Una dintre cele mai importante caracteristici de performanță alebaterii de stocare a energieieste performanța lor de descărcare. Pentru a caracteriza comportamentul de descărcare al bateriei în diferite condiții, este necesar să se măsoare curba de descărcare a bateriei, care este de obicei o curbă care arată modificarea tensiunii de descărcare în timp. Condiții de descărcare diferite sunt caracterizate de strategii de descărcare, iar strategiile de descărcare diferite vor avea ca rezultat curbe de descărcare diferite. Strategiile de descărcare includ de obicei metoda de descărcare, curentul de descărcare, tensiunea de terminare și temperatura ambiantă.
Metoda de descărcare
Există trei moduri în care o baterie se poate descărca: descărcarea curentă constantă, descărcarea cu rezistență constantă și descărcarea constantă a puterii. Curbele tipice de descărcare sunt prezentate în Figura 1-5, care ilustrează modificările curentului de descărcare, tensiunii și puterii în timpul de descărcare în aceste trei moduri de descărcare.
În timpul descărcării cu rezistență constantă-, tensiunea de funcționare a bateriei și curentul de descărcare scad treptat în timp. În mod similar, în cazul unei-descărcări de curent constant, tensiunea de funcționare scade, de asemenea, pe măsură ce procesul de descărcare continuă. Această scădere a tensiunii de funcționare cu timp de descărcare prelungit se datorează creșterii rezistenței interne a bateriei. În plus, odată cu utilizarea din ce în ce mai mare a energiei bateriei în sculele electrice, vehiculele electrice și alte aplicații, descărcarea constantă-de putere devine din ce în ce mai răspândită. În timpul-descărcării cu putere constantă, tensiunea bateriei scade continuu, în timp ce curentul de descărcare crește continuu pe măsură ce descărcarea progresează.
Curent de descărcare
În timpul funcționării bateriei, curentul pe care îl iese se numește curent de descărcare. Curentul de descărcare este, de asemenea, denumit în mod obișnuit rata de descărcare și este adesea exprimat folosind rata orară (cunoscută și sub numele de rata orară) și multiplicatorul.
Rata de descărcare se referă la rata la care o baterie se descarcă, măsurată în timpul de descărcare. Mai exact, este timpul necesar pentru a elibera complet capacitatea bateriei folosind un anumit curent de descărcare, de obicei exprimat în ore (h). De exemplu, pentru o baterie cu o capacitate nominală de 10 amperi-ore (A·h), dacă este descărcată cu un curent de 2A, rata de descărcare corespunzătoare este de 5 ore (10A·h/2A=5h), ceea ce înseamnă că bateria se descarcă la o rată de 5 ore.
Rata de descărcare se referă la valoarea curentă, exprimată ca multiplu al capacității nominale a bateriei, atunci când capacitatea completă a bateriei este eliberată complet într-un anumit timp. De exemplu, descărcarea 2C înseamnă că curentul de descărcare este de două ori mai mare decât capacitatea nominală a bateriei, de obicei reprezentată de 2C (unde C reprezintă capacitatea nominală a bateriei). Pentru o baterie cu o capacitate nominală de 10A·h, descărcarea 2C (există o problemă dimensională aici, adică unitățile de capacitate și curent nu sunt aceleași, dar aceasta este o utilizare obișnuită, deci nu va fi schimbată) înseamnă că curentul de descărcare este de 2 x 10=20 (A), corespunzător unei rate de descărcare de 0,5h. Diferitele tipuri și modele de baterii au o adaptabilitate diferită la condițiile de descărcare: unele sunt mai potrivite pentru descărcarea cu curent scăzut, în timp ce altele funcționează mai bine la curenți mari. În general, ratele de descărcare mai mici sau egale cu 0,5C sunt numite rate scăzute; cele cuprinse între 0,5C și 3,5C se numesc rate medii; cele cuprinse între 3,5C și 7C se numesc rate ridicate; iar cele care depășesc 7C se numesc rate ultra-înalte.
Tensiunea de terminare
În timpul descărcării bateriei, valoarea inițială a tensiunii este definită ca tensiunea de pornire de funcționare; când tensiunea scade la un prag în care descărcarea ulterioară nu mai este adecvată, acest punct de tensiune se numește tensiune de terminare. Valoarea specifică a acestei tensiuni de terminare este stabilită de obicei de către tester pe baza cerințelor reale de testare și a experienței anterioare.
