Waħda mill-aktar karatteristiċi importanti tal-prestazzjonibatteriji tal-ħażna tal-enerġijahija l-prestazzjoni tal-iskarigu tagħhom. Biex tikkaratterizza l-imġieba tal-iskarigu tal-batterija taħt kundizzjonijiet differenti, huwa meħtieġ li titkejjel il-kurva tal-iskarigu tal-batterija, li ġeneralment tkun kurva li turi l-bidla tal-vultaġġ tal-iskarigu maż-żmien. Kundizzjonijiet ta 'skariku differenti huma kkaratterizzati minn strateġiji ta' skariku, u strateġiji ta 'skariku differenti jirriżultaw f'kurvi ta' skariku differenti. L-istrateġiji ta 'discharge tipikament jinkludu metodu ta' skarigu, kurrent ta 'skarigu, vultaġġ ta' terminazzjoni u temperatura ambjentali.
Metodu ta' kwittanza
Hemm tliet modi kif batterija tista 'tneħħi: skarigu ta' kurrent kostanti, skariku ta 'reżistenza kostanti, u skarigu ta' qawwa kostanti. Il-kurvi tipiċi tal-iskarigu huma murija fil-Figura 1-5, li turi l-bidliet fil-kurrent tal-iskarigu, il-vultaġġ, u l-qawwa fuq il-ħin tal-iskarigu taħt dawn it-tliet modi ta 'skarigu.
Waqt skarigu ta'-reżistenza kostanti, il-vultaġġ operattiv tal-batterija u l-kurrent ta' skarigu jonqsu gradwalment maż-żmien. Bl-istess mod, taħt skarigu ta' kurrent kostanti-, il-vultaġġ operattiv jonqos ukoll hekk kif il-proċess ta' skariku jkompli. Dan it-tnaqqis fil-vultaġġ operattiv b'ħin ta 'skariku fit-tul huwa dovut għaż-żieda fir-reżistenza interna tal-batterija. Barra minn hekk, bl-użu dejjem jikber tal-enerġija tal-batterija f'għodod tal-enerġija, vetturi elettriċi, u applikazzjonijiet oħra, skarigu tal-enerġija kostanti-qed isir aktar prevalenti. Waqt l-iskarigu tal-qawwa kostanti-, il-vultaġġ tal-batterija jonqos kontinwament filwaqt li l-kurrent tal-iskarigu jiżdied kontinwament hekk kif il-kwittanza timxi 'l quddiem.
Kurrent ta 'skarika
Waqt it-tħaddim tal-batterija, il-kurrent li joħroġ jissejjaħ il-kurrent ta 'skarika. Il-kurrent ta 'skarika huwa wkoll komunement imsejjaħ ir-rata ta' skariku, u ħafna drabi huwa espress bl-użu tar-rata ta 'siegħa (magħrufa wkoll bħala r-rata ta' kull siegħa) u l-multiplikatur.
Ir-rata ta 'skarika tirreferi għar-rata li biha batterija skarika, imkejla fil-ħin ta' skarigu. Speċifikament, huwa l-ħin meħtieġ biex tiġi rilaxxata kompletament il-kapaċità tal-batterija bl-użu ta 'kurrent ta' skariku speċifiku, normalment espress f'sigħat (h). Pereżempju, għal batterija b'kapaċità nominali ta '10 amp-siegħa (A·h), jekk tkun skarikata b'kurrent ta' 2A, ir-rata ta 'skarika korrispondenti hija ta' 5 sigħat (10A·h/2A=5h), li jfisser li l-batterija qed tiskarika b'rata ta '5 sigħat.
