Guia Essencial de Tipos de Baterias para Projetos Eletrônicos

Todos os dispositivos eletrônicos requerem uma fonte de energia para funcionar. Incidentalmente, as baterias são a fonte de energia mais comum no mundo moderno. Isso porque elas tornam possível a fabricação de dispositivos portáteis.

Pode-se dizer que toda a indústria eletrônica depende de baterias. No entanto, se você é um engenheiro eletrônico iniciante, provavelmente está tentando avaliar o melhor tipo de baterias para seu próximo projeto eletrônico. O guia a seguir cobrirá todos os diferentes tipos de baterias, o que as torna únicas e seus usos.

O que é uma Bateria?

Baterias são dispositivos de armazenamento de energia. Tradicionalmente, usamos baterias para alimentar pequenos dispositivos eletrônicos como lanternas. No entanto, hoje você pode encontrar baterias em qualquer dispositivo que exija uma fonte de energia portátil para funcionar.

Como seus casos de uso e propósitos podem variar, as baterias vêm em todas as formas e tamanhos. Por exemplo, não podemos esperar usar baterias AAA para alimentar um carro de forma otimizada. Assim, carros requerem uma bateria recarregável de tamanho especial para funcionar corretamente.

Como as Baterias Funcionam?

Baterias armazenam energia elétrica como energia química. Quando carregamos uma bateria (recarregável), ela converte a energia elétrica e a mantém como energia química. Quando usamos a bateria, ocorre uma reação química, e a bateria libera sua carga como eletricidade.

Por exemplo, a lâmpada no circuito simples acima requer um mar de elétrons fluindo através dela para funcionar. Consequentemente, a bateria fornece a força de empurrar necessária para impulsionar os elétrons através da lâmpada. Precisamos conectar a luz aos terminais positivo e negativo da bateria para completar o circuito. Se houver carga suficiente na bateria, a lâmpada iluminará.

No entanto, é importante lembrar que a bateria só pode empurrar os elétrons através do circuito por um tempo limitado. Essencialmente, este limite de tempo depende da quantidade de energia armazenada (carga) e da demanda pela carga. Em nosso exemplo, a lâmpada é nossa carga, e a carga refere-se à energia necessária para funcionar. Assim, a carga é qualquer componente que requer eletricidade para funcionar. Em relação a PCBs, esses componentes podem ser diodos, microchips (circuitos integrados), etc.

Diferença entre uma Célula e Bateria

Uma célula elétrica é um componente de unidade única que funciona fundamentalmente da mesma forma que uma bateria — convertendo energia química em eletricidade. Uma bateria é um grupo ou coleção de células. No entanto, a forma mais popular de uma célula elétrica é a célula de botão. As pessoas também se referem a ela como bateria de moeda. Esta ação não é necessariamente incorreta. Uma única célula pode estar em um grupo que compõe uma bateria.

Tipos de Baterias

As baterias se dividem em duas categorias principais:

• Baterias Primárias: Baterias descartáveis que não podemos recarregar. Como tal, às vezes as pessoas se referem a elas como baterias de uso único ou descartáveis. A maior vantagem dessas baterias é que elas podem produzir corrente imediatamente após a montagem. Frequentemente as usamos em dispositivos portáteis com baixo consumo de corrente ou uso intermitente.
• Baterias Secundárias: Frequentemente nos referimos a essas baterias como baterias recarregáveis. Fabricantes tipicamente as montam com os materiais ativos no estado descarregado. Usuários podem então recarregá-las aplicando uma corrente elétrica. Incidentalmente, o carregamento reverte as reações químicas que ocorrem durante seu uso. Realizamos o carregamento usando dispositivos que nos referimos como carregadores. Recarregar e descarregar pode ocorrer múltiplas vezes dependendo do tipo de bateria (material).

Tipos de Baterias Primárias:

• Bateria Zinco-Carbono

Baterias zinco-carbono são as baterias primárias domésticas de menor custo. Elas dispersam corrente usando uma reação química entre zinco e dióxido de manganês ácido. No entanto, a maior desvantagem das baterias zinco-carbono é sua baixa potência de saída. No entanto, isso também resulta em uma baixa taxa de autodescarga, o que lhes proporciona uma vida útil excepcional. Baterias zinco-carbono são mais adequadas para relógios e controles remotos.

• Bateria Alcalina

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Baterias alcalinas não recarregáveis são os tipos de baterias primárias domésticas mais usadas. Elas usam uma reação eletroquímica entre metal de zinco e dióxido de manganês para armazenar e dispersar cargas. Incidentalmente, sua popularidade atual deriva de sua alta potência por uso. Pelo menos comparado a baterias zinco-carbono (e a maioria das baterias secundárias). Além disso, tendem a ter vidas úteis superiores.

