Post on 11-Nov-2018
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Baterias NiMH
Influência da intensidade de descarga na capacidade
das baterias
Projeto FEUP 2014/2015 -- MIEEC:
Armando Sousa José Fidalgo
Equipa 1 - 1MIEEC01:
Supervisor: Paulo Costa Monitor: Jorge Bessa
Estudantes & Autores:
Armando Moreno up201404088@fe.up.pt Bruno Costa up201404089@fe.up.pt
Francisco Matos up201405395@fe.up.pt Luís Costa up201404866@fe.up.pt
Pedro Martins up201405287@fe.up.pt
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Resumo
Este trabalho foi-nos proposto pela disciplina de projeto FEUP e pelos seus
colaboradores com o intuito de nos preparar para futuros trabalhos e relatórios que iremos
ter de realizar. O tema do trabalho baseia-se nosso curso, engenharia eletrotécnica, e
estuda principalmente as baterias níquel metal.
O início deste trabalho é marcado por uma pequena introdução que vai retratar todos os
assuntos abordados ao longo do seu desenvolvimento. Também nos contextualiza dentro
das diferentes variáveis como a parte teórica e a parte prática.
Em seguida iremos falar sobre a componente teórica, com o objetivo de tornar mais
claro o conhecimento sobre a parte prática e de dar a perceber como é o funcionamento
deste tipo de pilhas.
Por fim, depois de todas as questões técnicas respondidas, é dada uma pequena
conclusão sobre a questão problema no nosso trabalho com o objetivo de cimentar todo o
conteúdo presente no relatório.
Palavras-Chave
Pilha; Bateria; Capacidade; Carga; Energia; Temperatura; Voltagem;
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Agradecimentos
Queremos agradecer a todos aqueles que, de certa forma, nos ajudaram na elaboração
deste projeto.
Começamos por reconhecer a importância das palestras a que assistimos na semana
de apresentação da FEUP e, por isso, estamos gratos a todos os docentes e convidados
que nelas participaram.
Não obstante ao trabalho dos monitores que nos acompanharam na primeira semana,
apreciamos a sua contribuição por ajudarem na integração e dinâmica do grupo.
Por último, e não menos importante, agradecemos ao monitor Jorge Bessa e ao
professor Paulo Costa por nos terem ajudado ao longo destas semanas, tendo
acompanhado todo o processo de realização deste projeto.
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Índice
Conteúdo Lista de figuras ............................................................................................................... 5
Lista de acrónimos .......................................................................................................... 6
1. Introdução ................................................................................................................... 7
2. Conceitos Teóricos ..................................................................................................... 8
2.1 Métodos de Carga ................................................................................................. 8
2.1.1 Carga Lenta .................................................................................................... 9
2.1.2 Carga Rápida (4 Horas) .................................................................................. 9
2.1.3 Carga Muito Rápida (1 Hora) .......................................................................... 9
2.2. Descarga .............................................................................................................. 9
2.2.1. Definições de Capacidade ........................................................................... 10
2.2.2. Efeitos da Temperatura ............................................................................... 10
2.2.3. Ciclos de Carga ........................................................................................... 11
2.2.4. Resistência Interna ...................................................................................... 12
2.2.5. Modos de Descarga ..................................................................................... 12
2.3. Aplicações .......................................................................................................... 14
3. Parte Experimental ................................................................................................... 15
3.1. Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis ................................ 15
3.2. Cálculos ............................................................................................................. 16
3.2.1.Energia Fornecida......................................................................................... 16
3.2.2.Capacidade Média ........................................................................................ 17
3.3. Conclusões Experimentais ................................................................................. 19
4. Artigo Interessante .................................................................................................... 20
5. Conclusões ............................................................................................................... 21
Referências bibliográficas ............................................................................................. 22
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Lista de figuras
Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH - Página 8
Figura 2 - Modelos NiMH da Energizer - Página 11
Figura 3 - Pilha NiMH deteriorada - Página 13
Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH - Página 14
Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria - Página 19
Figura 6 - Fotografia retirada do artigo - Página 20
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Lista de acrónimos
Parte Teórica:
NiMH - Bateria de Níquel Metal Hídrico
NiCD - Bateria de Níquel Cádmio
PDA's - Personal Digital Assisant
MP3 - Abreviação de MPEG Layer 3 que é um formato de compressão de áudio digital
que minimiza a perda de qualidade em arquivos de áudio.