Tensiunea de terminare setată variază în funcție de diferitele condiții de descărcare și de impactul acestora asupra capacității și duratei de viață a bateriei. Tensiunile de terminare mai mici sunt utilizate de obicei în medii cu temperatură joasă-sau în condiții de descărcare cu curent ridicat-, în timp ce tensiunile de terminație mai mari sunt de obicei stabilite în condiții de descărcare cu curent scăzut-. Acest lucru se datorează faptului că polarizarea dintre electrozii bateriei crește semnificativ în timpul descărcării cu curent scăzut-la temperatură scăzută sau-înaltă, rezultând o utilizare incompletă a materialelor active și o cădere de tensiune mai rapidă. Prin urmare, scăderea corespunzătoare a tensiunii de terminare ajută la eliberarea mai multă energie. Dimpotrivă, atunci când utilizați o descărcare de curent redus, componentele active din baterie sunt utilizate mai pe deplin. În acest caz, creșterea tensiunii de terminare pentru a limita descărcarea profundă poate extinde în mod eficient durata de viață generală a bateriei.
Temperatura mediului ambiant
După cum se arată în Figura 1-6, temperatura ambiantă are un impact semnificativ asupra curbei de descărcare. La temperaturi mai ridicate, curba de descărcare prezintă o tendință relativ blândă; cu toate acestea, pe măsură ce temperatura scade, această schimbare devine din ce în ce mai drastică. Motivul fundamental este că la temperaturi scăzute, rata de migrare a ionilor scade, ducând la o creștere a rezistenței interne ohmice. În cazuri extreme, dacă temperatura este prea scăzută, electrolitul poate îngheța, împiedicând astfel procesul normal de descărcare a bateriei. În plus, la temperaturi mai scăzute, polarizarea electrochimică și polarizarea concentrației sunt îmbunătățite în mod corespunzător, accelerând și mai mult rata de dezintegrare a curbei de descărcare.
Figura 1-6 Curbele de descărcare ale bateriilor cu plumb-acid la diferite temperaturi ambientale
Capacitatea si capacitatea specifica
Capacitatea bateriei se referă la cantitatea de energie electrică care poate fi obținută de la o baterie în anumite condiții de descărcare. Unitatea este de obicei exprimată ca amperi-oră (Ah). În funcție de situația reală, capacitatea bateriei poate fi împărțită în continuare în capacitate teoretică, capacitatea reală și capacitatea nominală.
Capacitatea teoretică (Co) se referă la cantitatea de energie electrică care poate fi furnizată în condiții ideale atunci când materialul activ participă pe deplin la reacția electrochimică a bateriei. Această valoare se calculează pe baza masei materialului activ, urmând legea lui Faraday. Legea lui Faraday afirmă că există o relație direct proporțională între masa materialului care participă la reacția la electrod și cantitatea de sarcină pe care o transferă; când 1 mol de material activ participă la procesul electrochimic al bateriei, acesta poate elibera o încărcare echivalentă cu 26,8 A·h sau 1 farad (F). Prin urmare, există următoarea formulă de calcul:
În formulă, m este masa substanței active când reacţionează complet; n este numărul de electroni câștigați sau pierduți în timpul reacției de curgere; iar M este masa molară a substanței active.
În formulă, K este numit echivalentul electrochimic al substanței active.
După cum se arată în ecuația (1.5), capacitatea teoretică a unui electrod este legată de masa materialului activ și de echivalentul electrochimic. Cu aceeași masă de material activ, cu cât echivalentul electrochimic este mai mic, cu atât capacitatea teoretică este mai mare. Echivalentele electrochimice ale unor materiale pentru electrozi sunt prezentate în Tabelul 1-3.
Tabelul 1-3 Echivalenți electrochimici ai unor materiale pentru electrozi
| Materialul electrodului negativ | Densitate (g/cm³) | Capacitate specifică (mA·h/g) | Material electrod pozitiv | Densitate (g/cm³) | Capacitate specifică (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | În urmă | 7.4 | 2.31 |
| Al | 2.699 | 0.335 | SO₂ | 1.37 | 2.38 |
| Fe | 7.85 | 1.04 | MnO₂ | 5.0 | 3.24 |
| Zn | 7.1 | 1.22 | NiOOH | 7.4 | 3.42 |
| CD | 8.65 | 2.10 | Ag₂O | 7.1 | 4.33 |
| (Li)CI2 | 2.25 | 2.68 | PbO₂ | 9.3 | 4.45 |
| Pb | 11.34 | 3.87 | I₂ | 4.94 | 4.73 |
În plus, conceptele de capacitate reală și capacitate nominală sunt adesea folosite. Capacitatea reală se referă la cantitatea totală de energie electrică pe care o baterie o poate furniza în anumite condiții de descărcare. Capacitatea reală este limitată nu numai de valoarea maximă teoretică, ci și de condițiile specifice de descărcare.