Bateria de Lítio (ou baterias de metal de lítio)

Baterias primárias de lítio usam material de lítio metálico como ânodo. Incidentalmente, elas superam baterias zinco-carbono e alcalinas em potência por uso devido à sua alta densidade de carga. Além disso, baterias e células de metal de lítio têm vidas úteis incríveis.

Podem durar bem além de uma década e podem funcionar sob baixas temperaturas. No entanto, baterias de lítio não são tão populares ou prontamente disponíveis como zinco-carbono e alcalinas devido aos seus altos custos de produção.

No entanto, baterias e células de metal de lítio podem produzir tensões entre 1.5V e 3.7V. Como tal, fabricantes tipicamente as embalam em fatores de forma menores.

Baterias de lítio de tamanho maior têm maior risco de instabilidade, mas ainda podemos usá-las em aplicações militares.

Bateria de Óxido de Prata

Baterias de óxido de prata são prevalentes no Japão, mas não tanto no resto do mundo. Elas usam óxido de prata para seus cátodos e zinco para seus ânodos. Embora tenham alta densidade de energia, são bastante caras. Podemos atribuir isso ao material do cátodo (prata) necessário para fabricá-las. A prata é um metal precioso. Assim, principalmente as usamos em designs de bateria de moeda onde a quantidade de prata necessária é pequena.

Bateria Zinco-Ar

Muitas pessoas consideram baterias zinco-ar como alternativas aceitáveis às baterias de óxido de prata. Elas usam oxigênio do ar circundante como cátodo enquanto abrigam o ânodo dentro da célula elétrica. Devido à sua alta densidade de energia, são mais adequadas para dispositivos médicos como aparelhos auditivos e marcapassos. Incidentalmente, podemos atribuir suas longas vidas úteis à sua composição e estrutura.

Bateria de Mercúrio

Bateria de mercúrio (também conhecida como bateria/célula de óxido de mercúrio ou Ruben-Mallory) é uma bateria não recarregável que usa uma reação eletroquímica entre eletrodos de óxido de mercúrio e zinco em um eletrólito alcalino. Elas têm capacidade maior que baterias zinco-carbono e fornecem saída estável e confiável.

Tipicamente, baterias de mercúrio geralmente vêm na forma de baterias de moeda. Eram populares durante a 2ª Guerra Mundial. No entanto, é quase impossível encontrá-las hoje. No entanto, devido à toxicidade do mercúrio para o meio ambiente e saúde humana, muitos países proibiram suas vendas.

Tipos de Baterias Secundárias:

• Bateria Alcalina Recarregável

A versão recarregável de baterias alcalinas é a bateria recarregável mais acessível. Além disso, têm longa vida útil. São úteis para aplicações de potência moderada. Apesar de seu curto ciclo de vida (comparado a outras baterias secundárias), ainda são populares. Como não usam materiais tóxicos, usuários podem descartá-las com segurança em aterros regulares — desde que regulamentos locais permitam.

Níquel-Cádmio

Baterias recarregáveis de níquel-cádmio (Ni-Cd) são bem quistas por sua robustez e confiabilidade. Têm faixa de temperatura de operação variada e longa vida útil. Além disso, e mais importante, têm alta capacidade de potência. No entanto, tendem a ter baixo tempo de execução por carga. Outra desvantagem é sua taxa de autodescarga geralmente alta (30% por mês). Mas isso não é um grande problema, considerando que são recarregáveis.

No entanto, outra característica indesejável do Níquel-Cádmio está em sua composição. Aproximadamente 15% da maioria das baterias Ni-Cd consistem de cádmio tóxico e cancerígeno. Assim, consumidores e fabricantes não podem descartá-las em aterros. Devemos reciclá-las cuidadosamente.

Níquel-Hidreto Metálico

Baterias recarregáveis de níquel-hidreto metálico (NiMH) são uma iteração aprimorada das antigas baterias de níquel-cádmio. Elas fornecem a mesma tensão mas oferecem até 30% mais capacidade. Além disso, têm excelentes capacidades de alta corrente e longos ciclos de vida.

Baterias de níquel-hidreto metálico podem descarregar até 40% de sua carga a cada mês. No entanto, a taxa de autodescarga de baterias níquel-hidreto metálico é desapontadoramente maior que baterias de níquel-cádmio. No entanto, baterias níquel-hidreto metálico ainda são superiores às de níquel-cádmio porque não contêm cádmio tóxico.

Não obstante, ainda contêm grandes quantidades de óxidos de níquel e traços de cobalto. Estes podem ser cancerígenos para organismos mamíferos. Portanto, você deve reciclar baterias de níquel-hidreto metálico cuidadosamente.