MPEG - Moving Picture Experts Group
Ah - Ampere hora
J - Joules
Parte Experimental:
Cm - Capacidade média (Ah, mAh)
Ef - Energia fornecida ( J, mJ)
I - Intensidade ( A )
∆t - Intervalo de tempo ( s )
A - Área
b - Base
h - Altura
P - Potência ( W )
U - Tensão, diferença de potencial ( V )
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
1. Introdução
Este relatório tem como objetivo descrever e elucidar sobre um estudo aprofundado do
tema em causa: baterias. No entanto este estudo não será feito para todo o tipo de baterias,
mas sim para um grupo específico destas, as baterias químicas, mais concretamente, as
pilhas.
A principal diferença entre as pilhas e as baterias reside no facto de as pilhas serem
formadas por dois elétrodos e um eletrólito enquanto que a maior parte das baterias é
constituída por várias pilhas ligadas em série ou em paralelo. Ambas têm um objetivo e um
funcionamento semelhante: transformar energia química em energia elétrica com base nos
materiais que as compõem.
Quando as pilhas das baterias estão ligadas em série, isto é, polo positivo com polo
negativo obtém-se uma maior diferença de potencial, o que vai conservar a capacidade de
cada pilha individualmente, e se tivermos as pilhas ligadas em paralelo, polo positivo e
negativos conectados entre si, conserva-se a diferença de potencial de cada pilha original
mas aumentando a sua capacidade.
Atualmente são mais usadas as pilhas de níquel metal, que têm como objetivo
substituir as pilhas de níquel cádmio. A principal diferença entre as duas baterias consiste
no elemento químico usado: enquanto que nas baterias de níquel metal hidreto é o
hidrogénio que é absorvido numa liga e usado como material ativo no elétrodo negativo, nas
baterias de níquel cádmio o elemento é o cadmio. A vantagem reside, então, no facto de
que o elétrodo da pilha de hidreto metálico apresenta uma maior densidade de energia
comparativamente ao elétrodo da pilha de cádmio. Assim sendo, para a mesma quantidade
de energia, a massa de material ativo usada nas pilhas NiMH é menor do que a usada nas
NiCd.
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2. Conceitos Teóricos
Um elemento deste trabalho consiste na parte experimental onde estudamos a
capacidade disponível em pilhas recarregáveis de níquel metal, mas é fundamental
complementá-lo com a sua teoria, pois só assim é possível compreender os resultados da
prática e o seu funcionamento.
2.1 Métodos de Carga
As baterias de NiMh (Níquel e Metal) são muito sensíveis a problemas como a
sobrecarga, quando comparadas a outras baterias, como as compostas por NiCD (Níquel
Cádmio), e a sua temperatura interna aumenta rapidamente, afetando assim o rendimento
da mesma, caso não se tenha certos cuidados.
Estas baterias podem carregar-se rapidamente em períodos de 1 hora até 12 horas e,
para evitar uma rápida diminuição do seu rendimento, devem utilizar-se equipamentos
carregadores desenhados especialmente para proteger as baterias de sobrecargas e
excessos de temperatura. (Buchmann, Battery University 2011)
Figura 1 - Carregador de pilhas NiMH
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.1.1 Carga Lenta
Carregar baterias com uma corrente constante de 10C durante 12 horas é um bom
método para carregar completamente baterias de Níquel-Metal. Isto apenas se aplica a uma
bateria completamente descarregada, caso contrário aconteceria uma sobrecarga,
danificando assim a mesma. (Radio Club Junin s.d.)
2.1.2 Carga Rápida (4 Horas)
Uma bateria de Níquel-Metal pode ser carregada com eficácia e segurança utilizando
correntes superiores às descritas anteriormente, sendo também necessário um
temporizador que corte a energia ao fim de 3,6 horas, prevenindo assim que a temperatura
interna da bateria ultrapasse os 55ºC. (Radio Club Junin s.d.)
2.1.3 Carga Muito Rápida (1 Hora)
Para ser possível carregar completamente baterias NiMH em uma hora sem
sobrecarregar a mesma e sem que esta seja deteriorada pela temperatura, é necessário
que o equipamento esteja equipado com sistemas de terminação de carga combinados
(Temperatura dT/dt, Voltagem rV, Tempo). (Radio Club Junin s.d.)