Capacitatea nominală, pe de altă parte, este un set standard pentru baterie în timpul procesului de proiectare și fabricație; adică capacitatea minimă de ieșire pe care bateria ar trebui să o atingă în condițiile de descărcare specificate, cunoscută și ca capacitate nominală.
Când se compară diferite tipuri de baterii din aceeași serie, capacitatea specifică este de obicei utilizată pentru evaluare. Mai exact, capacitatea specifică se referă la cantitatea de energie electrică pe care o baterie o poate furniza per unitate de masă sau volum, adică capacitatea specifică de masă (Ah/kg) și capacitatea specifică volumetrică (Ah/L). Este important de reținut că atunci când se calculează masa și volumul unei baterii, pe lângă luarea în considerare a materialelor electrodului și a electrolitului, trebuie luate în considerare și alte componente ale bateriei, cum ar fi carcasa, separatorul și componentele conductoare aferente. În special pentru acumulatori și pile de combustie, masa și volumul total includ și toate echipamentele auxiliare necesare, precum rezervoarele pentru depozitarea lichidelor, dispozitivele de activare (pentru bateriile de stocare), sau sistemele de stocare și alimentare cu materiale active, sistemele de control, unitățile de încălzire etc. (pentru pile de combustibil).
Prin introducerea conceptului de capacitate specifică, putem compara performanța bateriilor de diferite tipuri și dimensiuni. Capacitatea bateriei este împărțită în capacitatea teoretică și capacitatea reală; în mod corespunzător, capacitatea specifică are și aspecte teoretice și actuale.
Energie și energie specifică
Energia bateriei se referă la energia electrică totală produsă de baterie atunci când se efectuează lucrări în condiții specifice de descărcare, exprimată în general în wați-ore (W·h). Energia bateriei are și o energie teoretică și o energie reală.
Presupunând că bateria rămâne în echilibru în timpul descărcării și tensiunea sa de descărcare este constantă egală cu forța sa electromotoare și, de asemenea, presupunând că toate materialele active participă la reacția chimică, atunci energia furnizată de baterie ar trebui să fie egală cu energia sa maximă teoretică Wo.
Energia teoretică a unei baterii este munca maximă fără-volum efectuată de baterie în condiții de temperatură constantă, presiune constantă și descărcare reversibilă.
Energia reală (W) se referă la energia furnizată efectiv de o baterie în anumite condiții de descărcare. Este derivat numeric prin înmulțirea capacității reale cu tensiunea medie de funcționare. Deoarece materialele active din interiorul bateriei nu pot fi utilizate pe deplin, iar tensiunea de funcționare a acesteia este de obicei mai mică decât forța electromotoare teoretică, energia reală este întotdeauna mai mică decât energia teoretică.
Energia specifică se referă la energia eliberată de o baterie per unitate de masă sau unitate de volum. Producția de energie pe unitatea de masă a bateriei este definită ca energie specifică masei, de obicei măsurată în wați-oră pe kilogram (Wh/kg). Producția de energie pe unitatea de volum a bateriei este definită ca energie specifică volumetrică, exprimată de obicei în wați-ore pe litru (Wh/L). În plus, conceptul de energie specifică poate fi subdivizat în continuare în teoretic (W) și real (W), unde energia specifică a masei teoretice poate fi calculată folosind ecuația (1.9):
În formulă, K+ este echivalentul electrochimic al materialului electrodului pozitiv; K- este echivalentul electrochimic al materialului electrodului negativ; iar E este forța electromotoare a bateriei.
Puterea și puterea specifică
Puterea bateriei se referă la puterea de ieșire a unei baterii pe unitatea de timp în condiții specifice de descărcare, iar unitatea sa de măsură este watt (W) sau kilowatt (kW). Când această putere de ieșire este considerată în raport cu masa sau volumul bateriei, se obține conceptul de putere specifică. Mai exact, puterea specifică masei măsoară câți wați de putere poate furniza o unitate de masă a bateriei, iar unitatea sa este W/kg; în timp ce puterea specifică volumetrică reflectă puterea generată de un volum unitar al bateriei, iar unitatea sa corespunzătoare este W/L.
