Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Pilhas Recarregáveis
Projecto FEUP 2014/2015 -- Engenharia Electrotécnica e Computadores:
Armando Sousa & Manuel Firmino J. N. Fidalgo
Equipa: 1MIEEC01_2
Supervisor: Paulo Costa Monitor: Jorge Bessa
Estudantes & Autores:
Ana Quintanilha [email protected] Hélder Martins [email protected]
Cátia [email protected] Tiago Borrego [email protected]
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Resumo
No âmbito da unidade curricular “Projecto FEUP” do curso “Mestrado Integrado de Engenharia Electrotécnica e de Computadores”, foi proposto a realização deste relatório técnico abordando a temática “Capacidades das pilhas”. Esta unidade curricular apresenta como principais objectivos o estímulo do trabalho de equipa assim como da importância deste, da comunicação e da capacidade de discussão científica de um dado tema.
O inicio da história das pilhas, apesar de a primeira pilha apenas ter sido produzida no séc. XIX por Alessandro Volta, remonta a três séculos antes, no séc. XVI, onde o conceito no qual a pilha é baseada fora concebido por Otto VonGuericke.
O conceito de funcionamento de uma pilha consiste na transformação de energia química em energia eléctrica, por meio de reacções oxidação-redução dos químicos presentes na pilha. Estes químicos variam conforme o tipo de pilha, os quais foram diversificando ao longo do tempo, tornando uns tipos de pilha mais apropriados para certos propósitos, e outros tipos de pilha para outros.
Uma das revoluções nesta área foi a concepção de pilhas recarregáveis, pilhas cujas reacções poderiam ser invertidas de modo a recuperarem a sua carga, sendo possível de novo a sua utilização.
Foram feitos 6 ensaios onde se descarregaram 2 pilhas de NhMI, e se registaram os valores da tensão ao longo do tempo. Após calcular a capacidade média de cada uma das pilhas, verificou-se que os valores obtidos não coincidiam com os valores fornecidos pela fábrica, sendo estes inferiores aos mesmos. Tal se pode justificar pelo facto de a capacidade média das respectivas pilhas decair com o uso das mesmas, estando as pilhas usadas nos ensaios ligeiramente gastas, sendo armazenadas em locais cujas temperaturas são pouco propícias ou ainda recarregadas a ritmos elevados.
Palavras-Chave
Pilhas;
Energia Química;
ReacçõesQuímicas;
Energia Eléctrica;
Pilhas Recarregáveis;
Recuperação de Carga;
Voltagem.
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Índice
Lista de acrónimos .......................................................................................................... 4
Glossário ........................................................................................................................ 5
1. Introdução ................................................................................................................... 6
2. Os primeiros passos das pilhas .................................................................................. 6
3. Sistema de funcionamento.......................................................................................... 6
4. Como a pilha descarrega? .......................................................................................... 7
5. Como a pilha carrega? ................................................................................................ 8
6. Tipos de pilhas recarregáveis ..................................................................................... 9
7. Carregadores de Pilhas .............................................................................................. 9
9. Cálculos .................................................................................................................... 11
Pilha A (NiMH) .......................................................................................................... 11
Pilha B (NiMH) .......................................................................................................... 13
10. Conclusões ............................................................................................................. 15
Referências bibliográficas ............................................................................................. 16
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Lista de acrónimos
Equações
E=P×∆ t
E – Energia
P – Potência
∆ t - Intervalo de tempo
P=U ×I
P – Potencia
U - Diferença de potencial
I – Intensidade
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑀é𝑑𝑖𝑎 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝐺𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚/𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 × 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚(= 1.2)
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Glossário
Potencia
De um modo abrangente, a potência é uma grandeza que indica a quantidade de
energia cedida por uma fonte, por unidade de tempo. A unidade SI desta é o watt(W).
Contudo, em sistemas elétricos a potencia que dois aparelhos desenvolvem é o produto
da diferença de potencial, gerada entre dois terminais, com a corrente que atravessa o
dispositivo.
Intensidade
A intensidade determina a variação do fluxo de energia, sendo que quanto maior a
intensidade maior vai ser a energia no espaço. A sua unidade SI é em W/m².
Quando se fala em cargas elétricas, que apenas se movem com um condutor, há que
falar na diferença de potencial que determina a tendência de as cargas se moverem pelo
condutor.
Tensão elétrica (DDP - Diferença de Potencial)
A tensão elétrica é caracterizada pela diferença de potencial entre dois pontos, sendo
que o que cria esta diferença é a falta de eletrões numa extremidade e o excesso na outra
extremidade.
De uma forma mais simplificada, esta é a quantidade de energia gerada para
movimentar uma carga elétrica. A sua unidade SI é o volt (V).
Energia
A energia elétrica permite estabelecer uma corrente elétrica entre dois pontos, através
da diferença de potencial elétrico gerada entre esses.
A energia química baseia-se nas atrações e repulsões das ligações químicas entre
átomos.