2.2. Descarga
Em condições normais de funcionamento uma pilha de níquel fornece 1,25 Volts durante
a descarga. Quando está completamente carregada e em boas condições pode chegar a
atingir 1,4 Volts durante um curto período de tempo e fica completamente descarregada
quando a voltagem da pilha é inferior a 1,1 Volts. (Energizer Battery Manufacturing Inc.
2010)
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.2.1. Definições de Capacidade
O principal objetivo de uma empresa é maximizar o tempo de duração das pilhas em
conformidade com o equipamento utilizado. Antes de o produto ser lançado, passa por um
processo meticuloso de testes, como a triagem da bateria, submetendo-a a descargas
constantes a uma temperatura ambiente. Para as baterias em estudo, as de níquel metal, a
taxa de descarga é, aproximadamente, de 5 horas, sendo este valor mais elevado do que
outros tipos de pilhas como por exemplo as de níquel cádmio. (Electrónica s.d.)
2.2.2. Efeitos da Temperatura
Estas pilhas são bastante resistentes a variações de temperatura, conseguindo manter
capacidade entre -20oC e 70oC. Apesar de conseguirem aguentar estas temperaturas
extremas, a temperatura ideal para o uso destas pilhas é a temperatura ambiente. Quando
estão sujeitas a baixas temperaturas a sua capacidade é bastante afetada, chegando a
atingir variações de 80%. Pelo contrário, quando estão sujeitas a temperaturas mais altas, a
sua capacidade só é afetada à volta de 10%, o que nos permite concluir que o seu uso é
mais eficaz quando sujeitas a temperaturas altas do que quando estão sujeitas a
temperaturas baixas.
Quando estão expostas a pequenas variações da temperatura ambiente quase não são
afetadas o que é um ponto a favor destas baterias, pois permitem um uso mais abrangente
sem precisar de cuidados adicionais. (Netto s.d.)
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.2.3. Ciclos de Carga
Como é normal em todas as pilhas e baterias, estas também possuem um determinado
ciclo de carga. Os ciclos de uma bateria dependem de vários fatores, por isso é impossível
dizer com certeza quantos ciclos é que cada pilha aguenta. Um ciclo de carga corresponde
a carregar a bateria desde o seu valor mínimo, 0%, até ao seu valor máximo, 100%
(exemplo para perceber melhor como funciona o ciclo: se a bateria estiver com 50% de
carga e for carregada até ficar com a carga completa apenas realiza meio ciclo. Se
voltarmos a descarregar até 50% e a carregarmos totalmente ela irá realizar mais meio
ciclo, realizando assim um ciclo completo).
Tal como foi dito anteriormente os ciclos de cada pilha são afetados por vários fatores
como a temperatura, a profundidade de descarga, as condições de armazenamento, a idade
da pilha, os materiais que a constituem e a própria capacidade da bateria. Se todos estes
fatores mencionados não afetarem a pilha pode-se esperar uma durabilidade de até 1000
ciclos, o que é muito difícil para a maior parte destas. Alguns deles podem até gerar gás no
interior da pilha, situação que vai levar à ativação da abertura de segurança e deterioração
permanente da bateria. (Kopera 2004)
Figura 2 - Modelos NiMH
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.2.4. Resistência Interna
O conceito de resistência interna está sempre presente em fontes elétricas e é muitas
vezes útil para a análise de sistemas elétricos sendo que todas as pilhas possuem uma
resistência interna com o objetivo de limitar a sua voltagem de acordo com a corrente que é
transmitida ao longo do circuito. Esta está dependente de vários fatores como o tamanho da
pilha, as suas propriedades químicas, a temperatura, a idade e a corrente de descarga.
As pilhas de níquel metal têm uma grande taxa de desempenho especialmente por
terem uma resistência interna baixa. Esta baixa resistência deve-se à sua construção, à
grande área ocupada pelos elétrodos e aos seus contactos internos melhorados em relação
a outros tipos de pilhas. A resistência interna destas baterias normalmente encontra-se à
volta de 50 mΩ quando esta se encontra carregada e permanece constante até perto da
descarga, notando-se depois uma subida nesse valor. (Universidade Federal do Piauí 2010)
2.2.5. Modos de Descarga
2.2.5.1. Descarga Total
Muitos utilizadores de pilhas e baterias recarregáveis têm como hábito descarregar a
bateria dos equipamentos até o fim, mas isso pode danificar permanentemente as pilhas.