Puterea și puterea specifică indică rata de descărcare a bateriei. O putere mai mare a bateriei înseamnă că bateria se poate descărca la un curent ridicat sau la rate mari. De exemplu, o baterie zinc-argint poate atinge o putere specifică de peste 100 W/kg atunci când se descarcă la o densitate medie de curent, ceea ce indică o rezistență internă scăzută și o performanță bună la-de descărcare. În schimb, o baterie cu celule uscate cu zinc-mangan poate atinge doar o putere specifică de 10 W/kg atunci când funcționează la o densitate scăzută de curent, ceea ce indică o rezistență internă ridicată și o performanță slabă de descărcare cu rata-înaltă. Similar cu energia bateriei, puterea are și putere teoretică și putere reală.
Puterea teoretică a unei baterii poate fi exprimată astfel:
În formulă, t este timpul; Co este capacitatea teoretică a bateriei; iar eu este curentul.
Puterea reală a bateriei ar trebui să fie:
În formulă, I2R reprezintă puterea consumată de rezistența internă a bateriei. Această putere este inutilă pentru sarcina aplicată; este convertită în esență în energie termică și eliberată sub formă de căldură.
Ciclu de viață
Pentru baterii, durata de viață sau ciclul de utilizare este unul dintre indicatorii cheie pentru evaluarea performanței bateriei. Fiecare ciclu complet de încărcare-descărcare este considerat o perioadă de timp pentru o baterie.
În anumite condiții de încărcare-descărcare, numărul de cicluri pe care o baterie le poate rezista înainte ca capacitatea sa să scadă la o anumită valoare specificată este definit ca ciclu de viață sau ciclu de utilizare. Cu cât durata de viață este mai lungă, cu atât performanța ciclului bateriei este mai bună. Diferitele tipuri de baterii prezintă durate de viață diferite; de exemplu, bateriile cu nichel-cadmiu pot realiza mii de cicluri, în timp ce bateriile cu zinc-argint au relativ mai puține cicluri, unele chiar mai puțin de o sută. Este demn de remarcat faptul că chiar și bateriile de același tip pot avea durate de viață diferite din cauza diferențelor în structura lor internă.
Durata de viață a unei baterii este afectată de o varietate de factori. Pe lângă utilizarea și întreținerea corespunzătoare, se aplică și următoarele aspecte cheie: ① În timpul ciclurilor de încărcare-descărcare, aria suprafeței materialului activ scade treptat, ceea ce duce la o creștere a densității curentului de funcționare și la polarizare intensificată; ② Componentele active de pe electrozi se pot desprinde sau transfera; ③ În timpul funcționării bateriei, unele materiale ale electrozilor pot fi corodate; ④ Dendritele formate pe electrozi în timpul ciclării pot cauza scurtcircuite în interiorul bateriei; ⑤ Separatorul poate fi deteriorat; ⑥ Morfologia cristalină a materialului activ se modifică în timpul ciclurilor repetate de încărcare-descărcare, reducându-și astfel activitatea.
Performanță de stocare
Performanța de stocare a bateriei se referă la gradul de pierdere naturală de energie în interiorul bateriei atunci când aceasta se află într-o stare de circuit deschis-în anumite condiții de mediu (cum ar fi temperatura și umiditatea). Acest fenomen este cunoscut și sub denumirea de-descărcare de sine. Dacă proporția de pierdere de energie în timpul stocării este mică, înseamnă că bateria are performanțe excelente de stocare.
Când o baterie se află într-o stare de-circuit deschis, deși nu furnizează energie electrică în exterior, ea trece totuși printr-un proces de auto-descărcare. Acest fenomen se datorează în principal instabilității termodinamice a electrozilor din mediul electrolitic, ducând la reacții redox spontane între electrozi. Chiar și în condiții uscate, dacă etanșarea nu este suficient de etanșă, infiltrarea factorilor externi, cum ar fi aerul sau umiditatea, poate încă declanșa un efect de auto-descărcare în interiorul bateriei.
Rata de auto-descărcare poate fi exprimată și ca numărul de zile necesare pentru ca capacitatea bateriei să scadă la o valoare specificată atunci când este depozitată, cunoscută sub numele de durată de valabilitate. Există termene de valabilitate uscate și durată de depozitare umedă. De exemplu, o baterie de stocare, fără a adăuga electrolit înainte de utilizare, poate fi depozitată o perioadă lungă de timp; o astfel de baterie poate avea o durată lungă de valabilitate uscată. Depozitarea cu electrolit se numește depozitare umedă; depozitarea umedă are ca rezultat un efect de auto-descărcare mai puternic și o durată de depozitare umedă relativ mai scurtă. De exemplu, o baterie zinc-argint poate avea o durată de valabilitate uscată de 5-8 ani, în timp ce durata de valabilitate umedă este de obicei de doar câteva luni.