Baterias

Embora o Wi-Fi e o Bluetooth tenham transformado as redes em redes wireless, ainda temos o problema da transmissão de energia. Seu notebook pode ficar conectado à rede wireless da sua casa continuamente, mas você ainda precisa ligá-lo na tomada a cada duas ou três horas para recarregar as baterias.

Existem tecnologias experimentais para a transmissão de energia sem o uso de fios a curtas distâncias, que podem vir a eliminar essa necessidade nos próximos anos. Uma delas, mais convencional, é baseada no uso de indução para carregar as baterias de dispositivos de baixo consumo, como celulares e palmtops. Um módulo receptor é instalado dentro do aparelho, permitindo que ele seja carregado simplesmente por ser deixado sobre uma base:

Essa tecnologia é comercializada pela SplashPower (splashpower.com) e é relativamente barata, de forma que pode vir a ser utilizada em um certo número de aparelhos a partir dos próximos anos. Entretanto, a funcionalidade é limitada, já que o aparelho precisa ficar sobre a base por algumas horas para ser carregado o que, na prática, não é muito diferente de usar um cradle, como no caso dos Palms.

A segunda tecnologia, mais esotérica, é baseada no uso de ressonância, utilizando o mesmo princípio que faz com que objetos vibrem ao receberem ondas em uma determinada freqüência. A idéia é utilizar duas bobinas de cobre, desenvolvidas para ressoarem à mesma freqüência. Dessa forma, é possível transmitir energia de uma bobina para a outra de forma relativamente eficiente, já que a energia é canalizada diretamente para a segunda bobina, ao invés de ser irradiada em todas as direções.

Esta tecnologia foi demostrada em junho de 2007 por pesquisadores do MIT, que utilizaram duas bobinas para transmitir energia suficiente para acender uma lâmpada de 60 watts a uma distância de 2 metros (http://web.mit.edu/isn/newsandevents/wireless_power.html):

Foto da equipe do MIT, entre as duas bobinas usadas no experimento

Teoricamente, seria possível transmitir energia a distâncias de até 5 metros, o que seria suficiente para que um notebook pudesse ficar continuamente ligado e recarregar as baterias enquanto estivesse dentro da mesma sala que o carregador. O problema é que atualmente as bobinas ainda são muito grandes e pesadas e a eficiência é baixa. Na demonstração, foram utilizadas boninas com 60 centímetros de diâmetro e a eficiência da transmissão foi de apenas 40% (ou seja, o sistema consumia 150 watts para transmitir 60 watts para a lâmpada). Ainda existe um longo caminho a percorrer até que sejam desenvolvidas bobinas pequenas e leves o suficiente a ponto de poderem ser usadas em um notebook.

De qualquer forma, estas duas tecnologias são destinadas a substituírem os carregadores e eliminar a necessidade do uso de fios e não substituir as baterias, cujo uso só tende a aumentar. Elas (as baterias :) são tão onipresentes que seria difícil imaginar como seria o mundo sem elas.

Infelizmente, não existe nenhuma lei de Moore para baterias: elas não dobram de capacidade a cada 18 meses como os processadores. Os avanços na área das baterias são muito mais lentos e incrementais, de forma que qualquer nova tecnologia é comemorada. Vamos então às principais tecnologias:

Chumbo Ácido: Tudo começa com as baterias de chumbo ácido (lead acid), que são compostas por um conjunto de placas de chumbo e placas de dióxido de chumbo, mergulhadas numa solução de ácido sulfúrico e água. Dentro da bateria ocorre uma reação controlada, onde o ácido sulfúrico lentamente corrói as placas de chumbo, gerando sulfato de chumbo, água e elétrons livres como subproduto. É daí que surge a eletricidade fornecida pela bateria.

Quando a bateria é carregada, os elétrons são devolvidos, fazendo com que o sulfato de chumbo e a água transformem-se novamente em chumbo e ácido sulfúrico, devolvendo a bateria a seu estado original.

Este é o tipo menos eficiente de bateria, com a pior relação peso/energia, mas em compensação é a tecnologia mais barata, já que o chumbo é um dos metais mais baratos e o processo de fabricação é simples. Outro ponto positivo é que elas são bastante duráveis e não possuem efeito memória, resistindo a um número muito grande de ciclos de carga e descarga.

O uso mais comuns para elas são os carros e outros veículos, mas mesmo dentro da área de informática elas são muito usadas nos nobreaks e em outros dispositivos onde o peso não é um grande problema. Neste caso, temos sempre baterias seladas, que não precisam de manutenção.

