Baterias de Lítio-Íon: Um guia completo

Em tempos de IoT, carros elétricos, smartphones, smartdevices, smartcitys e energy harversting é cada vez mais importante dominar as técnicas de armazenamento de energia. Existem diversas linhas de pesquisa na área, desenvolvimento de novos tipos de bateria, supercapacitores, melhoramento de tecnologias mais antigas e, entre outros. Entretanto, a tecnologia de íons de Lítio tem se mostrado bastante viável e vem ganhando cada vez mais espaço, seja nos dispositivos de IoT, smartphones, drones, carros elétricos, e mais recentemente em avião tripulado (Figura 1), como é o caso da parceria WEG/EMBRAER.

Mas por que utilizar células de Lítio? 

Baterias compostas por células de íons de Lítio têm como principal característica a grande vida útil, ausência do efeito memória (degradação do ânodo e/ou do eletrólito) e grande densidade volumétrica de energia. Além disso, se tornaram economicamente viáveis, podendo ser fabricadas em diferentes associações de células e formatos, em busca de maior capacidade, corrente de curto circuito, tensão ou ambas simultaneamente. 

A tecnologia permite que a bateria seja fabricada para diferentes fins, algumas células são desenvolvidas para ter grande taxa de descarga, como as baterias desenvolvidas para utilização em drones, automodelos, e entre outros. Nesse caso, em geral, a célula tem maior selfdischarge e a possibilidade de ser recarregada de forma rápida com uma alta corrente elétrica em um dos estágios de carga. Baterias voltadas a um fornecimento contínuo de energia tem taxas de descarga/recarga menor e pouco efeito de selfdischarge e vida útil prolongada.

Conceitos Básicos

As baterias recarregáveis de Lítio se apresentam basicamente em duas configurações, as de Lítio-Polímero (Li-Po) e as chamadas de Lítio-Íon (Li-Ion). Além de algumas diferenças químicas, as Li-Po geralmente se apresentam como “pacotinhos à vácuo” e as de Li-Íon em invólucros metálicos semelhantes a uma “pilha” (Figura 3), como as clássicas 18650, bastante utilizadas em bancos de bateria para notebooks.

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Toda bateria possui tensão nominal, capacidade, e corrente de descarga e recarga limites determinados pelo fabricante. Uma bateria nesta tecnologia pode ser modelada como um grande capacitor, com capacitância e tensão limite compatíveis às da célula, e uma resistência serie equivalente (ESR) de alguns poucos miliohms.

Tensão nominal

A tensão nominal das células de Li-Po e Li-Íon são 3.7 e 3.6V respectivamente, com pequenas variações dependendo do fabricante e tecnologia empregada. Contudo a tensão pode variar de 4.2 à 3V conforme a descarga da célula – alguns fabricantes permitem descargas mais profundas. Ultrapassando os limites superiores pode haver um desgaste prematuro da célula e mesmo um incêndio ou explosão, para o caso de descarga profunda, há uma deterioração dos eletrodos, acarretando em redução da vida útil e possível perda nos casos extremos.

Capacidade nominal

A capacidade nominal das baterias deveria ser dada em Wh, mas geralmente é dada em mAh ou Ah, necessitando a multiplicação pela tensão nominal para obtenção da capacidade em Wh. Uma bateria de 3.6V 1000mAh, ou seja, 3.6Wh, pode fornecer uma corrente de 1A por uma hora, ou 500mA por duas horas e assim por diante. Ou seja, para o dimensionamento aproximado da autonomia, basta dividir a capacidade nominal pela potência media consumida pelo dispositivo. 

Taxa de Carga/Descarga e Corrente de Curto Circuito

A taxa de carga, descarga e corrente de curto circuito é definida pelo fabricante e pode ser dada em mA, A ou mesmo em C, um múltiplo da capacidade nominal. Uma célula de 2200 mAh e corrente de curto circuito de 30 C pode ser descarregada a 30 vezes 2200 mA, ou seja 66A. Logicamente, essa taxa limite não deve ser aplicada por muito tempo sob risco de incêndio ou explosão, entretanto diversos projetos fazem uso dessa característica, nesse caso deve-se monitorar e até mesmo atuar sobre a temperatura das células, como é o caso de alguns drones da DJI e os automóveis da Tesla Motors, que utiliza um sistema de refrigeração líquida.

Associação de células

As baterias de lítio muitas vezes são associadas para atender aos mais diversos requisitos de projetos, é comum encontrar packs de baterias já prontos. Em geral usa-se as letras “S” para indicar uma associação em serie e “P” para associação em paralelo.

