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C-Rate: a velocidade de carregamento dos sistemas de baterias

By Matheus Bueno e Raquelita Torres Setembro 02, 2020

Matheus Bueno e Raquelita Torres


A taxa C determina a velocidade com que um sistema de armazenamento pode ser carregado e descarregado. 1C significa que o sistema de armazenamento pode ser totalmente carregado ou descarregado no espaço de uma hora. Um sistema de armazenamento classificado como 0.5C leva duas horas para carregar ou descarregar, enquanto um sistema classificado como 2C leva apenas meia hora. 

A carga e descarga rápidas das baterias são indispensáveis para um alto desempenho do sistema. Se a C-Rate (taxa C) de um sistema for baixa, este sistema deverá ter maior capacidade de armazenamento para suprir a potência necessária, o que repercutirá no preço final do sistema. 

Em outras palavras, um sistema com maior C-Rate, é capaz de disponibilizar toda a sua energia armazenada em menos tempo e recuperá-la mais rapidamente. 

A ilustração abaixo representa uma breve comparação da potência de saída de um mesmo sistema, utilizando diferentes C-rates:

Figura 1Fonte: Tesvolt (adaptado)

C-Rate e E-Rate

Ao especificar as baterias a corrente de descarga geralmente é expressa como uma taxa C para normalizar a capacidade da bateria, que costuma ser diferente entre suas fabricantes. 

Uma bateria com capacidade de 100 Ah tem uma corrente de descarga de 100 A se trabalhando em 1C. Uma taxa de 5C para esta bateria originaria uma corrente de 500 A e uma taxa de C/2 seria de 50 A. 

De forma simplificada, se um sistema necessitar de 100 kW e sua bateria for capaz de trabalhar a no máximo 0.5C, será necessário um banco de 200 kWh, enquanto um sistema que pode trabalhar a 1C pode atender a mesma demanda com uma capacidade de 100 kWh sem prejudicar sua vida útil. 

Da mesma forma, uma taxa E descreve a potência de descarga. Uma taxa de 1E significa que a bateria pode ser descarregada completamente em 1 hora. 

Energia ou energia nominal (Wh, para uma taxa C específica) é a “capacidade de energia” da bateria, ou seja, o total de watts-hora disponível quando a bateria é descarregada a uma certa corrente de descarga (especificada como taxa C) de 100% do estado da carga para a tensão de corte. 

A energia é calculada multiplicando-se a potência da descarga (em watts) pelo tempo de descarga (em horas). Assim como a capacidade da bateria, a energia diminui com o aumento da taxa C. 

Precauções

Um dos piores cenários possíveis quando se considera a vida útil das baterias é a operação acima do C-rate indicado pelo fabricante. Ao operar com uma taxa de carga ou descarga acima da qual a bateria foi projetada para suportar em condições normais, há um aumento no fluxo de íons no eletrólito da bateria, o que causa um aumento nos microporos do separador, causando danos irreversíveis. Esta operação também pode trincar o anodo e o catodo da bateria, além de oxidá-los. 

A imagem a seguir, encontrada na revista Journal of Power Sources 307 (2016) da editora Elsevier, destaca diversos malefícios provenientes do uso inadequado do C-rate acima do indicado pelo fabricante, tais como: formação de ilhas, fraturas mecânicas dos eletrodos, inter-cancelamento de solventes, esfoliação do grafite, formação de gás, dissolução ácida, ressecamento do eletrólito, precipitação do sal, corrosão do coletor, redução da porosidade do eletrólito, decomposição das junções, galvanização do lítio, crescimento de dendritos, desordenamento estrutural e oxidação conjuntiva, entre outras coisas.

Fonte Elsevier 2016Fonte: Elsevier (2016)

Não é o foco deste artigo abordar cientificamente os assuntos citados no parágrafo anterior, porém essa lista nos dá uma ideia da quantidade de problemas que se originam nas baterias quando a C-Rate máxima não é respeitada.

Todos estes fatores diminuem drasticamente a vida útil da bateria por diversos fenômenos. Tais efeitos não podem ser previstos em relação à quantidade de ciclos reduzidos na vida útil do sistema.

Conclusão

Sistemas com maior C-Rate têm maior potencial de carga e descarga, podendo significar para uma instalação um menor banco de baterias para suprir sua demanda. Uma instalação que precise de 500 kW em uma hora, com taxa C = 1, poderá ter um banco de 500 kWh. Entretanto, é de suma importância uma análise prévia que identifique a necessidade de cada caso.

Um sistema de carga/descarga rápida por exemplo exige uma alta potência de saída e pode ser otimizado com um alto C-Rate, porém nem sempre será necessário utilizar uma alta taxa para carga e descarga.



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Última modificação em Quarta, 02 Setembro 2020 17:27
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