Estas situações ocorrem especialmente quando são usadas mais do que uma pilha em série
e a bateria de uma acaba, apesar do aparelho continuar a funcionar por influência das
outras devido a pequenas diferenças na capacidade das pilhas. O que leva a causa de dano
permanente é o facto de as pilhas com carga fazerem com que a pilha estragada realize o
ciclo inversamente.
Quando as pilhas de um equipamento estão ligadas em paralelo, a inversão de sentido
da pilha descarregada não acontece, ocorrendo sim a carga da pilha descarregada com
corrente das restantes, não afetando assim a vida da pilha de modo algum. (Energizer
Battery Manufacturing Inc. 2010)
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.2.5.1. Descarga Automática
As pilhas em estudo têm uma taxa de descarga automática um pouco mais elevada
comparando-as com pilhas de níquel cádmio, isto é, ao longo do tempo de a pilha estar
dentro de um aparelho, a quantidade de bateria que esta retém é superior à das outras
pilhas. A temperatura têm um grande efeito neste tipo de pilhas, pois quando se encontra a
temperaturas altas esta taxa consegue atingir valores cerca de três vezes superiores aos
normais. (Energizer Battery Manufacturing Inc. 2010)
Figura 3 - Pilha NiMH detriorada
http://farm9.staticflickr.com/8038/8043981450_d95d43e263_z.jpg
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
2.3. Aplicações
As pilhas NiMH são mais utilizadas e têm melhores performances em:
Câmaras digitais;
Consolas portáteis;
PDA’s;
Aparelhos de música portáteis (exemplo: leitores mp3 e colunas);
Brinquedos. (BatteryStuff 2012)
Este tipo de pilhas são mais utilizadas nestes aparelhos porque torna-se bastante mais
barato do que se estivesse a comprar pilhas alcalinas não recarregáveis.
Como tal, as pilhas NiMH não são boas para aparelhos que gastem pouca energia por
dia, como por exemplo, os alarmes de incêndio. (Globtek 2014)
Figura 4 - Aparelhos onde é aconselhável o uso de pilhas NiMH
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
3. Parte Experimental
3.1. Estudo da capacidade disponível nas pilhas recarregáveis
Por forma a verificar se a capacidade era influenciada pela intensidade de
descarregamento, realizou-se uma experiência que consistiu na descarga de duas baterias
(NiMH).
A bateria 1 foi descarregada a uma intensidade constante de 550mA e a bateria 2 a
1100mA. O “descarregador” encontrava-se ligado a um computador, para o qual enviava os
valores da diferença de potencial (tensão) de cada uma das pilhas, a cada 5 segundos. A
partir daí construiu-se um gráfico que relaciona essas tensões ao longo do tempo.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 365 730 1095 1460 1826 2191 2556 2921 3287 3652
Ten
são
(m
Vo
lts)
Tempo (segundos)
Bateria 1 Bateria 2
Descarga das baterias 1 e 2
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3.2. Cálculos
3.2.1.Energia Fornecida
A energia fornecida por cada bateria é obtida através da área de cada uma das
“funções”.
Esta área obteve-se dividindo os gráficos em várias partes com a forma de “retângulo”,
e somando as suas áreas. A base (b) teria valor 5 e a altura (h) era variável, consoante a
tensão. A área da figura geométrica é obtida a partir da expressão:
(I) A = b * h
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 365 730 1095 1460 1826 2191 2556 2921 3287 3652
TE
NS
ÃO
(M
VO
LT
S)
TEMPO (SEGUNDOS)
Bateria 1
Descarga da bateria 1
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Somando as áreas obtêm-se os seguintes valores:
Efornecida pilha 1 = 5434570mJ
Efornecida pilha 2 = 3428010mJ
3.2.2.Capacidade Média
As capacidades são calculadas utilizando a seguinte fórmula:
(II)
Nesta, “Ef” significa o valor de cada uma das energias fornecidas, “∆t” o valor do
tempo de descarga e “I” o valor da intensidade de descarga.
∆t(bateria 1)=3885 segundos
∆t(bateria 2)=1640 segundos
Aplicando a expressão (II), os valores das capacidades resultantes obtidos, para a
bateria 1 e 2, respetivamente, 1258mAh e 793,5mAh.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
960
1020
1080
1140
1200
1260
1320
1380
1440
1500
1560
1620
TE
NS
ÃO
(M
VO
LT
S)
TEMPO (SEGUNDOS)
Bateria 2
Descarga da bateria 2
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Curiosidade
Como curiosidade, descarregou-se também uma bateria alcalina (bateria 3) nas
mesmas condições que a bateria 2, de forma a verificar qual apresentaria melhor prestação.