Ir-rata ta 'skarika tirreferi għall-valur kurrenti, espress bħala multiplu tal-kapaċità nominali tal-batterija, meta l-kapaċità sħiħa tal-batterija tkun rilaxxata għal kollox fi żmien speċifiku. Pereżempju, skarigu 2C ifisser li l-kurrent ta 'skarika huwa d-doppju tal-kapaċità nominali tal-batterija, ġeneralment rappreżentata minn 2C (fejn C tirrappreżenta l-kapaċità nominali tal-batterija). Għal batterija b'kapaċità ratata ta '10A·h, skarigu 2C (hemm kwistjoni dimensjonali hawn, jiġifieri, l-unitajiet ta' kapaċità u kurrent mhumiex l-istess, iżda dan huwa użu komuni, għalhekk mhux se jinbidel) ifisser li l-kurrent ta 'skariku huwa 2 x 10=20 (A), li jikkorrispondi għal rata ta' kwittanza ta '0.5h. Tipi u disinni differenti ta' batteriji għandhom adattabilità differenti għal kundizzjonijiet ta' skarigu: xi wħud huma aktar adattati għal skarigu ta' kurrent baxx-, filwaqt li oħrajn jaħdmu aħjar f'kurrenti għoljin. Ġeneralment, rati ta 'skariku inqas minn jew ugwali għal 0.5C jissejħu rati baxxi; dawk bejn 0.5C u 3.5C jissejħu rati medji; dawk bejn 3.5C u 7C jissejħu rati għoljin; u dawk li jaqbżu s-7C jissejħu rati ultra-għoli.
Vultaġġ tat-terminazzjoni
Matul il-ħruġ tal-batterija, il-valur tal-vultaġġ inizjali huwa definit bħala l-vultaġġ operattiv tal-bidu; meta l-vultaġġ jinżel għal limitu fejn aktar skarigu m'għadux adattat, dan il-punt tal-vultaġġ jissejjaħ il-vultaġġ tat-terminazzjoni. Il-valur speċifiku ta 'dan il-vultaġġ ta' terminazzjoni huwa ġeneralment stabbilit minn min jittestja bbażat fuq ir-rekwiżiti attwali tat-test u l-esperjenza tal-passat.
Il-vultaġġ tat-terminazzjoni stabbilit ivarja skont il-kundizzjonijiet ta 'skariku differenti u l-impatt tagħhom fuq il-kapaċità u l-ħajja tal-batterija. Vultaġġi ta' terminazzjoni aktar baxxi huma tipikament użati f'ambjenti ta'-temperatura baxxa jew taħt kundizzjonijiet ta' skarigu ta'-kurrent għoli, filwaqt li vultaġġi ta' terminazzjoni ogħla huma ġeneralment stabbiliti taħt kundizzjonijiet ta' skarigu ta'-kurrent baxx. Dan huwa minħabba li l-polarizzazzjoni bejn l-elettrodi tal-batterija tiżdied b'mod sinifikanti waqt skarigu ta '-temperatura baxxa jew għolja-kurrent, li jirriżulta f'utilizzazzjoni mhux kompluta ta' materjali attivi u waqgħa tal-vultaġġ aktar mgħaġġla. Għalhekk, it-tnaqqis xieraq tal-vultaġġ tat-terminazzjoni jgħin biex jirrilaxxa aktar enerġija. Bil-maqlub, meta tuża skarigu ta' kurrent baxx-, il-komponenti attivi fil-batterija jiġu utilizzati aktar bis-sħiħ. F'dan il-każ, iż-żieda tal-vultaġġ tat-terminazzjoni biex tillimita l-iskarigu fil-fond tista 'effettivament testendi l-ħajja ġenerali tal-batterija.
Temperatura ambjentali
Kif muri fil-Figura 1-6, it-temperatura ambjentali għandha impatt sinifikanti fuq il-kurva tal-iskarigu. F'temperaturi ogħla, il-kurva tal-iskarika turi xejra relattivament ġentili; madankollu, hekk kif it-temperatura tonqos, din il-bidla ssir dejjem aktar drastika. Ir-raġuni fundamentali hija li f'temperaturi baxxi, ir-rata ta 'migrazzjoni tal-joni tonqos, li twassal għal żieda fir-reżistenza interna ohmika. F'każijiet estremi, jekk it-temperatura tkun baxxa wisq, l-elettrolit jista 'jiffriża, u b'hekk ifixkel il-proċess normali ta' skariku tal-batterija. Barra minn hekk, f'temperaturi aktar baxxi, il-polarizzazzjoni elettrokimika u l-polarizzazzjoni tal-konċentrazzjoni huma mtejba b'mod korrispondenti, u jaċċelleraw aktar ir-rata tat-tħassir tal-kurva tal-iskarigu.
