Baterias: Li-ion e células de combustível

As baterias Li-ion são o padrão atual. Elas são de longe mais complexas e temperamentais que as Ni-Cad e Ni-MH usandos antigamente, mas, em compensação, possuem uma densidade energética de duas a três vezes maior que as baterias Ni-MH (considerando duas baterias do mesmo peso), variando de acordo com a técnica de fabricação utilizada. Outra vantagem é que elas não possuem efeito memória. Pelo contrário, descarregar a bateria completamente antes de carregar acaba servindo apenas para desperdiçar um ciclo de carga/descarga, tendo um efeito oposto do esperado.

As baterias Li-Ion são uma tecnologia relativamente recente. Os primeiros testes foram feitos na década de 70, utilizando o lítio na forma de metal, com resultados quase sempre catastróficos. O lítio é um material muito instável e por isso as baterias explodiam, destruindo os equipamentos e até ferindo os operadores. Durante a década de 80, as pesquisas se concentraram no uso de íons de lítio, uma forma bem mais estável. Em 1991 a Sony lançou as primeiras baterias comercias.

Com o passar do tempo, os materiais e as técnicas de fabricação evoluíram muito, tornando as baterias mais seguras, mas alguns acidentes ainda acontecem, já que as células podem vazar ou explodir se aquecidas a temperaturas superiores a 60 graus, ou caso sejam carregadas além de seu limite energético.

Para tornar as baterias confiáveis, todas as baterias Li-Ion usadas comercialmente possuem algum tipo de circuito inteligente, que monitora a carga da bateria. Ele interrompe o carregamento quando a bateria atinge uma tensão limite e interrompe o fornecimento quando a bateria está quase descarregada, a fim de evitar o descarregamento completo.

Outro problema é que as baterias Li-ion “envelhecem” rapidamente, mesmo que não sejam usadas, pois o lítio é um metal extremamente instável, que reage com outros elementos. As baterias da década de 1990 normalmente duravam menos de 3 anos, quer a bateria fosse utilizada ou não. Depois do primeiro ano acontecia uma queda de 5 a 20% na autonomia (dependendo das condições de armazenamento da bateria), no final do segundo ano a bateria segurava apenas metade da carga e no final do terceiro não segurava mais carga alguma. As baterias suportavam em torno de apenas 300 ciclos de carga e descarga, de forma que uma bateria muito exigida chegava a durar apenas alguns meses.

Com melhorias nas ligas e processos de fabricação utilizados, a durabilidade das baterias aumentou. Não é incomum que uma bateria Li-ion atual, conservada adequadamente, dure 4 ou 5 anos e suporte 500 ciclos de recarga ou mais. Apesar disso, os problemas fundamentais continuam.

Uma tecnologia que pode eventualmente substituir as baterias ao longo das próximas décadas são as células de combustível, que já são utilizadas em protótipos.

As células de combustível produzem energia a partir da reação do hidrogênio com o oxigênio do ar, gerando apenas água, eletricidade e calor como subprodutos. A tecnologia de célula de combustível mais promissora para uso em portáteis é a DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), onde é utilizado metanol (um tipo de álcool combustível, produzido a partir do gás natural).

O metanol é, neste caso, utilizado como um meio de armazenamento do hidrogênio, o que permite a construção de células muito mais compactas do que seria se fosse utilizado hidrogênio pressurizado. Ao invés de queimar o combustível, como faria um motor de combustão, a célula de combustível combina o hidrogênio do metanol com oxigênio do ar, um processo bem mais seguro.

Desde 2003, a NEC, IBM, Toshiba e outros fabricantes vêm demonstrando diversos protótipos de células de combustível destinadas a notebooks e palmtops. Na maioria dos casos, as células de combustível são utilizadas como uma bateria secundária, utilizada apenas quando a bateria interna se esgota.

Existem dois tipos de células de combustível. As menores trabalham de forma “passiva”, onde o combustível flui de forma natural dentro da célula. As para notebooks utilizam um sistema “ativo”, onde uma bomba força o metanol e o ar dentro da célula e um exaustor resfria a célula, evitando que ela superaqueça. As células ativas produzem muito mais energia, mas em compensação são muito maiores.

De qualquer forma, o principal atrativo das células de combustível é a boa autonomia, combinada com a rapidez da recarga. Ao invés de precisar ligar o aparelho no carregador, basta encher o reservatório periodicamente, de forma que, levando metanol suficiente, você poderia manter o notebook ligado continuamente por semanas em algum local remoto, sem eletricidade. A vida útil das células atuais é estimada em 3.000 horas de uso, mas ela tente a aumentar nas próximas gerações.

Apesar disso, o futuro das células de combustível nos portáteis ainda é incerto. Atualmente, elas são muito mais caras que as baterias, o que elimina qualquer vantagem relacionada ao custo. Elas também são grandes, de forma que é mais simples utilizar uma bateria de maior capacidade quando o problema é aumentar a autonomia. De 2005 para cá, diversos fabricantes tem anunciado baterias Li-ion de carga ultra-rápida, que podem ser recarregadas em até 1 minuto (como num protótipo demonstrado pela Toshiba em 2005: https://www.dpreview.com/news/0503/05032903tosh1minbatt.asp). Esta nova geração de baterias elimina outro atrativo das células de combustível, que é a rapidez da recarga.

Outro fator, crucial para o sucesso ou fracasso das células de combustível é o custo das recargas. Embora você pague pela eletricidade, a quantidade de energia gasta para recarregar as baterias é pequena, de forma que o ato de carregar a bateria do notebook ou do smartphone é visto como algo gratuito, onde você tem apenas o trabalho de ligá-lo na tomada. No caso das células de combustível, por outro lado, é necessário comprar algum tipo de refil contendo o metanol ou etanol usado pelas células e é aí que reside a grande incógnita. Se você puder simplesmente comprar o combustível a litro, como fazemos com o álcool de cozinha, muito provavelmente ninguém se importará muito com o custo adicional e as células tenderão a fazer sucesso. Se, por outro, os fabricantes insistirem em vender cartuchos de refil a preços salgados, vão criar aversão e fazer com que as células passam a ser vistas como algo indesejado.

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