Performanse pražnjenja baterija za pohranu energije

Jedna od najvažnijih karakteristika izvedbebaterije za pohranu energijeje njihov učinak pražnjenja. Za karakterizaciju ponašanja baterije pri pražnjenju u različitim uvjetima, potrebno je izmjeriti krivulju pražnjenja baterije, koja je obično krivulja koja pokazuje promjenu napona pražnjenja tijekom vremena. Različite uvjete pražnjenja karakteriziraju strategije pražnjenja, a različite strategije pražnjenja rezultirat će različitim krivuljama pražnjenja. Strategije pražnjenja obično uključuju metodu pražnjenja, struju pražnjenja, napon završetka i temperaturu okoline.

Metoda pražnjenja

Postoje tri načina na koje se baterija može prazniti: pražnjenje konstantnom strujom, pražnjenje konstantnim otporom i pražnjenje konstantnom snagom. Tipične krivulje pražnjenja prikazane su na slici 1-5, koja ilustrira promjene u struji pražnjenja, naponu i snazi ​​tijekom vremena pražnjenja pod ova tri načina pražnjenja.

Tijekom konstantnog-otpornog pražnjenja, radni napon baterije i struja pražnjenja postupno se smanjuju tijekom vremena. Slično, pod stalnim-strujnim pražnjenjem, radni napon također opada kako se proces pražnjenja nastavlja. Ovo smanjenje radnog napona s produljenim vremenom pražnjenja posljedica je povećanja unutarnjeg otpora baterije. Nadalje, sa sve većom upotrebom baterijskog napajanja u električnim alatima, električnim vozilima i drugim primjenama, stalno-pražnjenje struje postaje sve prisutnije. Tijekom stalnog-pražnjenja, napon baterije kontinuirano opada dok struja pražnjenja kontinuirano raste kako pražnjenje napreduje.

Struja pražnjenja

Tijekom rada baterije, struja koju proizvodi naziva se struja pražnjenja. Struja pražnjenja također se obično naziva brzinom pražnjenja, a često se izražava korištenjem satnice (također poznate kao satnica) i množitelja.

Brzina pražnjenja odnosi se na brzinu kojom se baterija prazni, mjereno u vremenu pražnjenja. Konkretno, to je vrijeme potrebno za potpuno oslobađanje kapaciteta baterije pomoću specifične struje pražnjenja, obično izraženo u satima (h). Na primjer, za bateriju nazivnog kapaciteta od 10 amper-sati (A·h), ako se isprazni strujom od 2A, odgovarajuća brzina pražnjenja je 5 sati (10A·h/2A=5h), što znači da se baterija prazni brzinom od 5 sati.

Brzina pražnjenja odnosi se na trenutnu vrijednost, izraženu kao višekratnik nazivnog kapaciteta baterije, kada se puni kapacitet baterije u potpunosti oslobodi unutar određenog vremena. Na primjer, 2C pražnjenje znači da je struja pražnjenja dvostruko veća od nazivnog kapaciteta baterije, obično predstavljena s 2C (gdje C predstavlja nazivni kapacitet baterije). Za bateriju s nazivnim kapacitetom od 10 A·h, pražnjenje od 2 C (ovdje postoji dimenzionalni problem, tj. jedinice kapaciteta i struje nisu iste, ali to je uobičajena upotreba, pa se neće mijenjati) znači da je struja pražnjenja 2 x 10=20 (A), što odgovara brzini pražnjenja od 0,5 h. Različite vrste i dizajni baterija imaju različitu prilagodljivost uvjetima pražnjenja: neke su prikladnije za nisko-strujno pražnjenje, dok druge rade bolje pri velikim strujama. Općenito, brzine pražnjenja manje od ili jednake 0,5C nazivaju se niske stope; oni između 0,5C i 3,5C nazivaju se srednjim brzinama; oni između 3,5C i 7C nazivaju se visokim stopama; a one koje prelaze 7C nazivaju se ultra-visoke stope.

Završni napon

Tijekom pražnjenja baterije početna vrijednost napona je definirana kao početni radni napon; kada napon padne do praga gdje daljnje pražnjenje više nije prikladno, ta se točka napona naziva naponom završetka. Konkretnu vrijednost ovog napona završetka obično postavlja ispitivač na temelju stvarnih zahtjeva ispitivanja i prošlog iskustva.