Figura 1-6 Kurvi ta' skarigu ta' batteriji taċ-ċomb-aċidu f'temperaturi ambjentali differenti
Kapaċità u kapaċità speċifika
Il-kapaċità tal-batterija tirreferi għall-ammont ta 'elettriku li jista' jinkiseb minn batterija taħt ċerti kundizzjonijiet ta 'skarika. L-unità hija ġeneralment espressa bħala ampere-siegħa (Ah). Skont is-sitwazzjoni attwali, il-kapaċità tal-batterija tista 'tiġi maqsuma aktar f'kapaċità teoretika, kapaċità attwali u kapaċità ratata.
Il-kapaċità teoretika (Co) tirreferi għall-ammont ta 'elettriku li jista' jiġi pprovdut taħt kundizzjonijiet ideali meta l-materjal attiv jipparteċipa bis-sħiħ fir-reazzjoni elettrokimika tal-batterija. Dan il-valur huwa kkalkulat abbażi tal-massa tal-materjal attiv, skont il-liġi ta 'Faraday. Il-liġi ta 'Faraday tiddikjara li hemm relazzjoni proporzjonali diretta bejn il-massa tal-materjal li jipparteċipa fir-reazzjoni fl-elettrodu u l-ammont ta' ċarġ li jittrasferixxi; meta 1 mol ta 'materjal attiv jipparteċipa fil-proċess elettrokimiku tal-batterija, jista' jirrilaxxa ħlas ekwivalenti għal 26.8 A·h jew 1 farad (F). Għalhekk, teżisti l-formula tal-kalkolu li ġejja:
Fil-formula, m hija l-massa tas-sustanza attiva meta tirreaġixxi kompletament; n huwa n-numru ta 'elettroni miksuba jew mitlufa matul ir-reazzjoni tal-fluss; u M hija l-massa molari tas-sustanza attiva.
Fil-formula, K jissejjaħ l-ekwivalenti elettrokimiku tas-sustanza attiva.
Kif muri fl-ekwazzjoni (1.5), il-kapaċità teoretika ta 'elettrodu hija relatata mal-massa tal-materjal attiv u l-ekwivalenti elettrokimiku. Bl-istess massa ta 'materjal attiv, iżgħar tkun l-ekwivalenti elettrokimiku, akbar tkun il-kapaċità teoretika. L-ekwivalenti elettrokimiċi ta 'xi materjali ta' l-elettrodu huma murija fit-Tabella 1-3.
Tabella 1-3 Ekwivalenti Elettrokimiċi ta 'xi Materjali ta' Elettrodi
| Materjal ta 'elettrodu negattiv | Densità (g/cm³) | Kapaċità Speċifika (mA·h/g) | Materjal ta 'elettrodu pożittiv | Densità (g/cm³) | Kapaċità Speċifika (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | AgO | 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)Cl₂ | 2.25 | 2.68 | PbO₂ | 9.3 | 4.45 |
| Pb | 11.34 | 3.87 | I₂ | 4.94 | 4.73 |
Barra minn hekk, ħafna drabi jintużaw il-kunċetti tal-kapaċità attwali u l-kapaċità nominali. Il-kapaċità attwali tirreferi għall-ammont totali ta 'elettriku li batterija tista' tipprovdi taħt kundizzjonijiet speċifiċi ta 'skarika. Il-kapaċità attwali hija limitata mhux biss mill-valur massimu teoretiku iżda wkoll mill-kundizzjonijiet speċifiċi ta 'skariku.
Il-kapaċità nominali, min-naħa l-oħra, hija sett standard għall-batterija matul il-proċess tad-disinn u l-manifattura; jiġifieri, il-kapaċità minima tal-ħruġ li l-batterija għandha tikseb taħt kundizzjonijiet ta 'skariku speċifikati, magħrufa wkoll bħala kapaċità nominali.
