Guia prático às baterias de íon-lítio

Baterias

Um grande limite imposto à robótica autônoma, aos automóveis elétricos, aos smartphones, smartwatchs e à tecnologia mobile, de modo geral, é a atrasada tecnologia das baterias.

Enquanto as outras tecnologias presentes nesses dispositivos avançam exponencialmente, parece que a tecnologia das baterias ficou parada em 1970 (década do desenvolvimento das baterias de ion-lítio), e desde lá dá passos de bebê.

Esse artigo, da revista de tecnologia do MIT, entitulado “Porque ainda não temos baterias melhores?“,  culpa o custo enorme do desenvolvimento de novos materiais, químicas e processos de fabricação de novos tipos de bateria, além da falta de investimento, causando a ascensão e queda rápida de várias startups.

Então, se você busca uma bateria pro seu projeto/produto/protótipo, vai ter que se contentar com o estado da arte das baterias.

Características importantes

Tenha em mente que, na escolha da bateria, basicamente temos esses fatores à considerar:

  • Tensão nominal por célula
  • Recarregável ou não
  • Química utilizada
  • Capacidade de carga, expressa em mAh ou Wh: o quanto de corrente uma bateria fornece, até se esgotar, em uma hora.
    • Exemplo: uma bateria de 1000mAh fornece 1A durante uma hora e se esgota. Alternativamente, fornece 0.5A durante 2 horas e assim vai…
  • Energia específica, expressa em Wh/kg ou KJ/kg : resume a quantidade de energia que a bateria pode fornecer, por unidade de massa (muito importante quando o peso é um fator crítico, no caso de drones)
  • Capacidade de corrente (C rate) : qual a corrente máxima que a bateria pode fornecer, normalizada pela sua capacidade
    • Exemplo: Uma bateria com capacidade de 1000mAh e com um C-Rate de 5C, consegue fornecer no máximo 5A de pico, duranto um período bem curto de tempo, sem explodir feito um f*cking botijão de gás
  • Segurança : se alguma m*rda acontecer, qual o nível do estrago? O conteúdo da bateria é inflamável, tóxico, ácido? Explode controladamente ou avacalhadamente?
explosao.gif
Ok se eu furar ela? É de boas?

Baterias de Íon de Lítio (modelo 18650)

Power banks (ou carregadores portáteis): porque demorou tanto pra vender?

Resultado de imagem para power banks
Todos os tamanhos e cores

Quem nunca ficou na mão, com o celular descarregado, precisando ligar pra alguém? Só isso já é motivo suficiente pra comprar um desses carregadores, que prometem n recargas na bateria do seu celular. Os preços variam largamente, mas ouso dizer que todos eles usam baterias 18650 recarregáveis, de íons de lítio (Li-ion):

comparison_batteries.jpg
Comparação de tamanho com baterias comuns
  • Tensão nominal por célula : 3.7V (variando de 3.0 a 4.2 na descarga)
  • Recarregável
  • Íons de lítio com eletrólito líquido (LiNiMnCoO
    2
     ou NMC)

Aliás, esse tipo de bateria (18650) é um item essencial no seu arsenal de prototipagem, elas têm um ótima capacidade de carga  e corrente (a corrente de curto-circuito chega a 2A), boa durabilidade (muitos ciclos de recarga), recarga simples com drivers baratos, razoavelmente segura (esse cara aqui tentou explodir uma e ela resistiu bravamente por alguns minutos) e , o mais importante, ela é fácil de se conseguir:

  • Baterias de notebook usadas têm, pelo menos,  3 ligadas em série, mesmo usadas são ótimas (como vou provar daqui a algumas linhas)

    bateria_notebook_junto.JPG
    Nessa ai são 6 baterias : em paralelo aos pares (3.7V), os 3 pares em série (3*3.7 = 11.1V).
  • Ferramentas elétricas à bateria (furadeiras, parafusadeiras etc)
  • Tesla Model S usado (kkkk boa sorte encontrando um, talvez o Elon Musk tenha alguns)
elon_dance
“Porque o Elon Musk vai te dar”
  • Transportes elétricos, de maneira geral : bicicletas elétricas, skates elétricos, segways etc.
  • Simplesmente comprar uma , com o preço variando de 5 a 80 Temers, a depender do desempenho

Mas vamos ao que interessa: comprei um power bank por 10 reais, com uma promessa chinesa de capacidade igual a 2600mAh.

powerbank_junto.JPG
( ͡° ͜ʖ ͡°) Seems legit ( ͡° ͜ʖ ͡°)

Bora vê se procede?