Postavljeni završni napon varira ovisno o različitim uvjetima pražnjenja i njihovom utjecaju na kapacitet i životni vijek baterije. Niži naponi završetka obično se koriste u okruženjima niske-temperature ili u uvjetima pražnjenja visoke-struje, dok se viši naponi završetka obično postavljaju pod uvjetima pražnjenja-niske struje. To je zato što se polarizacija između elektroda baterije značajno povećava tijekom niske-temperature ili visoke-struje pražnjenja, što rezultira nepotpunim iskorištenjem aktivnih materijala i bržim padom napona. Stoga odgovarajuće smanjenje napona završetka pomaže oslobađanju više energije. Nasuprot tome, kada se koristi nisko-strujno pražnjenje, aktivne komponente u bateriji se potpunije iskorištavaju. U tom slučaju povećanje napona završetka radi ograničavanja dubokog pražnjenja može učinkovito produžiti ukupni životni vijek baterije.

Temperatura okoline

Kao što je prikazano na slici 1-6, temperatura okoline ima značajan utjecaj na krivulju pražnjenja. Na višim temperaturama, krivulja pražnjenja pokazuje relativno blag trend; međutim, kako se temperatura smanjuje, ova promjena postaje sve drastičnija. Temeljni razlog je taj što se pri niskim temperaturama brzina migracije iona smanjuje, što dovodi do povećanja omskog unutarnjeg otpora. U ekstremnim slučajevima, ako je temperatura preniska, elektrolit se može smrznuti, ometajući normalan proces pražnjenja baterije. Nadalje, pri nižim temperaturama, elektrokemijska polarizacija i koncentracijska polarizacija su odgovarajuće pojačane, dodatno ubrzavajući stopu opadanja krivulje pražnjenja.

Slika 1-6 Krivulje pražnjenja olovnih baterija pri različitim temperaturama okoline

Kapacitet i specifični kapacitet

Kapacitet baterije odnosi se na količinu električne energije koja se može dobiti iz baterije pod određenim uvjetima pražnjenja. Jedinica se obično izražava kao amper-sat (Ah). Ovisno o stvarnoj situaciji, kapacitet baterije može se dalje podijeliti na teoretski kapacitet, stvarni kapacitet i nazivni kapacitet.

Teoretski kapacitet (Co) odnosi se na količinu električne energije koja se može osigurati u idealnim uvjetima kada aktivni materijal u potpunosti sudjeluje u elektrokemijskoj reakciji baterije. Ova se vrijednost izračunava na temelju mase aktivnog materijala, slijedeći Faradayev zakon. Faradayev zakon kaže da postoji izravan proporcionalni odnos između mase materijala koji sudjeluje u reakciji na elektrodi i količine naboja koju prenosi; kada 1 mol aktivnog materijala sudjeluje u elektrokemijskom procesu baterije, može osloboditi naboj ekvivalentan 26,8 A·h ili 1 farad (F). Stoga postoji sljedeća formula za izračun:

U formuli je m masa aktivne tvari kada potpuno reagira; n je broj elektrona dobivenih ili izgubljenih tijekom reakcije protoka; a M je molarna masa aktivne tvari.

U formuli se K naziva elektrokemijski ekvivalent aktivne tvari.

Kao što je prikazano u jednadžbi (1.5), teorijski kapacitet elektrode povezan je s masom aktivnog materijala i elektrokemijskim ekvivalentom. Uz istu masu aktivnog materijala, što je manji elektrokemijski ekvivalent, veći je teorijski kapacitet. Elektrokemijski ekvivalenti nekih materijala elektroda prikazani su u tablici 1-3.

Tablica 1-3 Elektrokemijski ekvivalenti nekih materijala elektroda

Osim toga, često se koriste koncepti stvarnog kapaciteta i nazivnog kapaciteta. Stvarni kapacitet odnosi se na ukupnu količinu električne energije koju baterija može dati pod određenim uvjetima pražnjenja. Stvarni kapacitet ograničen je ne samo teoretskom maksimalnom vrijednošću već i specifičnim uvjetima pražnjenja.

Nazivni kapacitet, s druge strane, standardni je skup za bateriju tijekom procesa projektiranja i proizvodnje; to jest, minimalni izlazni kapacitet koji baterija treba postići pod određenim uvjetima pražnjenja, također poznat kao nazivni kapacitet.