Por estranho que possa parecer, baterias de chumbo ácido chegaram a ser utilizadas nos primeiros notebooks. Na época, "portátil" era qualquer coisa com menos de 12 kg, de forma que o peso da bateria de chumbo ácido entrava no orçamento. Um dos últimos desta safra foi o Mac Portable, lançado pela Apple em 1990. Ele pesava 7 kg, mas em compensação tinha até 10 horas de autonomia (e sem efeito memória ;).

Mac Portable, um dos poucos portáteis a utilizar uma bateria de chumbo ácido

Cada uma das células de uma bateria de chumbo ácido provê 2.1 volts. Para atingir os 12V, é preciso juntar 6 células. Na verdade, a tensão da bateria oscila entre 12.6V (quando completamente carregada) e 11.8V (quando descarregada). Existem também baterias menores (como as usadas em luzes de emergência), que possuem apenas 3 células e, conseqüentemente, fornecem apenas 6V.

Ni-Cad: As baterias Ni-Cad ficam no meio do caminho entre a alta densidade energética das baterias Li-ion e a ineficiência das baterias de chumbo ácido. Por serem relativamente baratas, elas foram utilizadas em todo tipo de notebooks e aparelhos portáteis em geral ao longo da década de 1990.

A principal característica das baterias Ni-Cad é o temível efeito memória, que ocorre quando a bateria recebe uma seqüência de cargas parciais. A bateria passa a armazenar cada vez menos energia, até que é virtualmente inutilizada.

Isso acontece porque as baterias Ni-Cad são compostas por cristais microscópicos, desenvolvidos para proporcionar uma maior área de contato. Depois de algumas cargas parciais, os cristais começam a se juntar, formando cristais maiores. Quanto maiores os cristais, menor é a área de contato e menos energia a bateria é capaz de armazenar.

É possível quebrar os cristais "exercitando" a bateria, através de uma série de ciclos de carga e descarga completa. Alguns carregadores utilizam pulsos de recarga, onde a tensão aplicada varia em ciclos de menos de um segundo. Estes pulsos ajudam a quebrar os cristais, acelerando o processo de recondicionamento. Outra técnica é fazer uma deep discharge, ou seja, uma "descarga profunda", onde a tensão das células é reduzida a um valor muito abaixo do normal, processo seguido por uma recarga completa.

Uma bateria Ni-Cad bem conservada e exercitada periodicamente pode proporcionar de 1000 a 1500 ciclos de carga e descarga, o que é muito mais do que uma bateria Li-ion atual suporta. Entretanto, devido ao efeito memória, a maioria das baterias acabam sendo descartadas muito antes.

Um segundo problema é que o cádmio usado nas baterias é extremamente tóxico. Conforme as baterias Ni-Cad cresciam em popularidade, maiores eram os estragos ambientais, o que acelerou sua substituição pelas baterias Ni-MH e Li-ion.

Ni-MH: Desenvolvidas a partir da década de 1970 e aperfeiçoadas ao longo da década de 1980, as baterias Ni-MH são uma evolução direta das Ni-Cad. Elas também utilizam o níquel como matéria prima básica, mas o cádmio é substituído por uma liga de metais não tóxicos, amenizando a questão ambiental.

Naturalmente, as Ni-MH também possuem seus méritos técnicos. Elas possuem uma densidade energética cerca de 40% superior à das baterias Ni-Cad; ou seja, um notebook que tem 1:30 horas de autonomia utilizando uma bateria Ni-Cad, teria mais de 2:00 horas caso fosse utilizada uma bateria Ni-MH de dimensões similares.

Outra vantagem é que elas são menos suscetíveis ao efeito memória. Realizar um ciclo completo de carga e descarga é normalmente suficiente para reverter os danos causados por algumas recargas parciais. Por outro lado, as baterias Ni-MH são um pouco mais caras de se produzir e suportam bem menos ciclos de recarga.

Enquanto uma bateria Ni-Cad suporta mais de 1000 ciclos, uma bateria Ni-NH já apresenta sinais de envelhecimento após menos de 300 ciclos completos, chegando ao final de sua vida útil depois de cerca de 400 ciclos. Neste ponto, não existe muito o que fazer a não ser trocar as células.

Falando em células, um ponto que facilitou a migração das baterias Ni-Cad para as Ni-MH é que ambas utilizam células de 1.2V. Isso permitiu que as Ni-MH substituíssem diretamente as antecessoras, sendo produzidas nos mesmos formatos e utilizando os mesmos carregadores.

