Једна од најважнијих карактеристика перформансибатерије за складиштење енергијеје њихов учинак пражњења. Да би се окарактерисало понашање батерије при пражњењу у различитим условима, потребно је измерити криву пражњења батерије, која је обично крива која показује промену напона пражњења током времена. Различите услове пражњења карактеришу стратегије пражњења, а различите стратегије пражњења ће резултирати различитим кривуљама пражњења. Стратегије пражњења обично укључују метод пражњења, струју пражњења, завршни напон и температуру околине.
Метода пражњења
Постоје три начина на које се батерија може празнити: пражњење константном струјом, пражњење константног отпора и пражњење константне струје. Типичне криве пражњења приказане су на слици 1-5, која илуструје промене у струји пражњења, напону и снази током времена пражњења под ова три начина пражњења.
Током пражњења са константним{0}}отпором, радни напон батерије и струја пражњења постепено се смањују током времена. Слично, под константном-струјним пражњењем, радни напон такође опада како се процес пражњења наставља. Ово смањење радног напона са продуженим временом пражњења је последица повећања унутрашњег отпора батерије. Штавише, са све већом употребом батерије у електричним алатима, електричним возилима и другим апликацијама, стално{5}}пражњење постаје све заступљеније. Током константног-пражњења, напон батерије континуирано опада док се струја пражњења непрекидно повећава како пражњење напредује.
Струја пражњења
Током рада батерије, струја коју производи назива се струја пражњења. Струја пражњења се такође обично назива брзином пражњења и често се изражава коришћењем сатнице (познате и као сатница) и множитеља.
Брзина пражњења се односи на брзину којом се батерија празни, мерену током времена пражњења. Конкретно, то је време потребно за потпуно ослобађање капацитета батерије користећи специфичну струју пражњења, обично изражену у сатима (х). На пример, за батерију номиналног капацитета од 10 амп-часова (А·х), ако се празни струјом од 2А, одговарајућа брзина пражњења је 5 сати (10А·х/2А=5х), што значи да се батерија празни брзином од 5 сати.
Брзина пражњења се односи на тренутну вредност, изражену као умножак називног капацитета батерије, када се пуни капацитет батерије потпуно ослободи у одређеном времену. На пример, 2Ц пражњење значи да је струја пражњења двоструко већа од називног капацитета батерије, обично представљеног са 2Ц (где Ц представља називни капацитет батерије). За батерију називног капацитета од 10 А·х, 2Ц пражњење (овде постоји проблем са димензијама, тј. јединице капацитета и струје нису исте, али ово је уобичајена употреба, тако да се неће мењати) значи да је струја пражњења 2 к 10=20 (А), што одговара брзини пражњења од 0,5 х. Различити типови и дизајн батерија имају различиту прилагодљивост условима пражњења: неке су погодније за ниску{12}}струјно пражњење, док друге боље раде при великим струјама. Уопштено, брзине пражњења мање од или једнаке 0,5Ц називају се ниске стопе; оне између 0,5Ц и 3,5Ц називају се средње брзине; оне између 3,5Ц и 7Ц називају се високе стопе; а оне које прелазе 7Ц се називају ултра{20}}високим стопама.
Завршни напон
Током пражњења батерије, почетна вредност напона се дефинише као почетни радни напон; када напон падне до прага где даље пражњење више није погодно, ова тачка напона се назива напон завршетка. Специфичну вредност овог завршног напона обично поставља тестер на основу стварних захтева испитивања и претходног искуства.
Подешени завршни напон варира у зависности од различитих услова пражњења и њиховог утицаја на капацитет и животни век батерије. Нижи напони завршетка се обично користе у окружењима са ниским-температурама или под високим-условима пражњења, док се виши напони завршетка обично постављају у условима ниске-струјног пражњења. То је зато што се поларизација између електрода батерије значајно повећава током пражњења ниске -температуре или велике- струје, што доводи до непотпуног коришћења активних материјала и бржег пада напона. Стога, одговарајуће смањење напона завршетка помаже у ослобађању више енергије. Насупрот томе, када се користи слаба{9}}струја пражњења, активне компоненте у батерији се потпуније користе. У овом случају, повећање напона завршетка ради ограничавања дубоког пражњења може ефикасно продужити укупан век трајања батерије.
Температура околине
Као што је приказано на слици 1-6, температура околине има значајан утицај на криву пражњења. На вишим температурама, крива пражњења показује релативно благи тренд; међутим, како температура пада, ова промена постаје све драстичнија. Основни разлог је тај што се при ниским температурама брзина миграције јона смањује, што доводи до повећања унутрашњег отпора ома. У екстремним случајевима, ако је температура прениска, електролит се може смрзнути, ометајући тако нормалан процес пражњења батерије. Штавише, на нижим температурама, електрохемијска поларизација и поларизација концентрације су одговарајуће појачане, додатно убрзавајући стопу опадања криве пражњења.
Слика 1-6 Криве пражњења оловних батерија на различитим температурама околине
Капацитет и специфични капацитет
Капацитет батерије се односи на количину електричне енергије која се може добити из батерије под одређеним условима пражњења. Јединица се обично изражава као ампер-час (Ах). У зависности од стварне ситуације, капацитет батерије се може даље поделити на теоретски капацитет, стварни капацитет и називни капацитет.
