Como preparar as pilhas

Em muitos aspectos, uma bateria comporta-se como um ser humano. Sente a gentileza que lhe é dada e retribui os cuidados prestados. É como se a pilha tivesse sentimentos e retribuísse a benevolência concedida. Mas há excepções, como qualquer pai ou mãe que crie uma família sabe; e a generosidade conferida pode nem sempre ter o retorno esperado.

Para se tornar um bom guardião, é necessário compreender as necessidades básicas de uma bateria, uma matéria que não é ensinada na escola. Esta secção ensina o que fazer quando a pilha é nova, como alimentá-la com a "comida" certa e o que fazer quando se coloca a pilha de lado durante algum tempo. O capítulo 7 também aborda as restrições quando se viaja com pilhas por via aérea e como eliminá-las quando a sua vida útil termina.

Tal como a esperança de vida de uma pessoa não pode ser prevista à nascença, também não podemos datar uma bateria. Algumas baterias vivem até uma idade avançada, enquanto outras morrem jovens. O carregamento incorreto, as cargas de descarga severas e a exposição ao calor são os piores inimigos da bateria. Embora existam formas de proteger uma bateria, a situação ideal nem sempre é possível. Este capítulo aborda a forma de tirar o máximo partido das nossas baterias.

Preparação de uma bateria nova
Nem todas as baterias recarregáveis fornecem a capacidade nominal quando são novas e requerem formatação. Embora isto se aplique à maioria dos sistemas de baterias, os fabricantes de baterias de iões de lítio discordam. Dizem que o ião de lítio está pronto à nascença e não precisa de ser preparado. Embora isto possa ser verdade, os utilizadores relataram alguns ganhos de capacidade ao fazer um ciclo após um longo período de armazenamento.

"Qual é a diferença entre formatar e escorvar?", perguntam as pessoas. Ambas abordam capacidades que não estão optimizadas e que podem ser melhoradas com o ciclo. A formatação completa o processo de fabrico que ocorre naturalmente durante a utilização, quando a bateria está a ser submetida a ciclos. Um exemplo típico são as baterias à base de chumbo e níquel que melhoram com o uso até estarem totalmente formatadas. A preparação, por outro lado, é um ciclo de condicionamento que é aplicado como um serviço para melhorar o desempenho da bateria durante a utilização ou após armazenamento prolongado. O priming refere-se principalmente a baterias à base de níquel.

Chumbo-ácido
A formatação de uma bateria de chumbo-ácido ocorre através da aplicação de uma carga, seguida de uma descarga e recarga. Isto é feito na fábrica e é completado no terreno como parte da utilização regular. Os especialistas aconselham a não sobrecarregar uma bateria nova, dando-lhe descargas pesadas no início, mas trabalhando-a gradualmente com descargas moderadas, como um atleta treina para levantar pesos ou correr longas distâncias. No entanto, isto pode não ser possível com uma bateria de arranque de um veículo e outras utilizações. Normalmente, o chumbo-ácido atinge o potencial de capacidade total após 50 a 100 ciclos. A Figura 1 ilustra o tempo de vida útil do chumbo-ácido.

Tempo de vida do ácido-chumbo

Figura 1: Tempo de vida do ácido de chumbo
Uma bateria de chumbo-ácido nova pode não estar totalmente formatada e só atinge o seu desempenho total após 50 ou mais ciclos. A formatação ocorre durante a utilização; não se recomenda a realização de ciclos deliberados, uma vez que tal desgastaria desnecessariamente a bateria.

As baterias de ciclo profundo atingem cerca de 85% quando são novas e aumentam para 100%, ou perto da capacidade total, quando estão totalmente formatadas. Existem alguns casos anómalos que chegam a atingir 65% quando testados com um analisador de baterias. A questão que se coloca é: "Será que estas baterias de baixo desempenho irão recuperar e fazer frente às suas irmãs mais fortes quando formatadas?" Um perito em baterias experiente afirmou que "estas baterias irão melhorar um pouco, mas são as primeiras a falhar".

A função de uma bateria de arranque consiste em fornecer correntes de carga elevadas para fazer arrancar o motor, e este atributo está presente desde o início, sem necessidade de formatar e preparar. Para surpresa de muitos automobilistas, a capacidade de uma bateria de arranque pode diminuir até 30 por cento e continuar a pôr o motor a funcionar; no entanto, uma queda adicional pode deixar o condutor encalhado numa manhã. Ver também BU-904: Como medir a capacidade)

À base de níquel
Os fabricantes aconselham a carga lenta de uma bateria de níquel durante 16-24 horas quando nova e após um longo período de armazenamento. Isto permite que as células se ajustem umas às outras e que atinjam um nível de carga igual. Uma carga lenta também ajuda a redistribuir o eletrólito para eliminar pontos secos no separador que possam ter-se desenvolvido por gravitação.