Originalmente, as baterias Ni-MH também demoravam mais para carregar, até o dobro do tempo que as baterias Ni-Cad. Com o tempo, os fabricantes passaram a desenvolver carregadores rápidos "inteligentes", que interrompem a recarga quando a bateria atinge seu limite, evitando danos.

Embora as Ni-Cad tenham entrado em desuso, sobrevivendo apenas em alguns nichos, as Ni-MH ainda são as mais utilizadas em pilhas recarregáveis, baterias para telefones sem fio e outras áreas "menos nobres". Nos notebooks, palmtops e celulares, elas foram quase que completamente substituídas pelas Li-ion e Li-poli, que são o próximo passo da cadeia evolutiva.

Li-ion: As baterias Li-ion são o padrão atual. Elas são de longe mais complexas e temperamentais que as Ni-Cad e Ni-MH, 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.

Como disse, as baterias Li-Ion são bastante temperamentais. Em agosto de 2006 a Dell e a Apple anunciaram um mega-recall, substituindo 5.9 milhões de baterias com células de um lote defeituoso, fabricado pela Sony. Estas células foram acidentalmente produzidas com lítio impuro, contaminado com traços de outros metais. Esta foto, publicada pelo theinquirer.net, mostra um dos principais riscos associados:

Apesar de não parecer, esta é uma foto real, tirada durante uma conferência, onde um notebook com uma bateria defeituosa literalmente pegou fogo. Naturalmente, a possibilidade de isto acontecer com você é quase tão grande quanto a de ganhar na loteria, mas ela realmente existe. As células de baterias li-ion são bastante instáveis. A maior surpresa é como elas podem funcionar bem na maior parte do tempo, e não as unidades que explodem. :)

As células podem vazar ou explodir se aquecidas a temperaturas superiores a 60 graus, ou caso sejam carregadas além de seu limite energético. E, como a foto mostra, isto não é apenas mito. Outro problema é que as células oxidam rapidamente caso completamente descarregadas, o que demanda uma grande atenção.

Não seria de se esperar que o pobre usuário soubesse de tudo isso e ficasse com o cronômetro na mão, calculando o tempo exato de recarga da bateria. 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. A obrigatoriedade do uso do chip é o principal motivo das pilhas recarregáveis ainda serem todas Ni-MH ou Ni-Cad: seria muito dispendioso incluir um chip em cada pilha (fora o fato das células Li-ion trabalharem a 3.6V).

Bateria Li-ion de um IBM Thinkpad desmontada

Em geral, o "circuito inteligente" não é tão inteligente assim, pois se limita a monitorar a tensão fornecida pela bateria. Para evitar explosões acidentais, os fabricantes precisam trabalhar dentro de uma margem de tolerância, de forma que normalmente é usada apenas 80 a 90% da capacidade real da bateria.

Outra questão interessante, sobretudo nos notebooks, é que as baterias são compostas por de três a nove células independentes. O circuito não tem como monitorar a tensão individual de cada célula, mas apenas do conjunto. Isso faz com que, em situações onde as células fiquem fora de balanço, ou em casos onde uma das células apresenta algum defeito prematuro, o circuito passe a interromper o fornecimento de energia após pouco tempo de uso. Surgem então os numerosos casos onde uma bateria que originalmente durava 2 horas, passa a durar 15 minutos, por exemplo.

Na maioria dos notebooks, o circuito da bateria trabalha em conjunto com o BIOS da placa-mãe, o que abre margem para erros diversos. É comum que, depois de várias cargas parciais, o monitor do BIOS fique fora de balanço e passe a calcular a capacidade da bateria de forma errônea. Ele passa a sempre fazer recargas parciais, o que faz a carga da bateria durar cada vez menos, muito embora as células continuem perfeitamente saudáveis. É por isso que muitos notebooks incluem utilitários para "calibrar" a bateria, disponíveis no setup. Eles realizam um ciclo de carga e descarga completo, atualizando as medições.

Outro (mais um) 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.

As baterias Li-ion se deterioram mais rapidamente quando completamente carregadas ou quando descarregadas, por isso o ideal é deixar a bateria com de 40 a 50% de carga quando for deixá-la sem uso. O calor acelera o processo, por isso, quanto mais frio o ambiente, melhor.

Segundo o batteryuniversity, uma bateria completamente carregada, guardada numa estufa, a 60°C, pode perder mais de 40% de sua capacidade de armazenamento energético depois de apenas 3 meses, enquanto uma bateria conservada a 0°C, com 40% da carga, perderia apenas 2% depois de um ano.