Теоретски капацитет (Цо) се односи на количину електричне енергије која се може обезбедити у идеалним условима када активни материјал у потпуности учествује у електрохемијској реакцији батерије. Ова вредност се израчунава на основу масе активног материјала, према Фарадејевом закону. Фарадејев закон каже да постоји директна пропорционална веза између масе материјала који учествује у реакцији на електроди и количине наелектрисања коју преноси; када 1 мол активног материјала учествује у електрохемијском процесу батерије, може ослободити наелектрисање еквивалентно 26,8 А·х или 1 фарад (Ф). Дакле, постоји следећа формула за израчунавање:
У формули, м је маса активне супстанце када потпуно реагује; н је број електрона добијених или изгубљених током реакције протока; а М је моларна маса активне супстанце.
У формули, К се назива електрохемијским еквивалентом активне супстанце.
Као што је приказано у једначини (1.5), теоријски капацитет електроде повезан је са масом активног материјала и електрохемијским еквивалентом. Са истом масом активног материјала, што је мањи електрохемијски еквивалент, већи је теоретски капацитет. Електрохемијски еквиваленти неких материјала електрода приказани су у табели 1-3.
Табела 1-3 Електрохемијски еквиваленти неких материјала електрода
| Материјал негативне електроде | Густина (г/цм³) | Специфични капацитет (мА·х/г) | Материјал позитивне електроде | Густина (г/цм³) | Специфични капацитет (мА·х/г) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Ли | 0.534 | 0.259 | СОЦл₂ | 1.63 | 2.22 |
| Мг | 0.74 | 0.454 | АгО | 7.4 | 2.31 |
| Ал | 2.699 | 0.335 | СО₂ | 1.37 | 2.38 |
| Фе | 7.85 | 1.04 | МнО₂ | 5.0 | 3.24 |
| Зн | 7.1 | 1.22 | НиООХ | 7.4 | 3.42 |
| Цд | 8.65 | 2.10 | Аг₂О | 7.1 | 4.33 |
| (Ли)Цл₂ | 2.25 | 2.68 | ПбО₂ | 9.3 | 4.45 |
| Пб | 11.34 | 3.87 | I₂ | 4.94 | 4.73 |
Поред тога, често се користе концепти стварног капацитета и номиналног капацитета. Стварни капацитет се односи на укупну количину електричне енергије коју батерија може да обезбеди под одређеним условима пражњења. Стварни капацитет је ограничен не само теоријском максималном вредношћу већ и специфичним условима пражњења.
Називни капацитет, с друге стране, је стандардни сет за батерију током процеса пројектовања и производње; односно минимални излазни капацитет који батерија треба да постигне под одређеним условима пражњења, такође познат као називни капацитет.
Када се пореде различите врсте батерија у оквиру исте серије, за процену се обично користи одређени капацитет. Конкретно, специфични капацитет се односи на количину електричне енергије коју батерија може да обезбеди по јединици масе или запремине, тј. специфични капацитет масе (Ах/кг) и запремински специфични капацитет (Ах/Л). Важно је напоменути да приликом израчунавања масе и запремине батерије, поред разматрања материјала електроде и електролита, морају се узети у обзир и друге компоненте батерије, као што су кућиште, сепаратор и сродне проводне компоненте. Посебно за акумулаторе и горивне ћелије, укупна маса и запремина обухватају и сву неопходну помоћну опрему, као што су резервоари за складиштење течности, уређаји за активирање (за батерије за складиштење), или системи за складиштење и снабдевање активним материјалом, системи управљања, јединице за грејање итд (за горивне ћелије).
Увођењем концепта специфичног капацитета можемо упоредити перформансе батерија различитих типова и величина. Капацитет батерије се дели на теоретски и стварни капацитет; сходно томе, специфични капацитет има и теоретски и стварни аспект.
Енергија и специфична енергија
Енергија батерије се односи на укупну електричну енергију коју батерија производи када обавља рад под одређеним условима пражњења, генерално изражену у ват{0}}сатима (В·х). Енергија батерије такође има теоретску енергију и стварну енергију.
Под претпоставком да батерија остаје у равнотежи током пражњења и да је њен напон пражњења константан једнак њеној електромоторној сили, а такође под претпоставком да сви активни материјали учествују у хемијској реакцији, тада би енергија коју даје батерија требала бити једнака њеној теоријској максималној енергији Во.
Теоретска енергија батерије је максимални рад без{0}}запреминске батерије који обавља батерија при константној температури, константном притиску и реверзибилним условима пражњења.
Стварна енергија (В) се односи на енергију коју стварно обезбеђује батерија под одређеним условима пражњења. Он се нумерички изводи множењем стварног капацитета са средњим радним напоном. Пошто се активни материјали унутар батерије не могу у потпуности искористити, а њен радни напон је обично нижи од теоријске електромоторне силе, стварна енергија је увек мања од теоријске енергије.