Kada se uspoređuju različite vrste baterija unutar iste serije, za ocjenu se obično koristi specifični kapacitet. Konkretno, specifični kapacitet odnosi se na količinu električne energije koju baterija može dati po jedinici mase ili volumena, tj. specifični kapacitet mase (Ah/kg) i volumetrijski specifični kapacitet (Ah/L). Važno je napomenuti da se pri izračunu mase i volumena baterije, osim razmatranja materijala elektrode i elektrolita, moraju uzeti u obzir i druge komponente baterije, kao što su kućište, separator i srodne vodljive komponente. Posebno za akumulatore i gorivne ćelije, u ukupnu masu i obujam uključena je i sva potrebna pomoćna oprema, kao što su spremnici za skladištenje tekućina, uređaji za aktiviranje (za akumulatore), ili sustavi za skladištenje i opskrbu aktivnog materijala, sustavi upravljanja, grijaći uređaji itd. (za gorive ćelije).

Uvođenjem koncepta specifičnog kapaciteta možemo usporediti performanse baterija različitih tipova i veličina. Kapacitet baterije dijeli se na teoretski kapacitet i stvarni kapacitet; sukladno tome, specifična sposobnost također ima teoretski i stvarni aspekt.

Energija i specifična energija

Energija baterije odnosi se na ukupnu električnu energiju koju baterija proizvodi pri izvođenju rada u određenim uvjetima pražnjenja, općenito izražena u vat-satima (W·h). Energija baterije također ima teoretsku energiju i stvarnu energiju.

Pod pretpostavkom da baterija ostaje u ravnoteži tijekom pražnjenja i da je njen napon pražnjenja konstantan jednak njenoj elektromotornoj sili, a također pod pretpostavkom da svi aktivni materijali sudjeluju u kemijskoj reakciji, tada bi energija koju daje baterija trebala biti jednaka njenoj teoretskoj maksimalnoj energiji Wo.

Teoretska energija baterije maksimalni je ne{0}}volumenski rad koji baterija izvrši pod konstantnom temperaturom, konstantnim tlakom i uvjetima reverzibilnog pražnjenja.

Stvarna energija (W) odnosi se na energiju koju stvarno daje baterija pod određenim uvjetima pražnjenja. Numerički se izvodi množenjem stvarnog kapaciteta s prosječnim radnim naponom. Budući da se aktivni materijali unutar baterije ne mogu u potpunosti iskoristiti, a njen radni napon je obično niži od teorijske elektromotorne sile, stvarna energija je uvijek manja od teorijske energije.

Specifična energija odnosi se na energiju koju oslobađa baterija po jedinici mase ili jedinici volumena. Izlazna energija po jedinici mase baterije definirana je kao specifična energija mase, koja se obično mjeri u vat-satima po kilogramu (Wh/kg). Izlazna energija po jedinici volumena baterije definirana je kao volumetrijska specifična energija, obično izražena u vat-satima po litri (Wh/L). Nadalje, koncept specifične energije može se dalje podijeliti na teorijsku (W) i stvarnu (W), gdje se teorijska specifična energija mase može izračunati pomoću jednadžbe (1.9):

U formuli, K+ je elektrokemijski ekvivalent materijala pozitivne elektrode; K- je elektrokemijski ekvivalent materijala negativne elektrode; a E je elektromotorna sila baterije.

Snaga i specifična snaga

Snaga baterije odnosi se na izlaznu energiju baterije po jedinici vremena pod određenim uvjetima pražnjenja, a njezina mjerna jedinica je vat (W) ili kilovat (kW). Kada se ova izlazna snaga uzme u obzir u odnosu na masu ili volumen baterije, dobiva se koncept specifične snage. Točnije, specifična snaga mase mjeri koliko vata snage može dati jedinica mase baterije, a njezina jedinica je W/kg; dok volumetrijska specifična snaga odražava snagu generiranu jedinicom volumena baterije, a odgovarajuća jedinica je W/L.

Snaga i specifična snaga označavaju brzinu pražnjenja baterije. Veća snaga baterije znači da se baterija može prazniti velikom strujom ili velikom brzinom. Na primjer, cink-srebrna baterija može postići specifičnu snagu od preko 100 W/kg pri pražnjenju pri srednjoj gustoći struje, što ukazuje na nizak unutarnji otpor i dobru visoku -brzinu pražnjenja. Nasuprot tome, cink-manganska baterija sa suhim ćelijama može postići samo specifičnu snagu od 10 W/kg kada radi na niskoj gustoći struje, što ukazuje na visok unutarnji otpor i loše performanse pražnjenja visoke -brzine. Slično baterijskoj energiji, snaga također ima teoretsku snagu i stvarnu snagu.