As baterias à base de níquel nem sempre estão totalmente formatadas quando saem da fábrica. A aplicação de vários ciclos de carga/descarga através da utilização normal ou com um analisador de baterias completa o processo de formatação. O número de ciclos necessários para atingir a capacidade total varia consoante os fabricantes de pilhas. As células de qualidade cumprem as especificações após 5-7 ciclos, enquanto as alternativas de menor custo podem necessitar de 50 ou mais ciclos para atingir níveis de capacidade aceitáveis.

A falta de formatação causa um problema quando o utilizador espera que uma bateria nova funcione na sua capacidade máxima logo à saída da caixa. As organizações que utilizam baterias para aplicações de missão crítica devem verificar o desempenho através de um ciclo de descarga/carga como parte do controlo de qualidade. O programa "prime" dos analisadores automáticos de baterias (Cadex) aplica tantos ciclos quantos os necessários para atingir a capacidade total.

O ciclismo também restaura a capacidade perdida quando uma bateria à base de níquel foi armazenada durante alguns meses. O tempo de armazenamento, o estado de carga e a temperatura em que a bateria é armazenada determinam a facilidade de recuperação. Quanto mais longo for o armazenamento e mais quente for a temperatura, mais ciclos serão necessários para recuperar a capacidade total. Os analisadores de baterias ajudam nas funções de preparação e asseguram que a capacidade desejada foi atingida.

Iões de lítio
Alguns utilizadores de baterias insistem que se desenvolve uma camada de passivação no cátodo de uma célula de iões de lítio após o armazenamento. Também conhecida como película protetora interfacial (IPF), diz-se que esta camada restringe o fluxo de iões, provoca um aumento da resistência interna e, no pior dos casos, leva à formação de placas de lítio. Sabe-se que o carregamento e, mais eficazmente, o ciclo, dissolvem a camada e alguns utilizadores de baterias afirmam ter ganho tempo de funcionamento extra após o segundo ou terceiro ciclo num smartphone, embora em pequena quantidade.

Os cientistas não compreendem totalmente a natureza desta camada, e os poucos recursos publicados sobre este assunto apenas especulam que a restauração do desempenho com o ciclo está ligada à remoção da camada de passivação. Alguns cientistas negam abertamente a existência da IPF, afirmando que a ideia é altamente especulativa e inconsistente com os estudos existentes. Qualquer que seja o resultado da passivação do ião de lítio, não há paralelo com o efeito de "memória" das baterias de NiCd que requerem ciclos periódicos para evitar a perda de capacidade. Os sintomas podem parecer semelhantes, mas a mecânica é diferente. O efeito também não pode ser comparado com a sulfatação das baterias de chumbo-ácido.

Uma camada bem conhecida que se acumula no ânodo é a interface eletrólito sólido/eletrólito sólido (SEI). A SEI é um isolamento elétrico, mas tem condutividade iónica suficiente para permitir que a bateria funcione normalmente. Embora a camada SEI diminua a capacidade, também protege a bateria. Sem o SEI, o ião de lítio pode não ter a longevidade que tem. (Ver BU-307: Como funciona o eletrólito?)

A camada SEI desenvolve-se como parte de um processo de formação e os fabricantes têm o maior cuidado em fazê-lo corretamente, uma vez que um trabalho em lote pode causar uma perda permanente de capacidade e um aumento da resistência interna. O processo inclui vários ciclos, cargas flutuantes a temperaturas elevadas e períodos de repouso que podem levar muitas semanas a concluir. Este período de formação também proporciona um controlo de qualidade e ajuda na correspondência das células, bem como na observação da auto-descarga através da medição da tensão da célula após um período de repouso. Uma auto-descarga elevada indica que a impureza faz parte de um potencial defeito de fabrico.

A oxidação do eletrólito (EO) também ocorre no cátodo. Isto causa uma perda permanente de capacidade e aumenta a resistência interna. Não existe solução para remover a camada uma vez formada, mas os aditivos do eletrólito atenuam o impacto. Manter o ião de lítio a uma tensão superior a 4,10 V/célula a uma temperatura elevada promove a oxidação do eletrólito. A observação no terreno mostra que a combinação de calor e alta tensão pode desgastar mais o ião de lítio do que os ciclos de funcionamento rigorosos.

