Elementos químicos e circuitos eletrônicos formam a combinação necessária para que elas possam alimentar seus aparelhos por muito tempo
As baterias em seus dispositivos móveis são verdadeiros milagres da engenharia química. Mas você já se perguntou como elas funcionam?
A maioria dos aparelhos modernos usa baterias de íons de lítio (também chamadas de Li-ion ou Lítio-ion), que consistem em duas partes: um par de eletrodos e um eletrólito entre eles. Os materiais dos quais os eletrodos são feitos variam (como lítio ou grafite), mas todas elas são baseadas nas características químicas do lítio.
Ele é um metal reativo, o que significa que tem a tendência a se combinar com outros elementos. Lítio puro é tão reativo que pode pegar fogo se exposto ao ar, então a maioria das baterias usa uma opção mais segura chamada de óxido de lítio e cobalto. Entre os eletrodos da bateria está o eletrólito, que geralmente é um solvente orgânico líquido que permite que os elétrons fluam entre eles. Quando a bateria é carregada o óxido de lítio e cobalto captura e armazena os elétrons, que são liberados durante a descarga da bateria, quando o seu aparelho está em uso.
Várias baterias de íons de lítio, usadas em smartphones
A tecnologia de íons de lítio é a forma mais comum de bateria porque pode armazenar a maior quantidade de energia no menor espaço. A medida disso é a Densidade de Energia, que indica quanta energia, em Watts-Hora, um kilograma de material consegue armazenar. Numa bateria de Li-íon o número pode variar entre 150 a 250 Watts-Hora por Kg, enquanto numa bateria de Níquel Metal Hidreto (NiMH) a densidade é de 100 Watts-Hora. Em outras palavras, as baterias de Li-íon são menores e mais leves que as de outros tipos, o que significa que os aparelhos podem ser menores e ter melhor autonomia.
Toda essa química significa uma coisa: a bateria de seu aparelho está armazenando energia, e os elementos químicos dentro dela estão ansiosos para liberar esta energia de qualquer forma possível. E isso pode ser um grande problema, como a Boeing descobriu recentemente quando as baterias de um 787 Dreamliner pegaram fogo enquanto o avião estava estacionado.
Este é um dos problemas da tecnologia Lítio-íon: se as baterias são descarregadas demais a reação se desequilibra e cria um excesso de óxido de lítio, que se incendeia e cria mais óxido de lítio, e por aí vai. É o que os químicos chamam de Thermal Runaway (uma reação descontrolada que gera calor, que por sua vez alimenta ainda mais a própria reação), e o que os leigos chamam de “FOGO!”.
Isso é o que acontece a uma bateria de lítio quando perfurada
Outro perigo é caso as baterias sejam perfuradas, já que o lítio reage com o ar e pega fogo. É por isso que a FAA, entidade responsável pelo setor de aviação civil nos EUA, recomenda que os passageiros embalem cuidadosamente as baterias de lítio e as transportem na bagagem de mão, e nunca em malas despachadas no compartimento de carga.
Medindo a capacidade de uma bateria
A capacidade de uma bateria é medida em Miliamperes-Hora (ou mAh), que indica quanto de energia uma bateria pode fornecer ao longo do tempo. Por exemplo, se uma bateria tem capacidade de 1.000 mAh, significa que pode fornecer uma corrente de 1.000 miliamperes por uma hora. Se seu aparelho precisa só de 500 miliampéres, então a bateria deve durar duas horas.
Mas o cálculo da autonomia de um dispositivo é mais complicado do que isso, já que a quantidade de energia necessária varia de acordo com o uso. Se a tela do aparelho está ligada, o rádio está transmitindo e o processador está trabalhando a todo vapor, o consumo será muito maior do que se a tela estiver desligada e o rádio e processador estiverem ociosos.
É por isso que você deve ter cautela com as estimativas de autonomia de bateria. Os fabricantes podem aumentá-la artificalmente diminuindo o brilho da tela, ou desligando certos recursos e componentes. Assim o produto parece mais atraente, mas o usuário irá se desapontar ao conseguir um autonomia muito menor no dia-a-dia.
Se você está curioso pode instalar em seu smartphone, por exemplo, um app que monitore o consumo de energia e status da bateria do aparelho. No Android recomendamos o Battery Monitor Widget, e no iOS uma boa opção é o Battery Life Pro.
Mantendo a energia sob controle
Por causa de sua tendência a se incendiar, baterias de íons de lítio tem de ser constantemente monitoradas. Os fabricantes fazem isso integrando a elas um controlador de carga que gerencia o fluxo da eletricidade. Ou seja, cada bateria tem dentro dela um pequeno computador que impede que ela seja descarregada rápido demais, ou a um nível baixo demais. O componente também regula o fluxo de energia para a bateria durante a recarga, reduzindo-o à medida em que a bateria chega próxima à carga máxima para impedir uma sobrecarga.
Um circuito controlador de carga. Os embutidos dentro das baterias de lítion são bem menores
(crédito: BatteryJunction.com)
Para ilustrar como o processo funciona, carregamos a bateria de um Samsung Galaxy Note e medimos o fluxo de energia para o dispositivo, comparado à percentagem de carga da bateria relatada por ele. Como você pode ver no gráfico abaixo, o fluxo de energia para a bateria é mais intenso quando ela está mais vazia, e vai diminuindo à medida em que ela atinge a capacidade máxima. As últimas etapas do processo levam mais tempo, já que o controlador reduz o fluxo a um mínimo para que a bateria não seja sobrecarregada.
O futuro das baterias
A tecnologia das baterias está sempre sendo aprimorada, com laboratórios ao redor do mundo procurando por novos materiais para substituir o lítio ou novos métodos para construir baterias com os materiais atuais. Entre as novas tecnologias estão os supercapacitores, que podem ser recarregados muito mais rapidamente, mas liberam toda a energia armazenada de uma vez só, o que é o oposto do que é necessário na maioria dos dispostivos móveis.
Células de combustível que usam hidrogênio para gerar energia também deverão estar disponíveis em breve. O sistema Nectar, anunciado durante a CES 2013 em janeiro, usa um cartucho que US$ 10 para gerar energia suficiente para alimentar um celular por até duas semanas. Entretanto as células de combustível ainda não são pequenas o suficiente para caber dentro de um smartphone. O Nectar recarrega a bateria de lítio do aparelho, em vez de substituí-la.
Célula de combustível da Nectar produz energia elétrica a partir do hidrogênio
Eventualmente o enxofre pode se juntar às baterias. Cientistas da universidade de stanford demonstraram recentemente uma bateria que usa nanotecnologia para adicionar enxofre à mistura de elementos químicos, o que aumentou a densidade de energia em cinco vezes e também ampliou a vida útil da bateria. Entretanto, esta tecnologia ainda levará alguns anos para chegar ao mercado.
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