• Bateria de Chumbo-ácido: Tipo de bateria mais comum com reduzido preço, tendo sido a primeira tecnologia lançada no mercado. Por estas razões é a tecnologia que está mais desenvolvida. No interior do cátodo encontra-se dióxido de chumbo (PbO2) e no do ânodo
chumbo (Pb), sendo que, para o eletrólito destas baterias, se recorre a ácido sulfúrico (H2SO4).
Existem diversas variantes que irão ser alvo de uma breve descrição: - Chumbo-ácido ventiladas (FVLA - Free Vented Lead Acid)
Este é o tipo mais utilizado, tendo um tempo médio de vida, entre 3 a 8 anos, quando realizam entre 100 a 800 ciclos completos de carga. Devem ter uma manutenção regular (enchimento com água com uma certa frequência) e devem ser instaladas em locais com devida ventilação. No caso destas baterias serem ligadas a sistemas fotovoltaicos, devem usar-se placas com maior espessura do que o normal.
Figura 2.13: Bateria Chumbo-Ácido Ventilada - FVLA [15]
- Chumbo-ácido seladas (VRLA - Valve Regulated Lead Acid)
Este tipo de bateria tem um período de vida e uma capacidade maiores do que as FVLA, sendo que não necessita de qualquer tipo de manutenção (as perdas de água são bastante reduzidas, devido a uma recombinação de gases durante o funcionamento da bateria). Como é possível que nesta bateria ocorram algumas sobrecargas, isso faz com que se necessite de um controlador de carga, de forma a evitar que estes fenómenos ocorram.
Figura 2.14: Bateria Chumbo-Ácido Selada - VRLA [16]
- Absorbent Glass Material (AGM)
Esta é a evolução mais recente no grupo das baterias de chumbo, sendo que recorre a um separador de microfibras de vidro que é bastante poroso, o qual substitui o gel que geral- mente envolve o eletrólito. Como se trata de uma bateria que está selada, convém ter um carregamento mais cuidadoso, tal como acontece no tipo VRLA como falado anteriormente.
Figura 2.15: Constituição de uma bateria do tipo AGM [17]
- Bateria de chumbo-ácido híbrida Hybrid Lead Acid Battery ou Ultrabattery
Como este tipo de baterias funciona em grande parte do tempo num estado de carga parcial, vulgarmente denominado em inglês como PSoC (Partial State of Charge), isto faz com que se acumule sulfato no elétrodo negativo, o que tem consequências ao nível do desempe- nho da bateria. Esta acumulação provoca uma elevação do valor da resistência interna na bateria o que conduz a alterações a nível da sua potência e capacidade. Para corrigir este facto utiliza-se um supercondensador que é introduzido nestas baterias, tendo como função gerir as variações entre as altas cargas e as consequentes descargas, funcionando como um amortecedor. Com a introdução deste componente reduz-se a corrosão do elétrodo bem como se previne o processo de sulfatação, verificando-se assim uma melhoria na eficiência da bateria. [36]
• Bateria Alcalina:
- Bateria de Níquel-Cádmio
Com um eletrólito composto por uma solução aquosa alcalina e com elétrodos, consti- tuídos por níquel e cádmio, este tipo de bateria é geralmente de pequena dimensão e muito leve. Também tem como característica o facto de não ser afetada por descargas profundas e conseguir debitar elevadas potências. A desvantagem é que os materiais que as constituem são tóxicos (principalmente devido ao níquel e ao cádmio). De forma a controlar o facto de terem uma taxa de auto-descarga elevada, são recarregadas periodicamente; apresentam ainda efeito memória.
Figura 2.17: Componentes utilizados nas baterias de níquel-cádmio [19]
- Bateria de Níquel-Hidretos metálicos
Esta bateria tem como um dos seus constituintes os hidretos metálicos, que substituem o cádmio. Suporta mais de 1000 ciclos de carga, embora seja bastante dispendiosa. Não tem efeito memória, mas por outro lado apresenta elevada sensibilidade a temperaturas baixas e temperaturas acima de 40oC. [36]
• Baterias de elevada temperatura: Este tipo de baterias caracteriza-se por ter um eletrólito em estado sólido, ao contrário do que acontece noutros tipos de tecnologia, em que o ele- trólito se apresenta em estado líquido. Dentro das baterias de elevada temperatura podemos distinguir dois tipos distintos: as de Sodium-Sulphur (NaS) e também as de Nickle-Chloride (NaNiCl2).