Meta jitqabblu tipi differenti ta 'batteriji fl-istess serje, kapaċità speċifika hija tipikament użata għall-evalwazzjoni. Speċifikament, kapaċità speċifika tirreferi għall-ammont ta' elettriku li batterija tista' tipprovdi għal kull unità ta' massa jew volum, jiġifieri, kapaċità speċifika tal-massa (Ah/kg) u kapaċità volumetrika speċifika (Ah/L). Huwa importanti li wieħed jinnota li meta tikkalkula l-massa u l-volum ta 'batterija, minbarra l-kunsiderazzjoni tal-materjali tal-elettrodu u l-elettrolit, għandhom jitqiesu wkoll komponenti oħra tal-batterija, bħall-casing, is-separatur u l-komponenti konduttivi relatati. Speċjalment għal batteriji tal-ħażna u ċelloli tal-fjuwil, il-massa u l-volum totali jinkludu wkoll it-tagħmir awżiljarju meħtieġ kollu, bħal tankijiet għall-ħażna ta 'likwidi, apparati ta' attivazzjoni (għal batteriji tal-ħażna), jew sistemi ta 'ħażna u provvista ta' materjal attiv, sistemi ta 'kontroll, unitajiet ta' tisħin, eċċ. (għal ċelloli tal-fjuwil).
Bl-introduzzjoni tal-kunċett ta 'kapaċità speċifika, nistgħu nqabblu l-prestazzjoni ta' batteriji ta 'tipi u daqsijiet differenti. Il-kapaċità tal-batterija hija maqsuma f'kapaċità teoretika u kapaċità attwali; b'mod korrispondenti, il-kapaċità speċifika għandha wkoll aspetti teoretiċi u attwali.
Enerġija u enerġija speċifika
L-enerġija tal-batterija tirreferi għall-output totali ta 'enerġija elettrika mill-batterija meta twettaq xogħol taħt kundizzjonijiet speċifiċi ta' skarigu, ġeneralment espress f'watt-sigħat (W·h). L-enerġija tal-batterija għandha wkoll enerġija teoretika u enerġija attwali.
Jekk wieħed jassumi li l-batterija tibqa 'ekwilibriju waqt il-ħruġ u l-vultaġġ tal-iskarigu tagħha huwa kostanti ugwali għall-forza elettromotiva tagħha, u jekk wieħed jassumi wkoll li l-materjali attivi kollha jipparteċipaw fir-reazzjoni kimika, allura l-enerġija pprovduta mill-batterija għandha tkun ugwali għall-enerġija massima teoretika tagħha Wo.
L-enerġija teoretika ta' batterija hija x-xogħol massimu mhux-volum magħmul mill-batterija taħt temperatura kostanti, pressjoni kostanti, u kundizzjonijiet ta' skariku riversibbli.
L-enerġija attwali (W) tirreferi għall-enerġija attwalment ipprovduta minn batterija taħt ċerti kundizzjonijiet ta 'skarika. Hija derivata numerikament billi timmultiplika l-kapaċità attwali bil-vultaġġ operattiv medju. Minħabba li l-materjali attivi ġewwa l-batterija ma jistgħux jiġu utilizzati bis-sħiħ, u l-vultaġġ operattiv tiegħu huwa ġeneralment aktar baxx mill-forza elettromottiva teoretika, l-enerġija attwali hija dejjem inqas minn enerġija teoretika.