Bateria de Íon-Lítio

Baterias recarregáveis de íon-lítio (Li-ion) são o tipo mais novo de bateria secundária. Geralmente, são 30% mais leves que níquel-hidreto metálico. Além disso, fornecem pelo menos um terço a mais de capacidade de potência que baterias de níquel-cádmio.

Baterias de íon-lítio têm excelentes capacidades de alta corrente. Além disso, têm longos ciclos de vida. Ademais, têm taxa de autodescarga de 20% por mês. Assim, podemos concluir que baterias de íon-lítio são superiores às baseadas em cádmio em quase todos os aspectos. No entanto, não são tão robustas. Por exemplo, baterias de íon-lítio são suscetíveis a superaquecimento, o que pode causar incêndios.

Além disso, embora sejam livres de cádmio tóxico, a maioria das baterias de íon-lítio ainda contém traços de óxidos de cobalto e óxidos de níquel. Novamente, esses químicos são cancerígenos e destrutivos à saúde humana. Assim, você deve descartar e reciclar baterias de íon-lítio cuidadosamente.

Bateria Chumbo-Ácido

Baterias chumbo-ácido são os tipos de baterias recarregáveis mais procurados no mundo. Isso é principalmente devido à sua confiabilidade e viabilidade financeira de sua produção. No entanto, não são muito portáteis porque tendem a ser volumosas, pesadas e sobredimensionadas. Além disso, o chumbo é um composto químico cancerígeno altamente tóxico.

Portanto, não devemos descartar baterias chumbo-ácido em aterros regulares e locais de resíduos. Fabricantes reciclam e reutilizam baterias chumbo-ácido velhas, mortas e danificadas para produzir novas baterias chumbo-ácido.

Por que Nem Todos os Tipos de Baterias são Recarregáveis?

Quando recarregamos uma bateria secundária, não só forçamos elétrons de volta à bateria, mas revertemos os materiais químicos dentro dela ao seu estado inicial carregado. Quando fabricantes criam baterias primárias, montam os materiais em um estado carregado. Usar a carga em uma bateria primária reconfigura permanentemente os materiais dentro dela. Após o processo de reconfiguração, não pode manter outra carga.

Por outro lado, baterias secundárias ativam uma reação química para liberar carga e retornam ao seu status original através de recarregamento. Claro, elas têm que usar certos materiais e químicos compatíveis com essas mudanças.

Aplicações de Baterias

Algumas das aplicações mais comuns para baterias incluem:

• Alarmes
• Circuitos de comunicação
• Relógios
• Controles remotos
• Marcapassos
• Aparelhos auditivos
• Fones de ouvido sem fio
• Veículos motorizados
• Periféricos de computador sem fio (teclados e mouses)
• Dispositivos de jogos portáteis (Game boys)
• Smartwatches

Como Escolher uma Bateria?

Agora que você está familiarizado com todos os tipos de baterias disponíveis, precisa decidir qual é melhor para seu projeto. Quando as pessoas selecionam baterias, tendem a equilibrar custo e desempenho. No entanto, existem outras especificações que você deve considerar. Estas incluem:

• Tipo de bateria: Primária (não recarregável) ou secundária (recarregável)
• Capacidade: A quantidade de energia/eletricidade que uma carga pode descarregar de uma bateria. Geralmente denotamos isso usando amp-hr. Por exemplo, uma bateria de 500mAh pode descarregar um miliampere por hora.
• Vida útil: A quantidade de tempo que uma bateria pode manter sua carga enquanto está sem uso.
• Temperatura de operação da bateria: Representa o quão quente uma bateria fica enquanto você a está usando ou recarregando. Consequentemente, esta especificação ajudará você a determinar se precisa de um dissipador de calor ou cooler para sua bateria.
• Taxa de recarga: Descreve quão rapidamente uma bateria recarregável pode recarregar.
• Vida da bateria: Descreve o número de vezes que podemos recarregar e descarregar uma bateria secundária. Alternativamente, podemos usá-la para denotar por quanto tempo podemos usar uma bateria primária.

Conclusão

Não existem soluções únicas de bateria no mercado para todos os dispositivos portáteis operados por bateria. Como dispositivos eletrônicos vêm em todas as formas, tamanhos e robustez, eles requerem uma fonte de energia mais adequada para seus requisitos de espaço e carga. Assim, uma variedade de baterias existe com suas vantagens e desvantagens. O guia acima destacou isso exibindo todos os tipos de baterias atualmente disponíveis. Lembre-se de descartar e reciclar baterias usadas com cuidado. No entanto, esperamos que você tenha achado este guia útil. Como sempre, obrigado por ler.