Специфична енергија се односи на енергију коју ослобађа батерија по јединици масе или јединици запремине. Излазна енергија по јединици масе батерије је дефинисана као специфична енергија за масу, која се обично мери у ват-сатима по килограму (Вх/кг). Излазна енергија по јединици запремине батерије је дефинисана као запреминска специфична енергија, обично изражена у ват-сатима по литру (Вх/Л). Штавише, концепт специфичне енергије може се даље поделити на теоријску (В) и стварну (В), где се теоријска специфична енергија за масу може израчунати помоћу једначине (1.9):
У формули, К+ је електрохемијски еквивалент материјала позитивне електроде; К- је електрохемијски еквивалент материјала негативне електроде; а Е је електромоторна сила батерије.
Моћ и специфична моћ
Снага батерије се односи на излазну енергију батерије по јединици времена под одређеним условима пражњења, а њена мерна јединица је ват (В) или киловат (кВ). Када се ова излазна снага посматра у односу на масу или запремину батерије, добија се концепт специфичне снаге. Конкретно, маса специфична снага мери колико вати снаге може да обезбеди јединица масе батерије, а њена јединица је В/кг; док волуметријска специфична снага одражава снагу коју генерише јединица запремине батерије, а њена одговарајућа јединица је В/Л.
Снага и специфична снага означавају брзину пражњења батерије. Већа снага батерије значи да се батерија може празнити великом струјом или великим брзинама. На пример, цинк{2}}сребрна батерија може да постигне специфичну снагу од преко 100 В/кг при пражњењу при средњој густини струје, што указује на низак унутрашњи отпор и добре перформансе пражњења великом брзином. Насупрот томе, батерија са сувим ћелијама са цинк-манганом може да постигне специфичну снагу од само 10 В/кг када ради при ниској густини струје, што указује на висок унутрашњи отпор и лоше перформансе пражњења при великој брзини. Слично енергији батерија, снага такође има теоријску снагу и стварну снагу.
Теоријска снага батерије може се изразити као:
У формули, т је време; Цо је теоретски капацитет батерије; а ја сам струја.
Стварна снага батерије треба да буде:
У формули, И2Р представља снагу коју троши унутрашњи отпор батерије. Ова снага је бескорисна за примењено оптерећење; у суштини се претвара у топлотну енергију и ослобађа се као топлота.
Живот циклуса
За батерије, животни век или циклус употребе, један је од кључних индикатора за процену перформанси батерије. Сваки комплетан циклус{1}}пражњења се сматра временским периодом за батерију.
Под одређеним условима пуњења{0}}пражњења, број циклуса који батерија може да издржи пре него што њен капацитет падне на одређену одређену вредност се дефинише као животни век или циклус коришћења. Што је дужи век трајања циклуса, то су боље перформансе циклуса батерије. Различити типови батерија показују различит животни век; на пример, никл-кадмијум батерије могу да постигну хиљаде циклуса, док цинк-сребрне батерије имају релативно мање циклуса, неке чак и мање од стотину. Вреди напоменути да чак и батерије истог типа могу имати различит животни век због разлика у њиховој унутрашњој структури.
На животни век батерије утичу различити фактори. Поред правилне употребе и одржавања, важе и следећи кључни аспекти: ① Током циклуса пуњења-пражњења, површина активног материјала се постепено смањује, што доводи до повећања густине радне струје и појачане поларизације; ② Активне компоненте на електродама се могу одвојити или пренети; ③ Током рада батерије, неки материјали електрода могу бити кородирани; ④ Дендрити формирани на електродама током циклуса могу изазвати кратке спојеве унутар батерије; ⑤ Може се оштетити сепаратор; ⑥ Морфологија кристала активног материјала се мења током поновљених циклуса пуњења{2}}пражњења, чиме се смањује његова активност.
Перформансе складиштења
Перформансе складиштења батерије односе се на степен природног губитка енергије унутар батерије када је у-отвореном кругу под одређеним условима околине (као што су температура и влажност). Овај феномен је такође познат као-самопражњење. Ако је пропорција губитка енергије током складиштења мала, то указује да батерија има одличне перформансе складиштења.
Када је батерија у отвореном- стању, иако не испоручује електричну енергију споља, она и даље пролази кроз процес{1}}самопражњења. Овај феномен је углавном због термодинамичке нестабилности електрода у електролитном окружењу, што доводи до спонтаних редокс реакција између електрода. Чак и у сувим условима, ако заптивка није довољно чврста, инфилтрација спољних фактора као што су ваздух или влага и даље може да изазове ефекат-самопражњења унутар батерије.
Стопа{0}}самопражњења се такође може изразити као број дана потребних да се капацитет батерије смањи на одређену вредност када се складишти, познату као рок трајања. Постоје рок трајања у сувом и мокром. На пример, батерија за складиштење, без додавања електролита пре употребе, може се чувати дуго времена; таква батерија може имати дуги суви век трајања. Складиштење са електролитом назива се мокро складиштење; мокро складиштење резултира јачим ефектом-самопражњења и релативно краћим мокрим роком трајања. На пример, цинк-сребрна батерија може имати век трајања у сувом стању од 5–8 година, док је мокри век трајања обично само неколико месеци.