,

definida em ampéres (A). Estes componentes são chamados de resistências, sendo R,

medido em ohm [Ω], o seu valor.

7 PDF, http://www.fis.uc.pt/data/20072008/apontamentos/apnt_221_2.pdf

Figura 2 - Esquema de eletrodos e separador para processos decarga/descarga em baterias de níquel-hidreto metálico de níquel cádmio.

Figura 3


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Quando se exerce uma tensão independente da corrente que percorre os

componentes condutores que estão ligados à fonte, esta designa‐se ideal. No entanto, se

essa tensão depender linearmente da corrente que está a ser fornecida, o que é comum em

correntes baixas, a fonte de tensão pode ser modelada como sendo constituída por uma

fonte ideal em série com uma resistência, designada por resistência interna, sendo assim

designada por fonte ideal. Estas fontes têm sempre resistência interna, podendo na maioria

das vezes ser desprezada por ser muito pequena.

3.3.2 Resistência interna de uma pilha

O valor da resistência interna de uma pilha pode ser determinado montando um circuito equivalente ao da fig.4 e medindo a diferença de potencial VAB para diferentes valores conhecidos da resistência de carga R.

Quando a pilha funciona na zona de variação aproximadamente linear é bem

modelada como sendo uma fonte ideal em série com uma resistência interna, sendo comum

designá-la por fonte de tensão real.

Uma vez que VAB = RI = E - riI , a partir do gráfico da fig.5 podemos calcular a

corrente eléctrica I que percorre o circuito para cada valor de R por aplicação da lei de Ohm,

o que permite extrair, da parte linear de VAB(I) (fig.5), o valor da resistência interna da pilha,

ri.

Figura 5 - Circuito elétricoalimentado por fonte de tensãoideal.

Figura 4 - Variação da tensão VAB nosterminais de uma fonte de tensão de forçaelectromotriz E, em função da corrente eléctrica Ipara uma pilha.


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4. Atividade experimental

4.1 Metodologia

Abrir uma caixa com quatro pilhas AAA novas, do tipo Ni‐Mh, com capacidade anunciada

de 900 mah e numerá‐las;

Colocar as pilhas numa máquina de descarrega controlada, ligada a um computador,

registando assim os valores da tensão e da Intensidade da corrente a cada 5 segundos;

Após exportar dos dados recolhidos pelo computador, fazer um gráfico representativo

da tensão em função do tempo (para cada pilha);

Através da realização de cálculos com as fórmulas anteriormente referidas, calcular a

capacidade disponível na primeira utilização;

Carregar as pilhas usando um carregador Medium Charger;

Repetir todo este processo várias vezes, recolhendo a mesma informação e calculando a

respetiva capacidade experimental.

Figura 6 –Embalagem das pilhas Figura 7 – Aparelho de descarga controlada

Figura 8- Carregador de baterias


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4.2 Tabela de Resultados

Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Pilha 4

Tempo de descarga

650 s 605 s 610 s 665 s

Energia Total

575,6672 J 530,5038 J 575,6672 J 554,181 J

Capacidade inicial

133,2563 mAh

122,8018 mAh

124,8172 mAh

128,2826 mAh

Tabela 2 – Tabela de resultados antes do carregamento

Pilha 1

Tempo de descarga

7580 s

Energia Total 4047,558 J

Capacidade final

936,9347 mAh

Tabela 3 – Tabela de resultados após carregamento


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4.3 Gráficos

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400

600

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540

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Tensão

Intensidade

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Tensão

Intensidade

Figura 9 - Gráfico da pilha 1.

Figura 10 – Gráfico da pilha 2


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Tensão

Intensidade

Figura 8 – Gráfico da pilha 3.

Figura 11 – Gráfico da pilha 4.

Figura 12 – Gráfico para comparação dos valores de todas aspilhas.

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Tensão

Intensidade

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600

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Pilha 1

Pilha 2

Pilha 3

Pilha 4


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Figura 13 – Gráfico da intensidade e tensão da pilha 1 após carregamento.

5. Conclusões sobre a experiência

Como se pôde verificar, na primeira descarga, o valor experimental da capacidade é

muito inferior ao valor anunciado. Este facto deve‐se principalmente ao efeito de Auto‐

descarga.

Fomos informados que as pilhas que estávamos a usar teriam sido compradas no ano

anterior. Como foi afirmado anteriormente (através da relação com os valores da pilhas Ni‐

Cd) sabemos que este tipo de pilhas costuma perder entre 5% a 7.5% da energia total por

mês. Assim sendo, é possível que grande parte da energia perdida se deva a esta causa.

Também não se pôde confirmar se as pilhas vieram totalmente carregadas, o que faz

com que a sua capacidade inicial pudesse ser superior se isso tivesse acontecido.

Após a recolha e tratamento dos dados relativos à pilha totalmente carregada, o valor

da capacidade demonstrou‐se superior ao anunciado pelo fabricante. Esse resultado deveu‐

se ao facto de a pilha ter sido descarregada com uma intensidade relativamente baixa (500

Ma), o que fez com que o efeito da resistência interna fosse menor, e menos energia tenha

sido desperdiçada na forma de calor

0

200

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800

1000

1200

1400

0 2000 4000 6000 8000

Tensão

Intensidade


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6. Conclusão

Como foi referido acima, as pilhas recarregáveis são pilhas que à medida que vão

perdendo carga têm a capacidade de a recuperar através de uma fonte de energia

adequada, no entanto, após a primeira recarga, tal como se pôde verificar na nossa

experiência, o comportamento a nível do tempo de descarga começa a variar, podendo isto

dever‐se aos vários fatores referidos anteriormente neste relatório.

Com este trabalho conclui‐se, então, que na primeira descarga o valor da capacidade

das pilhas é, por norma, muito inferior ao valor anunciado pelas marcas de fabrico, sendo

que esta discrepância se deve, em grande parte, à auto descarga que ocorre de forma

incontrolável no interior das pilhas.

É ainda de realçar que a capacidade pode ser preservada de acordo com a boa

manutenção e cuidados nos ciclos de carga e descarga deste tipo de pilhas, de forma a

prevenir a ocorrência do efeito de memória.


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7. Referências bibliográficas [1] Miguel Ferreira, “Intensidade de Corrente”, WikiCiências,

http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/Intensidade_de_Corrente (acedido

15/10/2015)

[2] “Capacidade de uma bateria”, Electrónica, http://www.electronica-pt.com/capacidade-

bateria (acedido 17/10/2015)

[3] Jorge Castilho Cabrita, “O que é a potência eléctrica?”, Elektron,

http://elektron.no.sapo.pt/oqueepotenciaelectrica.htm (acedido 12/10/2015)

[4] Emanuel Loureiro Garrido, “Concepção e certificação de nova geração de candeeiros

de iluminação pública”,FEUP, (acedido 15/10/2015)

[5] “Battery Disposal”, P2 INFOHOUSE, http://infohouse.p2ric.org/ref/07/06033.htm ,

(acedido 10/10/2015)

[6] “BU-802b: What does Elevated Self-discharge do?”, Battery University,

http://batteryuniversity.com/learn/article/elevating_self_discharge , (acedido 12/10/2015)

[7] “DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA INTERNA DE UMA PILHA”, Departamento de

Física da FCTUC, http://www.fis.uc.pt/data/20072008/apontamentos/apnt_221_2.pdf,

(acedido 15/10/2015)

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