O ião de lítio é um sistema muito limpo que não necessita de preparação adicional depois de sair da fábrica, nem requer o nível de manutenção das baterias à base de níquel. A formatação adicional faz pouca diferença porque a capacidade máxima está disponível desde o início (a exceção pode ser um pequeno ganho de capacidade após um longo período de armazenamento). Uma descarga completa não melhora a capacidade depois de a pilha se ter esgotado - uma capacidade baixa assinala o fim da vida útil. Uma descarga/carga pode calibrar uma bateria "inteligente", mas isso pouco faz para melhorar a bateria química. (Ver BU-601: Funcionamento interno de uma pilha inteligente.) As instruções que recomendam o carregamento de um ião de lítio novo durante 8 horas são consideradas "antiquadas", um resquício dos velhos tempos das pilhas de níquel.

Lítio não recarregável
As baterias de lítio primárias, como as de cloreto de lítio-tiónico (LTC), beneficiam da passivação no armazenamento. A passivação é uma camada fina que se forma como parte de uma reação entre o eletrólito, o ânodo de lítio e o cátodo à base de carbono. (Note-se que o ânodo de uma bateria primária de lítio é lítio e o cátodo é grafite, o inverso do ião de lítio).

Sem esta camada, a maioria das baterias de lítio não poderia funcionar porque o lítio causaria uma rápida auto-descarga e degradaria a bateria rapidamente. Os cientistas das baterias afirmam mesmo que a bateria explodiria sem a formação de camadas de cloreto de lítio e que a camada de passivação é responsável pela existência da bateria e pela sua capacidade de armazenamento durante 10 anos.

A temperatura e o estado de carga promovem a formação da camada de passivação. Um LTC totalmente carregado é mais difícil de despassivar após um longo período de armazenamento do que um LTC que tenha sido mantido com uma carga baixa. Embora o LTC deva ser armazenado a temperaturas frias, a despassivação funciona melhor a quente, uma vez que o aumento da condutividade térmica e da mobilidade dos iões ajuda no processo.

CUIDADO Não aplique tensão física ou calor excessivo à bateria. As explosões devidas a um manuseamento descuidado causaram ferimentos graves a trabalhadores...
A camada de passivação provoca um atraso na tensão quando se aplica pela primeira vez uma carga à bateria, e a Figura 2 ilustra a queda e a recuperação com baterias afectadas por diferentes níveis de passivação. A bateria A demonstra uma queda de tensão mínima, enquanto a bateria C precisa de tempo para recuperar.

Figura 2: Comportamento da tensão quando se aplica uma carga a uma bateria passivada [1]
A bateria A tem uma passivação ligeira, a B demora mais tempo a restaurar e a C é a mais afetada.
O LTC em dispositivos que consomem muito pouca corrente, como um sensor para portagens ou contadores, pode desenvolver uma camada de passivação que pode levar a um mau funcionamento, e o calor promove esse crescimento. Isto pode muitas vezes ser resolvido através da adição de um grande condensador em paralelo com a bateria. A bateria que desenvolveu uma resistência interna elevada ainda é capaz de carregar o condensador para fornecer os impulsos altos ocasionais; o tempo de espera entre eles é dedicado a recarregar o condensador.

Para ajudar na prevenção da sulfatação durante o armazenamento, algumas baterias de lítio são enviadas com um resistor de 36kΩ para servir como uma carga parasita. A baixa corrente de descarga constante evita que a camada fique muito espessa, mas isso reduzirá o tempo de armazenamento. Após 2 anos de armazenamento com a resistência de 36kΩ, diz-se que as pilhas ainda têm 90 por cento de capacidade. Outra solução é ligar um dispositivo que aplique impulsos de descarga periódicos durante o armazenamento.

Nem todas as baterias primárias de lítio recuperam quando instaladas num dispositivo e quando é aplicada uma carga. A corrente pode ser demasiado baixa para inverter a passivação. Também é possível que o equipamento rejeite uma bateria passivada como estando em baixo estado de carga ou defeituosa. Muitas destas baterias podem ser preparadas com um analisador de baterias (Cadex), aplicando uma carga controlada. O analisador verifica então o funcionamento correto antes de colocar a bateria no terreno.

A corrente de descarga necessária para a despassivação é uma taxa C de 1C a 3C (1 a 3 vezes a capacidade nominal). A tensão da célula deve recuperar para 3,2V aquando da aplicação da carga; o tempo de serviço é normalmente de 20 segundos. O processo pode ser repetido, mas não deve demorar mais de 5 minutos. Com uma carga de 1C, a tensão de uma pilha que funcione corretamente deve manter-se acima de 3,0V. Uma queda para menos de 2,7V significa fim de vida útil. (Ver BU-106: Pilhas primárias)

Estas baterias de lítio-metal têm um elevado teor de lítio e têm de cumprir requisitos de transporte mais rigorosos do que as baterias de iões de lítio com o mesmo Ah. (Ver BU-704a: Transporte aéreo de baterias de lítio) Devido à elevada energia específica, é necessário ter especial cuidado no manuseamento destas células.