Figura 2.18: Exemplo de baterias na tecnologia NaS [20]
Nas baterias com a tecnologia em NaS, os elétrodos são em sódio e enxofre fundidos e o eletrólito é constituído por beta aluminia. Têm uma elevada densidade de energia, uma taxa de auto-descarga reduzida e são relativamente baratas, sendo que os seus diversos compo- nentes podem ser reciclados. Por outro lado, necessitam de um sistema para aquecimento de modo a que a temperatura se mantenha dentro dos parâmetros necessários para o seu funcionamento. Apresentam perigo de incêndio e o seu custo de operação é alto.
Um exemplo de uma aplicação deste tipo de baterias é o armazenamento de energia durante a produção dos parques eólicos, sendo que quando estes mesmos parques não se encontrarem a produzir são estes equipamentos que fornecem energia. [41]
• Baterias de Lítio: No caso das baterias de lítio verifica-se que o eletrólito é composto por sais de lítio, enquanto que os elétrodos positivo e o negativo são em óxido metálico de lítio e carbono grafítico, respetivamente.
Este tipo de baterias caracteriza-se por não sofrer de efeito memória, possuir um valor de densidade de energia elevado. Mesmo quando não estão em uso vão-se desgastando com o passar do tempo. A taxa de auto-descarga das baterias de lítio também é consideravel- mente baixa. De modo a proteger as baterias do envelhecimento sugere-se que estas estejam colocadas em locais a uma temperatura ambeinte, e com 40% de carga aproximadamente. Existem diferentes tipos de tecnologia que se podem considerar dentro da gama das baterias de lítio, a saber: [41] [36]
- Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2)
As primeiras baterias que utilizaram este tipo de tecnologia remontam ao ano de 1991, ano em que se deu uma grande evolução nos dispositivos tecnológicos portáteis. Graças a esta tecnologia foi possível reduzir o tamanho dos computadores e dos telemóveis. O desen- volvimento deste tipo de baterias não tem parado e tem permitido melhorar a densidade de energia, assim como o nível de ciclos de carga. Há ainda desenvolvimentos a nível térmico,
sendo que se tenta baixar a quantidade de calor de forma a baixar o valor da impedância in- terna da bateria. Devido ao facto de estas baterias terem uma elevada densidade energética, boa segurança, bem como um bom nível de capacidade de descarga, o seu maior mercado é o dos gadgets. Nestes últimos anos, o número de células para um mesmo volume aumentou, o que demonstra o desenvolvimento que ocorreu. Isto foi ao encontro do desejo dos diversos fabricantes de equipamentos eletrónicos, porque assim passaram a ter uma maior liberdade no desenho desses mesmos equipamentos. [21]
Figura 2.19: Características das baterias de Lithium Cobalt Oxide (LICoO2) [21]
- Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)
Os primeiros desenvolvimentos na tecnologia baseada em Lithium Manganase Oxide, deram- se no ano de 1983 (artigo publicado pela revista Materials Research Bulletin). No entanto, a primeira comercialização só se deu em 1996, pela Moli Energy, sendo que aquele ma- terial serviu como cátodo. De maneira a diminuir a resistência interna e ter uma melhor capacidade de condução de corrente, a arquitetura desta tecnologia foi realizada de modo tridimensional o que faz com que melhore o fluxo de iões no elétrodo. Outras vantagens do recurso a este modelo é o facto de se melhorar a estabilidade a temperaturas mais ele- vadas, e a sua segurança. O facto de ter uma resistência interna baixa permite que este tipo de baterias tenha um carregamento rápido. Por outro lado, pode ser carregada com valores de corrente entre 20 e 30A, com um aquecimento moderado, sendo que também se pode carregar com impulsos com a duração de um segundo, com uma amplitude de 50A, embora carregamentos deste tipo causem um elevado aquecimento. A temperatura da célula nunca poderá ultrapassar o valor de 80oC sob o risco de ter consequências para o seu funciona- mento. [22]
O Lithium Manganase Oxide é, geralmente, utilizado em instrumentos para uso médico bem como para alimentar veículos híbridos e elétricos.