Medindo capacidade de baterias

Você não sabe o que você não mede“. Falaram Ai

Primeiramente, Fora Temer. Segundamente, eu tenho uma quantidade razoável de 18650s que eu afanei de notebooks descartados, então vou usar uma delas (vou chamar ela de Highlander, devido aos seus quase 8 anos de idade, uma marca impressionante entre suas companheiras baterias 18650) como parâmetro de comparação com esta bateria misteriosa, que veio junto com o power bank da foto acima (que vou chamar de Lixo chinês).

O teste é feito simplesmente descarregando a bateria em um resistor de valor conhecido (10Ω, nesse caso) e coletando a variação da tensão no tempo. Dessa forma, é possível calcular a capacidade em mAh:

, onde :

  • I(t) é a corrente fornecida pela bateria, em função do tempo
  • V(t) é a tensão na bateria, em função do tempo
  • R é o valor da resistência de descarga. É importante que ele varie pouco com a temperatura, pois na descarga ele vai esquentar bastante. Então, use um resistor adequado
  •  é o tempo final, no qual o teste se encerra (numa bateria de lítio, o ideal é interromper a descarga antes que a tensão caia abaixo de 3.4, pra evitar sobre-descarga)

Mas como o mundo não é perfeito e os hardwares são limitados, eu nunca terei V(t), primeiro porque isso significaria amostrar infinitos pontos e segundo porque , ainda assim, não seria uma forma analítica (uma função matemática). Na realidade, o que se têm é um vetor V(k) de pontos amostrados a cada ΔT (intervalo de tempo). Logo, a função é discreta e a integral deve ser efetuada numericamente. Considerando que a função discreta a ser integrada é:

Isso nos dá algumas opções, considerando métodos de integração numérica:

  • A mais simples: Integração por Newton-Cotes aberto, regra retangular

  • Integração por Newton-Cotes fechado, regra dos trapézios
Os somatórios acima são, respectivamente, a soma dos pontos ‘impares’ e a soma dos pontos ‘pares’

  • Integração por Newton-Cotes fechado, regra de Simpson

  • Formas de Newton-Cotes de maior ordem (maior ordem matemática e cabulosidade)

Mas e ai, como conseguir V(k)? Eu podia medir com um multímetro, a cada 10 minutos, a tensão na bateria e computar a integral, mas isso exigiria dedicação exclusiva por horas. Então é melhor usar um escravo :

digi1
Escravo utilizado. Ele não liga.

E isso virou meu projeto chamado TinyTester (um monitor/testador de baterias de íon-lítio de baixo custo), que tá no meu GitHub, ainda em desenvolvimento.

digi2.jpeg
Basta ligar a bateria em uma entrada analógica e voilá. O display mostra a tensão, o valor ADC memorizado, a posição na memória EEPROM e seu espaço utilizado.

No fim das contas

Dessa forma, consegui os seguintes dados de tensão (V(k)) para cada bateria:

Voltage_Comparison.jpg
Tensão (V) vs Tempo (horas)

Ambas as curvas são bem comportadas, com pequenas curvaturas (semelhantes a polinômios de baixa ordem), então o método dos trapézios terá uma boa relação custo-precisão. Mas então, quais são os resultados?

drum.gif
Trummmmmmmmmm
Ok, dá pra carregar 75% da bateria do meu celular
Lamentável

Vale ressaltar que eu não levei Highlander até o limite, parando a descarga em 3.6 V (não quero forçar a coitada), então ela possivelmente chega à casa dos 2000mAh.

heman.jpg
Today we’ve learned that we can not trust Chinese promises

Referências

  • MATLAB Documentation
  • Integração numérica – Wikipédia
  • Santos, José Dias ; Silva, Zanoni Carvalho. Métodos Numéricos. Editora Universitária UFPE, 3ºEd.
    • Obs: Esse livro é tão didático e simples que parece da Novatec
  • Nesse projeto usei:
    • 1 Digispark
    • 1 Display OLED 0.96″
    • 1 Resistor de 10ohms
    • Uma shield caseira, feita com PCI pré-furada

2 comentários em “Guia prático às baterias de íon-lítio”

  1. Adorei o post! Eu estava mesmo discutindo o estado da arte das baterias com uma amiga da quimica outro dia. Os limites de tamanho e qualidade de alguns dispositivos de hoje tem se dado por conta do estado da arte das baterias, especialmente no que diz respeito a carros elétricos e smartphones. Mas é bom ver que pra contornar isso, temos muita pesquisa em eficiencia energética tanto em termos de hardware quanto de software, então essas limitações das baterias tem forçado um melhor aproveitamento de recursos.
    Parabéns e obrigado pelo excelente trabalho! =D

    Curtido por 1 pessoa

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