Enerġija speċifika tirreferi għall-enerġija rilaxxata minn batterija għal kull unità ta 'massa jew unità ta' volum. Il-produzzjoni ta' enerġija għal kull unità ta' massa ta' batterija hija definita bħala enerġija speċifika għall-massa, tipikament imkejla f'watt-sigħat għal kull kilogramma (Wh/kg). Il-produzzjoni tal-enerġija għal kull unità ta' volum tal-batterija hija definita bħala enerġija speċifika volumetrika, tipikament espressa f'watt-sigħat għal kull litru (Wh/L). Barra minn hekk, il-kunċett ta' enerġija speċifika jista' jiġi suddiviż aktar f'teoretiku (W) u attwali (W), fejn l-enerġija speċifika tal-massa teoretika tista' tiġi kkalkulata bl-użu tal-ekwazzjoni (1.9):
Fil-formula, K + huwa l-ekwivalenti elettrokimiku tal-materjal tal-elettrodu pożittiv; K- huwa l-ekwivalenti elettrokimiku tal-materjal tal-elettrodu negattiv; u E hija l-forza elettromottiva tal-batterija.
Qawwa u qawwa speċifika
L-enerġija tal-batterija tirreferi għall-output ta 'enerġija ta' batterija għal kull unità ta 'ħin taħt kundizzjonijiet speċifiċi ta' skarigu, u l-unità ta 'kejl tagħha hija watt (W) jew kilowatt (kW). Meta din il-qawwa tal-ħruġ titqies b'relazzjoni mal-massa jew il-volum tal-batterija, jinkiseb il-kunċett ta 'qawwa speċifika. Speċifikament, qawwa speċifika tal-massa tkejjel kemm watts ta 'enerġija massa ta' unità ta 'batterija tista' tipprovdi, u l-unità tagħha hija W/kg; filwaqt li l-qawwa speċifika volumetrika tirrifletti l-enerġija ġġenerata minn volum ta 'unità ta' batterija, u l-unità korrispondenti tagħha hija W/L.
Il-qawwa u l-qawwa speċifika jindikaw ir-rata ta 'skarika ta' batterija. Qawwa ogħla tal-batterija tfisser li l-batterija tista 'tneħħi b'kurrent għoli jew rati għoljin. Pereżempju, batterija taż-żingu-fidda tista 'tikseb qawwa speċifika ta' aktar minn 100 W/kg meta skarika f'densità ta 'kurrent medja, li tindika reżistenza interna baxxa u prestazzjoni tajba ta' skarigu ta'-rata għolja. B'kuntrast, batterija ta 'ċelluli niexfa taż-żingu-manganiż tista' tikseb biss qawwa speċifika ta '10 W/kg meta topera b'densità ta' kurrent baxxa, li tindika reżistenza interna għolja u prestazzjoni fqira ta 'skariku b'rata għolja-. Simili għall-enerġija tal-batterija, l-enerġija għandha wkoll qawwa teoretika u qawwa attwali.
Il-qawwa teoretika ta 'batterija tista' tiġi espressa bħala:
Fil-formula, t huwa l-ħin; Co hija l-kapaċità teoretika tal-batterija; u jien il-kurrent.
Il-qawwa attwali tal-batterija għandha tkun:
Fil-formula, I2R tirrappreżenta l-enerġija kkunsmata mir-reżistenza interna tal-batterija. Din il-qawwa hija inutli għat-tagħbija applikata; huwa essenzjalment konvertit f'enerġija tas-sħana u rilaxxat bħala sħana.
Ħajja taċ-ċiklu
Għall-batteriji, il-ħajja taċ-ċiklu, jew iċ-ċiklu tal-użu, huwa wieħed mill-indikaturi ewlenin għall-evalwazzjoni tal-prestazzjoni tal-batterija. Kull ċiklu sħiħ ta' skarigu ta' charge-huwa meqjus bħala perjodu ta' żmien għal batterija.
Taħt kundizzjonijiet speċifiċi ta' ħlas-skariku, in-numru ta' ċikli li batterija tista' tiflaħ qabel ma l-kapaċità tagħha tinżel għal ċertu valur speċifikat huwa definit bħala l-ħajja taċ-ċiklu jew iċ-ċiklu tal-użu tagħha. Aktar ma tkun itwal il-ħajja taċ-ċiklu, aħjar il-prestazzjoni taċ-ċiklu tal-batterija. Tipi differenti ta 'batteriji juru ħajjiet ta' ċiklu differenti; pereżempju, il-batteriji tan-nikil-kadmju jistgħu jiksbu eluf ta 'ċikli, filwaqt li l-batteriji taż-żingu-fidda għandhom relattivament inqas ċikli, xi wħud saħansitra inqas minn mitt. Ta 'min jinnota li anke batteriji tal-istess tip jista' jkollhom ħajja ta 'ċiklu differenti minħabba differenzi fl-istruttura interna tagħhom.