Capacidade
Numa pilha a capacidade remete para a quanidade de energia que a pilha armazena
durante o processo de carga, que é a enegia que está disponível para usar.
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1. Introdução
As pilhas e baterias são utilizadas no nosso dia a dia quer para o uso de comandos,
portáteis, telemóveis, entre outros equipamentos eletrónicos. Assim percebemos a
importância destes pequenos objetos, que fazem tantos aparelhos fulcrais funcionarem.
Temos assim como objectivo descobrir como estes pequenos e poderosos objetos
evoluíram, como funcionam e qual a sua rentabilidade.
2. Os primeiros passos das pilhas
Antes da existência de alguma pilha esta pequena ciência de produzir electricidade tinha
sido idealizada por Otto VonGuericke, em 1600.
A primeira descoberta relevante foi feita por Luigi Galvani, quando percebeu que os
nervos transferiam a energia armazenada nos músculos, e assim vários estudiosos
investigaram a criação de eletricidade a partir da química.
Alessandro Volta, por volta de 1800, criou um dispositivo com zinco e prata separados
por outro material poroso sendo tudo imerso numa solução aquosa, produzindo assim
corrente elétrica, sendo considerando o criador de pilhas.
3. Sistema de funcionamento
As pilhas no seu interior contêm compartimentos interligados entre si por electrólitos
contendo catiões e aniões. É a migração de aniões e catiões de uns compartimentos para
outros que vem a constituir a reação de Oxidação-redução dos componentes da pilha, que
por sua vez origina a corrente elétrica.
Diferentes tipos de pilhas têm diferentes tipos de funcionamento. Pilhas não
Recarregáveis apenas usam reações de Oxidação-redução para transformar a energia
química em energia elétrica. Por outro lado Pilhas Recarregáveis usam reações de
Oxidação-redução para descarregar e reações Redox (Redução-Oxidação) para recarregar,
invertendo a reação de Oxidação-redução.
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4. Como a pilha descarrega?
A descarga da pilha resulta da reação de Oxidação-redução dos componentes químicos
da Pilha, criando uma diferença de potencial entre os dois polos da pilha, denominado de
Tensão.
As pilhas Recarregáveis ao contrário das Pilhas não Recarregáveis até bem perto da
sua total descarga mantém uma Tensão constante, sendo também por essa razão
preferidas às não Recarregáveis.
As pilhas deNiHM como todas as outras são afetadas por um fenómeno chamado de
Auto descarga, onde de forma indesejada a pilha vai perdendo alguma da sua carga. A
magnitude desta perda é influenciada por diversos fatores, como por exemplo a
temperatura. Quanto mais alta for a temperatura mais alta é a perda de carga.A pilha
quando não em utilização não está totalmente parada. Na verdade, uma pequena parte das
partículas dos seus componentes continuam agitadas, fazendo com que electrões transitem
de uns níveis de energia para outros e da nuvem electrónica de uns átomos para a de
outros (o mesmo principio que é usado para acumular e descarregar energia).
Atentendo à definição de temperatura, “medida da energia cinética média das
partículas”, pode-se facilmente demonstrar que como o aumento da energia cinética, a
agitação que as partículas já apresentam quando a pilha não está a ser utilizada é
aumentada também.Sendo a energia cinética a responsável pelo deslocamento das
partículas, por sinal, o aumento desta provoca o aumento desse deslocamento.Visto isto, a
perda de carga devido à agitação das parcticulas não propositada, aumenta em
conformidade.
A Temperatura influencia igualmente a rentabilidade da pilha quando usada. Tal como na
Auto descarga, quanto mais alta a temperatura aquando a utilização, menor a rentabilidade
da pilha.Temperaturas demasiado baixas também não são propícias às pilhas, pois
dificultam a corrente natural das reacções, sendo difícil assim a transformação de energia
química em energia eléctrica.
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5. Como a pilha carrega?
As pilhas
recarregáveis apenas
podem serecarregadas
usando dispositivos
próprios para tal
(carregadores). Estes
Invertem a ordem de
reação da descarga das
pilhas, promovendo
reações redox nos
componentes da pilha.
Um dos problemas
que se levanta em
relação ao carregamento de pilhas recarregáveis é a questão da Sobre Carga, que leva a
danos na pilha, que por sua vez reduz a sua capacidade máxima de armazenamento.
Alguns carregadores possuem mecanismos para detetar quando a pilha está totalmente
carregada, como por exemplo a variação da tensão, onde a tensão após a pilha estar
totalmente carregada desce ligeiramente. O carregador mede essa diferença de tensão e
termina o carregamento da pilha.
Gráfico 1 Tensão
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6. Tipos de pilhas recarregáveis
Dentro das pilhas recarregáveis, existem as pilhas de Níquel Cádmio (NiCd) e as Níquel
Metal Hidreto (NiMH), sendo estas as mais conhecidas.
As primeiras foram as primeiras pilhas recarregáveis a surgir.
