Ultra

Jun 21, 2023

A diligência na especificação das baterias reduz os custos operacionais de sensores remotos sem fio. Este recurso vem do ebook AUTOMATION 2023 Volume 3: IIoT & Industry 4.0.

A Internet Industrial das Coisas (IIoT) está se expandindo para locais cada vez mais remotos, com dispositivos remotos sem fio alimentados por bateria de lítio trazendo conectividade digital para praticamente todas as aplicações industriais, incluindo SCADA, controle de processos, robótica industrial, rastreamento de ativos, sistemas de segurança, monitoramento ambiental, M2M, IA e redes mesh sem fio, para citar alguns. As baterias de lítio de nível industrial permitem que dados remotos sejam aplicados de forma mais inteligente para melhorar a eficiência operacional, aprimorar o controle de qualidade, rastrear ativos, promover maior sustentabilidade ambiental, otimizar cadeias de suprimentos, melhorar a integração. programas de manutenção preditiva em campo e muito mais. O uso de baterias também elimina o custo e a tarefa demorada de ter que conectar os dispositivos. Com inúmeras opções de produtos químicos de bateria, o processo de identificação da potência ideal envolve vários critérios, incluindo:

Um dispositivo remoto sem fio é tão confiável quanto sua bateria. Para maximizar a vida operacional, os engenheiros de projeto devem considerar vários fatores, como a quantidade de energia consumida durante o modo ativo (incluindo o tamanho, a duração e a frequência dos pulsos); a quantidade de energia consumida enquanto o dispositivo está em modo de espera (a corrente base); a duração do armazenamento (já que a autodescarga normal durante o armazenamento diminui a capacidade); o impacto dos ambientes térmicos (incluindo armazenamento e operação em campo); tensão de corte do equipamento (conforme a capacidade da bateria se esgota ou em temperaturas extremas, a tensão pode cair para um ponto muito baixo para o sensor funcionar). Mais criticamente, o engenheiro de projeto deve considerar a taxa anual de autodescarga da bateria, que muitas vezes excede a quantidade de energia consumida durante a operação do dispositivo.

Estão disponíveis vários produtos químicos para baterias de lítio primárias (não recarregáveis) (Tabela 1). Em uma extremidade do espectro estão as baterias alcalinas baratas que fornecem alta energia contínua, mas sofrem de uma taxa de autodescarga muito alta (que limita a vida útil da bateria), baixa capacidade e densidade de energia (que aumenta tamanho e volume) e uma incapacidade de operar em temperaturas extremas devido ao uso de constituintes à base de água. No extremo oposto do espectro estão os produtos químicos de lítio de nível industrial. Como o metal não gasoso mais leve, o lítio apresenta um potencial negativo intrínseco que excede todos os outros metais, fornecendo a mais alta energia específica (energia por unidade de peso), a mais alta densidade de energia (energia por unidade de volume) e tensão mais alta (OCV) variando de 2,7 a 3,6V. Os produtos químicos das baterias de lítio também não são aquosos e, portanto, são menos propensos a congelar em temperaturas extremamente frias. As baterias de cloreto de tionila de lítio do tipo bobina (LiSOCl2) são esmagadoramente preferidas para implantações de longo prazo, uma vez que fornecem a mais alta capacidade e densidade de energia, suportam o temperaturas mais extremas (-80°C a +125°C) e apresentam uma taxa anual de autodescarga tão baixa quanto 0,7% ao ano para certas células, criando assim o potencial para uma vida útil da bateria de 40 anos. As baterias LiSOCl2 tipo bobina oferecem os seguintes benefícios:

As coleiras eletrônicas habilitadas para IA da Cattlewatch permitem que os fazendeiros rastreiem remotamente seus rebanhos de gado, fornecendo informações comportamentais e alertas usando uma rede LoRaWAN de baixíssimo consumo de energia. Membros selecionados do rebanho são equipados com comunicadores movidos a energia solar que formam uma rede mecânica sem fio envolvendo todo o rebanho. As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio da série Tadiran TLI criam uma solução leve que pode suportar temperaturas extremas, oferece até 20 anos de vida operacional e 5.000 ciclos completos de recarga e gera os pulsos altos necessários para alimentar comunicações sem fio remotas.

Todas as baterias experimentam alguma autodescarga, pois as reações químicas consomem pequenas quantidades de corrente, mesmo quando a célula não está em uso ou desconectada. A autodescarga pode ser minimizada controlando o efeito de passivação, por meio do qual uma fina película de cloreto de lítio (LiCl) se forma em a superfície do ânodo de lítio para separá-lo do eletrodo para reduzir as reações químicas que causam autodescarga. Sempre que uma carga é colocada na célula, a bateria experimenta uma alta resistência inicial e uma queda temporária de tensão até que a reação de descarga comece a dissipar a camada de passivação: um processo que se repete sempre que uma carga é aplicada. depende da capacidade de descarga atual da célula, da duração do armazenamento, da temperatura de armazenamento, da temperatura de descarga e das condições de descarga anteriores, pois descarregar parcialmente uma célula e depois remover a carga aumenta o nível de passivação ao longo do tempo. Embora o aproveitamento do efeito de passivação seja essencial para reduzir a autodescarga, ele pode ser problemático demais se restringir excessivamente o fluxo de energia. As células LiSOCl2 do tipo bobina variam significativamente em termos de sua capacidade de aproveitar o efeito de passivação. Por exemplo, baterias LiSOCl2 do tipo bobina de alta qualidade podem apresentar uma taxa de autodescarga tão baixa quanto 0,7% ao ano, retendo assim quase 70% de sua capacidade original após 40 anos. Por outro lado, células LiSOCl2 de qualidade inferior podem ter uma taxa de autodescarga de até 3% ao ano, esgotando quase 30% de sua capacidade disponível a cada 10 anos, o que reduz bastante sua vida operacional.