Il-ħajja taċ-ċiklu ta 'batterija hija affettwata minn varjetà ta' fatturi. Minbarra l-użu u l-manutenzjoni xierqa, japplikaw ukoll l-aspetti ewlenin li ġejjin: ① Matul iċ-ċikli ta 'ċarġ-, l-erja tal-wiċċ tal-materjal attiv tonqos gradwalment, li twassal għal żieda fid-densità tal-kurrent operattiv u polarizzazzjoni intensifikata; ② Komponenti attivi fuq l-elettrodi jistgħu jinqalgħu jew jittrasferixxu; ③ Waqt it-tħaddim tal-batterija, xi materjali ta 'l-elettrodu jistgħu jiġu msadda; ④ Dendriti ffurmati fuq l-elettrodi waqt iċ-ċikliżmu jistgħu jikkawżaw short circuits ġewwa l-batterija; ⑤ Is-separatur jista 'jkun bil-ħsara; ⑥ Il-morfoloġija tal-kristall tal-materjal attiv tinbidel matul iċ-ċikli ripetuti ta 'ċarġ-, u b'hekk titnaqqas l-attività tagħha.
Prestazzjoni tal-ħażna
Il-prestazzjoni tal-ħażna tal-batterija tirreferi għall-grad ta 'telf ta' enerġija naturali fil-batterija meta tkun fi stat ta' ċirkwit miftuħ- taħt kundizzjonijiet ambjentali speċifiċi (bħal temperatura u umdità). Dan il-fenomenu huwa magħruf ukoll bħala awto-kwittanza. Jekk il-proporzjon ta 'telf ta' enerġija waqt il-ħażna huwa żgħir, jindika li l-batterija għandha prestazzjoni ta 'ħażna eċċellenti.
Meta batterija tkun fi stat ta' ċirkwit miftuħ-, għalkemm ma tkunx qed tforni enerġija elettrika għal barra, xorta tgħaddi minn proċess ta' awto-skarika. Dan il-fenomenu huwa prinċipalment dovut għall-instabilità termodinamika tal-elettrodi fl-ambjent tal-elettroliti, li jwassal għal reazzjonijiet redox spontanji bejn l-elettrodi. Anke f'kundizzjonijiet niexfa, jekk is-siġill ma jkunx issikkat biżżejjed, l-infiltrazzjoni ta 'fatturi esterni bħall-arja jew l-umdità xorta tista' twassal għal awto-effett ta 'skarika ġewwa l-batterija.
Ir-rata ta' skarigu awto-tista' wkoll tiġi espressa bħala n-numru ta' jiem li tieħu biex il-kapaċità tal-batterija tonqos għal valur speċifikat meta tinħażen, magħruf bħala ħajja fuq l-ixkaffa. Hemm ħajja fuq l-ixkaffa niexfa u ħajja fuq l-ixkaffa mxarrba. Pereżempju, batterija tal-ħażna, mingħajr ma żżid elettrolit qabel l-użu, tista 'tinħażen għal żmien twil; batterija bħal din jista 'jkollha ħajja twila fuq l-ixkaffa niexfa. Il-ħażna bl-elettrolit tissejjaħ ħażna mxarrba; ħażna mxarrba tirriżulta f'effett aktar b'saħħtu ta 'awto-skariku u ħajja ta' konservazzjoni fl-imxarrab relattivament iqsar. Pereżempju, batterija taż-żingu-fidda jista' jkollha ħajja niexfa fuq l-ixkaffa ta' 5–8 snin, filwaqt li l-ħajja fuq l-ixkaffa mxarrba tagħha tipikament hija biss ftit xhur.