Teorijska snaga baterije može se izraziti kao:

U formuli, t je vrijeme; Co je teoretski kapacitet baterije; a ja sam struja.

Stvarna snaga baterije trebala bi biti:

U formuli, I²R predstavlja snagu koju troši unutarnji otpor baterije. Ova snaga je beskorisna za primijenjeno opterećenje; u biti se pretvara u toplinsku energiju i oslobađa kao toplina.

Ciklus života

Za baterije, vijek trajanja ili ciklus upotrebe jedan je od ključnih pokazatelja za procjenu performansi baterije. Svaki potpuni ciklus punjenja-pražnjenja smatra se vremenskim razdobljem za bateriju.

U određenim uvjetima punjenja-pražnjenja, broj ciklusa koje baterija može izdržati prije nego što njezin kapacitet padne na određenu specificiranu vrijednost definiran je kao njezin vijek trajanja ili ciklus upotrebe. Što je životni ciklus duži, to su performanse ciklusa baterije bolje. Različite vrste baterija imaju različit vijek trajanja; na primjer, nikal-kadmijeve baterije mogu postići tisuće ciklusa, dok cink-srebrne baterije imaju relativno manje ciklusa, neke čak i manje od stotinu. Vrijedno je napomenuti da čak i baterije iste vrste mogu imati različit vijek trajanja zbog razlika u njihovoj unutarnjoj strukturi.

Na životni vijek baterije utječu različiti čimbenici. Uz pravilnu upotrebu i održavanje, vrijede i sljedeći ključni aspekti: ① Tijekom ciklusa punjenja-pražnjenja, površina aktivnog materijala postupno se smanjuje, što dovodi do povećanja gustoće radne struje i pojačane polarizacije; ② Aktivne komponente na elektrodama mogu se odvojiti ili prenijeti; ③ Tijekom rada baterije, neki materijali elektroda mogu korodirati; ④ Dendriti koji se formiraju na elektrodama tijekom ciklusa mogu uzrokovati kratke spojeve unutar baterije; ⑤ Separator je možda oštećen; ⑥ Kristalna morfologija aktivnog materijala mijenja se tijekom ponovljenih ciklusa punjenja-pražnjenja, čime se smanjuje njegova aktivnost.

Izvedba pohrane

Učinkovitost pohrane baterije odnosi se na stupanj prirodnog gubitka energije unutar baterije kada je u otvorenom -strujnom krugu pod određenim uvjetima okoline (kao što su temperatura i vlažnost). Ovaj fenomen poznat je i kao samo-pražnjenje. Ako je udio gubitka energije tijekom skladištenja mali, to znači da baterija ima izvrsne performanse skladištenja.

Kada je baterija u otvorenom -strujnom krugu, iako ne opskrbljuje električnom energijom prema van, još uvijek prolazi kroz-proces samopražnjenja. Ovaj fenomen uglavnom je posljedica termodinamičke nestabilnosti elektroda u okruženju elektrolita, što dovodi do spontanih redoks reakcija između elektroda. Čak i pod suhim uvjetima, ako brtva nije dovoljno čvrsta, infiltracija vanjskih čimbenika kao što su zrak ili vlaga još uvijek može izazvati samo{4}}efekt samopražnjenja unutar baterije.

Stopa samo{0}}pražnjenja također se može izraziti kao broj dana koji su potrebni da se kapacitet baterije smanji na određenu vrijednost kada se skladišti, poznatu kao vijek trajanja. Postoji vijek trajanja na suhom i vijek trajanja na mokrom. Na primjer, akumulatorska baterija, bez dodavanja elektrolita prije upotrebe, može se pohraniti dugo vremena; takva baterija može imati dug vijek trajanja na suhom. Skladištenje s elektrolitom naziva se mokro skladištenje; mokro skladištenje rezultira jačim-učinkom samopražnjenja i relativno kraćim vijekom trajanja mokrog. Na primjer, cink-srebrna baterija može imati rok trajanja od 5 do 8 godina na suhom, dok je rok trajanja u vlažnom stanju obično samo nekoliko mjeseci.