São por norma de menor custo, pelo que também apresentam uma menor capacidade
de carga e uma tempo de vida inferior. São também as menos utilizadas devido ao cádimo
apresentar uma elevada toxicidade e ser prejudicial para o meio ambiente.
Um dos problemas das pilhas de Níquel Cádimo é o chamado “efeito de memória”, pois
a pilha dá-nos a informação de estar totalmente carregada quando na realidade isso não
acontece. Para uma melhor compreensão, considere-se que o “efeito de memória” de uma
pilha é de 20%, sendo que atingir os 80% de carga a pilha dá-nos a informação de estar
100% carregada, quando na realidade ainda falta 20%.
As segundas são as pilhas mais utilizadas atualmente devido à sua maior capacidade e
ao maior tempo de vida. Por analogia com as pilhas de Níquel Cádimo, as pilhas de Níquel
Metal Hidreto aguentam mais as recargas, são menos poluentes e não possuem o “efeito de
memória”, daí serem as mais utilizadas.
Tanto as pilhas de NiMh e as pilhas de NiCd têm uma tensão de 1,2V, uma alta
capacidade de fornecimento de corrente e uma alta auto descarga. Contudo, as pilhas de
NiMh apresentam cerca de 1000 ciclos de recarga e as pilhas de de NiCd apresentam
cerca de 500 ciclos de recarga.
7. Carregadores de Pilhas
Os carregadores de pilhas são dispositivos, cuja função é (re)carregar pilhas.
O método para recarregar as pilhas consiste na colocação de um ou dois pares de
pilhas no aparelho e ligar o mesmo a uma tomada de rede elétrica.
O processo baseia-se na transmissão de corrente elétrica para as pilhas de forma à
energia ficar armazenada.
Relativamente ao tempo de carga, este está diretamente relacionado com a corrente,
sendo que quanto maior for a corrente, por consequente o tempo de carga irá ser menor.
Já a velocidade de carga está relacionada com a geração de calor, daí a necessidade
de uma carregador que nos informe que a pilha está totalmente carregada.
É preciso tomar atenção à temperatura da pilha para que não ocorra um super
aquecimento, pois este pode fazer com que a pilha vaze, ou mesmo, expluda.
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8. Reciclagem de Pilhas
A reciclagem de pilhas leva a uma diminuição do “risco de deposição descontrolada” das
mesmas, pois desta forma são recolhidas à parte do resto dos resíduos, o que impede que
por vezes sejam depositadas em aterros onde se decompõem e poluem o meio ambiente.
Com esta recolha separada de pilhas e acumuladores, é possível decompor os
mesmoseparando os seus constituintes. Estes podem assim ser reutilizados em outros
processos produtivos, diminuindo assim a necessidade de recorrer a recursos naturais,
como por exemplo recursos minerais utilizados na produção de novas pilhas.
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9. Cálculos
Pilha A -1100mAh (NiMH)
Descarga a 300 mAh - 0,27C
Capacidade média= 1021,65 mAh
Tempo de descarga: 2h03
12 Pilhas Recarregáveis
Descarga a 550 mAh - 0,5C
Capacidade média= 985,41 mAh
Tempo de descarga: 1h09
Descarga 1100 mAh – 1C
Capacidade média=932,05 mAh
Tempo de descarga: 0h37
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Pilha B -1100mAh (NiMH)
Descarga a 300 mAh - 0,27C
Capacidade média= 1005,98 mAh
Tempo de descarga: 1h52
Descarga a 550 mAh - 0,50C
Capacidade média= 958,51 mAh
Tempo de descarga: 1h06
14 Pilhas Recarregáveis
Descarga a 1100 mAh - 1C
Capacidade média= 866,87 mAh
Tempo de descarga: 0h37
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10. Conclusões
Comparando os valores obtidos com os valores defábrica (1100 mAh), podemos
concluir que as pilhasem questão encontram-se gastas, visto que apresentamvalores para a
capacidade média inferiores aos defábrica.
A pilha A encontra-se com 84,73% e a pilha 2 com 78,81% de rendimento em
relação aos dados de fábrica.
Podemos ainda concluir que aumentar o ritmo dedescarga diminui a capacidade média.
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Referências bibliográficas
http://sistemas.ib.unicamp.br/be310/index.php/be310/article/viewFile/258/201
[16/10/2014 10:40]
http://www.infowester.com/pilhasrec.php [16/10/2014 10:43]
http://www.pcguia.pt/2012/04/baterias-pilhas-mitos-dicas/ [16/10/2014 10:47]
http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilha-alessandro-volta.htm [16/10/2014
10:56]
http://www.mundoeducacao.com/quimica/pilhas-duvidas-frequentes.htm
[16/10/2014 10:58]
http://ghztecnologia.blogspot.pt/2010/12/como-surgio-as-baterias-pilhas.html
[16/10/2014 11:15]
http://www.notapositiva.com/pt/trbestbs/quimica/12_exploracao_mineira_e_pilhas
_ comerciais_d.htm [16/10/2014 11:17]
http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/pilhas-e-baterias [16/10/2014 11:26]
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