Na Figura 4 todas as associações resultam uma tensão nominal 11.1V, se a capacidade individual de cada célula for 1000mAh (3.7Wh), a associação 3S (3 células em série) teria uma capacidade nominal de 1000mA, mas com 11.1V ou seja 11.1Wh. As associações 3S-2P (3 série 2 paralelo) tem a capacidade duas vezes maior, 2000mAh à 11.1V ou 22.2Wh.

O projetista pode se deparar com diversas possibilidades de associação, como as duas 3S-2P expostas abaixo. As células de energia são desiguais por natureza, por isso algumas associações são menos indicadas. A associação do centro da Figura 4 pode levar a um desequilíbrio indesejável entre as células, o que é natural, mas indesejável. A estrutura mais a direita leva à um menor desequilíbrio além do maior desempenho quando grandes picos de corrente são exigidos, uma vez que existem diferenças entre as resistências internas das baterias. 

Recarga

A recarga das baterias de Lítio é talvez o ponto que requer maior cuidado, pois a vida útil da célula depende de uma recarga precisa. A recarga é realizada em 2 ou 3 estágios, sendo os dois primeiros estágios de corrente constante e o último um estágio de tensão constante. 

A Figura 5 indica os parâmetros de recarga e resposta para recarga da NCR18650PF da Panasonic. Na indicação acima do gráfico, há uma recomendação de recarga em dois estágios a 0.5C (2700mAh x 0.5C = 1350mA) no estágio de corrente constante (CC) e 4.2V no estágio de tensão constante, o Cut-Off ou fim da recarga é realizado quando a célula estiver drenando apenas 100mA. Todo o processo deve ser feito à uma temperatura próxima de 25°C.

Os estágios de corrente são necessários para carregar a célula de forma segura quando a tensão está baixa, situação em que a célula se comporta como um capacitor gigante com uma resistência série bem baixa, a corrente de recarga tende a valores altos, o aquecimento pode danificar a célula e mesmo levar ao colapso.

Em bancos de baterias, e mesmo em packs, as células precisam não só serem carregadas, mas também balanceadas, por isso a maioria dos packs tem chicotes de recarga, que dão acesso aos pontos de associação das células. Um desbalanceamento pode afetar profundamente o desempenho, podendo gerar aquecimento desigual nas células mais descarregadas agravando ainda mais o quadro. Em casos extremos, o banco pode se perder por uma célula bastante afetada ou mesmo “morta”. 

Temperatura de Operação

Seja qual for a composição, toda bateria tem restrições com a temperatura, as baterias de Lítio não são diferentes. As células mais antigas tinham temperatura de operação bastante restritas, as células de uso geral mais modernas podem operar entre -20 à 60 °C, outras, de uso específico podem ter um range diferente. É saudável que a célula não gere ou gere pouco calor durante sua recarga, e que a temperatura ambiente não seja muito alta.

A temperatura influencia diretamente na tensão e consequentemente na capacidade da célula, sistemas críticos como as baterias dos carros elétricos, satélites e nano satélites, como o FloripaSat-1, tem diretivas de resfriamento e aquecimento não só para prolongar a vida útil e garantir a segurança, mas também para operar no “ponto ótimo”.

A vida útil

A vida útil das células de íons de Lítio costuma ser a mais longa entre as células de mercado e depende da tecnologia empregada pelo fabricante e de inúmeras variáveis conforme já citado no decorrer do artigo. No caso da NCR18650PF (Figura 7) o fabricante garante 500 ciclos com uma pequena queda na capacidade máxima quando respeitados temperatura, carga de 0.5C e descargas de 1C.

Achou pouco? Algumas técnicas são empregadas para prolongar a vida útil, como superdimensionar a capacidade nominal da célula, exigir uma corrente menor que o limite, carregar até tensões menores que 4.2V e descarregar até tensões maiores que o limite inferior da célula, como mostra a Figura 8

O outro extremo também pode ser explorado, alguns drones de corrida, automodelos, aeromodelos e os carros de Fórmula-E utilizam baterias Li-Po com capacidade de descarga de até 60C, nesses casos, não se busca durabilidade e sim desempenho, capacidade e redução de peso, por isso, costuma-se carregar a célula acima dos 4.2 e descarregar abaixo dos 3V.

BMS

Algumas baterias têm um circuito de controle chamado de BMS (Battery Management System), destinados a proteger a célula contra over charge, deep discharge e over temperature evitando assim alguns problemas mais sérios. Alguns desses circuitos encarregam-se inclusive de realizar a a recarga e o balanceamento das células em operação.

Um pouco de química

Conclusão

Nos últimos 10 anos, as baterias baseadas em Lítio saíram do anonimato para praticamente dominar as soluções dependentes de armazenamento de energia. Alguns brinquedos, gadgets, smartphones e mesmo os veículos elétricos tornaram-se viáveis graças à evolução dessa tecnologia, que se tornou barata, compacta, robusta e segura.