Evite descarregar a bateria completamente quando isso não é necessário. O melhor é simplesmente usar e carregar a bateria seguindo seu ciclo de uso. Outra dica é que a durabilidade da bateria é menor quando frequentemente submetida a descargas rápidas, por isso gravar DVDs no notebook usando a carga das baterias não é uma boa idéia :). A cada 20 ou 30 recargas, é interessante realizar um ciclo completo de carga e descarga, a fim de "calibrar" as medições do chip e do monitor do BIOS.

A princípio, retirar a bateria de um notebook que fica ligado na tomada na maior parte do tempo seria uma boa idéia para aumentar sua (da bateria) vida útil. O problema é que a maioria dos notebooks usam a bateria como escape para picos de tensão provenientes da rede elétrica. Removendo a bateria, esta proteção é perdida, o que pode abreviar a vida útil do equipamento.

Ao contrário das baterias Ni-Cad, que podem ser recuperadas de diversas maneiras caso vitimadas pelo efeito memória, não existe muito o que fazer com relação às baterias Li-Ion. A única forma de ressuscitar uma bateria que chegou ao final de sua vida útil seria abrir e trocar as células, o que é complicado (já as baterias são seladas e é difícil adquirir as células separadamente) e perigoso, pois o lítio dentro das células reage com o ar e as células podem explodir (lembra da foto? ;) caso a polaridade seja invertida. De qualquer forma, esta página inclui dicas de como desmontar uma bateria e substituir as células:
http://www.electronics-lab.com/articles/Li_Ion_reconstruct/index_1.html

Tentar recuperar uma bateria Li-ion através de uma descarga completa (como nas baterias Ni-Cad), é inútil. Só serviria para oxidar as células, acabando de vez com a bateria. Graças ao chip, as células de uma bateria Li-Ion nunca se descarregam completamente, pois o fornecimento é cortado quando a bateria ainda conserva de 10 a 20% da carga (de acordo com os parâmetros definidos pelo fabricante).

Li-poly: Ainda dentro da família do lítio, temos as baterias Li-poly, que são baterias "secas", que utilizam um tipo de filme plástico como eletrólito, em vez de utilizar líquido. Isto simplifica o design da bateria, o que permite produzir células ultra-finas, com até 1 mm de espessura.

Exemplo de bateria Li-poly ultra-fina

A principal limitação é que o polímero não é bom condutor, fazendo com que a bateria seja incapaz de fornecer grandes cargas, como as necessárias para disparar o flash de uma câmera digital, por exemplo.

Com o tempo, surgiram baterias Li-poly "híbridas", que utilizam um tipo de gel como eletrólito, eliminando a limitação mas mantendo a espessura reduzida. Embora ainda caras, estas baterias vem ganhando espaço nos celulares e palmtops, pois são consideradas mais seguras que as baterias Li-ion tradicionais:

Células de combustível: 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.

Em um protótipo demonstrado pela IBM em 2003, uma carga de 130 ml com uma mistura de metanol e água era capaz de gerar 72 watts-hora de energia, suficientes para manter um Thinkpad ligado por 8 horas. Entretanto, os cartuchos de metanol eram relativamente caros e a célula de combustível pesava tanto quanto o próprio Thinkpad:

Este protótipo demonstrado pela Antig em Janeiro de 2006 já é bem mais compacto, desenvolvido para ser encaixado na baia do CD-ROM. A idéia é que ele pudesse ser utilizado como bateria complementar, instalado apenas quando necessário:

Em 2005, a Toshiba anunciou o desenvolvimento de uma célula DMFC em miniatura, que poderia ser usada em palmtops e outros aparelhos portáteis. Segundo o divulgado, ela poderia manter um mp3player ligado por 20 horas (autonomia similar ao que obtemos usando uma pilha AAA), usando uma carga de 2 ml de uma solução de metanol diluído em água:

Esta célula produz apenas 0.1 watt de energia, a uma tensão de 0.65v, por isso é utilizável apenas em aparelhos muito pequenos. As células para notebook precisam produzir 200 vezes mais energia, por isso são tão grandes.

Existem dois tipos de células de combustível. As menores (como este modelo da Toshiba) 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.

Recarga de um mp3player com célula de combustível

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: http://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.

Naturalmente, as células de combustível também não param de evoluir, com células mais eficientes, baratas e compactas. Estima-se que em 2010 já existirão células baratas o suficiente para começar a competir com as baterias Li-ion. Embora seja impossível prever quem será o vencedor, a briga promete.