O ensaio confirmou o esperado: a pilha composta por níquel-metal obteve uma maior
autonomia do que a alcalina.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 365 730 1095 1460
Ten
são
(m
Vo
lts)
Tempo (segundos)
Bateria 2 Bateria 3
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
3.3. Conclusões Experimentais
Desta forma, conclui-se que a intensidade de descarga influencia a autonomia duma
bateria. De uma forma geral, quanto maior a intensidade, menor a capacidade. Existem
outros fatores que afetam a capacidade da bateria, como a exposição a determinadas
temperaturas ou até mesmo a sua idade. Para além destes fatores temos também os erros
que o ocorrem durante a parte experimental como por exemplo o cálculo da energia
fornecida através dos gráficos, arredondamentos e/ou aproximação nos cálculos.
Figura 5 - Processo de descarga de uma bateria
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
4. Artigo Interessante
Após a leitura deste artigo numa revista mensal achamos lucrativo inclui-lo no nosso
relatório pois é uma invenção que com um custo barato de produção consegue ser uma das
maiores promessas do futuro no que consta a baterias recarregáveis.
Baterias que recarregam em minutos e duram 20 anos - Exame Informática número
233, ano 19, Novembro de 2014
"Investigadores da Universidade de Tecnologia de Nanyang, em Singapura, estão a
trabalhar na criação de novas baterias de iões de lítio que conseguem recarregar 70% da
sua energia em dois minutos e que terão um ciclo de vida superior a 20 anos. O
segredo por detrás desta inovação é a utilização de nanotubos de dióxido de titânio no polo
negativo em vez do grafite, o que permite aumentar as reações químicas da bateria,
possibilitando 10 mil ciclos de carga em vez dos habituais 500. Ainda não há data definida
para estas baterias entrarem no circuito comercial, embora se considere que o processo de
fabrico seja relativamente simples e barato, pelo que os investigadores querem que a nova
tecnologia chegue ao mercado em dois anos. Segundo os investigadores, esta tecnologia
pode ter um impacto especialmente significativo na área dos carros elétricos, uma
vez que permite carregar a bateria em minutos em vez de horas e que garante que não
é necessário substituir a curto ou médio prazo um componente relativamente caro do
veículo."
Figura 6 - Fotografia retirada do artigo
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
5. Conclusões
A realização deste trabalho permitiu-nos elucidar sobre os métodos de carga e descarga
das pilhas recarregáveis, as suas aplicações e as suas capacidades disponíveis.
O tema em abordagem foi também bastante adequado ao curso, o que nos permitiu
obter conhecimentos prévios para assuntos que viremos a estudar no futuro próximo,
durante o nosso percurso académico.
Através do estudo das pilhas chegamos à conclusão que por trás de um objeto tão
simples existe uma grande complexidade de funcionamento, que é explicada em grande
parte ao longo do relatório. Devido a esta complexidade, há cuidados a ter com a utilização
das pilhas como a sua exposição ao calor ou frio excessivo, à forma como é realizada a sua
carga e até mesmo evitar quedas violentas.
A questão principal do relatório conseguiu ser respondida com sucesso após ser
realizada a parte experimental, onde foram testadas pilhas com o acompanhamento do
monitor e do supervisor.
Para finalizar, todos partilhamos a mesma opinião positiva sobre esta disciplina, que tem
como intuito introduzir todos os estudantes novatos ao mundo da engenharia de uma
maneira teórica e prática. Além dos conhecimentos adquiridos também é de valorizar o
modo como pudemos conhecer novas pessoas num mundo completamente diferente
daquele a que estávamos habituados, conectando os pontos fortes de cada um de nós com
objetivo de ter o melhor trabalho possível.
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Baterias NiMH - Influência da intensidade de descarga na capacidade das baterias
Referências bibliográficas
Bibliografia:
Exame Informática 233, ano 19, Novembro de 2014 - Página 20
Webgrafia:
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2014).
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http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_nickel_metal_hydride (acedido em 15 de
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Electrónica. Electrónica. http://www.electronica-pt.com/content/view/284/ (acedido em 15
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Globtek. Globtek, Inc. 2014. http://pt.globtek.com/nickel-metal-battery-packs.php#
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f (acedido em 13 de Outubro de 2014).