Quando comparada com a tecnologia anteriormente descrita, esta tem um terço da capaci- dade. Um modelo com 18650 células é capaz de ter uma capacidade de 1100 mAh, sendo
que a versão de alta capacidade tem 1500 mAh. [22]
Figura 2.20: Estrutura química do Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) [22]
A figura 2.20 representa a formação de uma estrutura tridimensional cristalina no cátodo de uma bateria de Lithium Manganese Oxide.
- Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)
No ano de 1996 foram descobertas as propriedades condutoras do fosfato como material que iria servir como cátodo para o carregamento das baterias de lítio. É um material que apresenta um bom desempenho térmico, com uma baixa resistência, o que é possível de- vido a ser trabalhado numa nano-escala e que se traduz em vantagens tais como: uma boa estabilidade térmica, uma boa capacidade de transmitir corrente e um longo ciclo de vida. É uma das tecnologias que consegue tolerar melhor as condições de carga completa, sendo que se comporta da melhor forma quando tem de suportar valores elevados de tensão por grandes períodos de tempo, comparativamente às restantes baterias de lítio. Como contra- partida tem um baixo valor de tensão nominal por célula (cerca de 3,2V), o que faz com este valor seja mais baixo do que o de outras baterias de lítio. Tal como acontece com todo o tipo de baterias, um valor baixo de temperatura faz com que a sua performance diminua; por outro lado, as elevadas temperaturas fazem com que o tempo de serviço diminua drastica- mente. Estas baterias têm uma taxa de auto-descarga superior às restantes baterias de lítio, o que traz implicações quanto ao seu tempo de vida; no entanto este problema poderá ser atenuado usando células de elevada qualidade, ou então recorrendo a sistemas de controlo eletrónicos, embora estes sejam mais caros. Torna-se imprescindível que no processo de fabrico deste tipo de baterias haja um grande cuidado para evitar impurezas, pois elas iriam degradar o seu tempo de vida. [22]
Figura 2.21: Características das baterias de Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) [22]
- Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2)
Este é um dos tipos de baterias de níquel mais utilizados, principalmente com a função de células de energia. Por exemplo, uma célula com uma carga moderada, tanto pode fornecer entre 4 a 5A, com uma capacidade de 2800mAh, como uma corrente de 20A para uma capacidade de 2000mAh. Podem atingir uma capacidade de, até, 4000mAh, sendo que, neste caso, com menor vida útil do equipamento.
Esta combinação entre o níquel e o manganésio é altamente proveitosa, pois permite apro- veitar os pontos fortes de ambos os materiais. O primeiro é conhecido por possuir um valor elevado de densidade de energia, mas uma baixa estabilidade. O segundo tem uma boa es- trutura química que permite ter uma baixa resistência, mas com baixo valor de densidade de energia.
Este tipo de baterias é mais utilizado em ferramentas, bicicletas e alguns sistemas de trans- missão. Geralmente, utiliza-se a combinação de um quarto para cada componente, sendo que há outras combinações possíveis.
Uma das desvantagens deste tipo de baterias prende-se, essencialmente, pelo elevado preço do cobalto, sendo que os sistemas que recorrem a níquel se caracterizam por apresentarem uma elevada densidade de energia, baixo custo e um ciclo de vida mais elevado, quando comparado com os que recorrem a cobalto. [22]
- Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2)
Este é um tipo de tecnologia que apenas é utilizado para aplicações especiais. Em comerci- alização desde 1999, consegue oferecer uma boa quantidade de energia e tem uma elevada durabilidade. Por outro lado, são equipamentos caros e com pouca estabilidade ao nível da segurança. [22]
Figura 2.23: Características do Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) [22]
- Lithium Titanate (Li4Ti5O12)
São conhecidas baterias com este tipo de componentes desde os anos 80. Geralmente têm uma tensão nominal, por célula de 2,4V, o que permite carregamentos rápidos e uma ele- vada corrente de descarga (cerca de 10 vezes a capacidade nominal). Têm capacidade para aguentar um número maior de ciclos de descarga, sendo uma tecnologia completamente se- gura e com boas características de descarga a baixas temperaturas, sendo capaz de atingir uma capacidade de 80% a -30oC.
Outra característica é a boa estabilidade térmica sob altas temperaturas. Infelizmente, o seu custo é elevado. [22]