Една от най-важните експлоатационни характеристики набатерии за съхранение на енергияе тяхното разтоварване. За да се характеризира поведението на разреждане на батерията при различни условия, е необходимо да се измери кривата на разреждане на батерията, която обикновено е крива, показваща промяната на напрежението на разреждане във времето. Различните условия на разреждане се характеризират със стратегии за разреждане, а различните стратегии за разреждане ще доведат до различни криви на разреждане. Стратегиите за разреждане обикновено включват метод на разреждане, ток на разреждане, крайно напрежение и температура на околната среда.
Метод на освобождаване от отговорност
Има три начина, по които батерията може да се разреди: разреждане с постоянен ток, разреждане с постоянно съпротивление и разреждане с постоянна мощност. Типични криви на разреждане са показани на Фигура 1-5, която илюстрира промените в разрядния ток, напрежението и мощността през времето на разреждане при тези три режима на разреждане.
По време на постоянно-резистентно разреждане работното напрежение и разрядният ток на батерията постепенно намаляват с времето. По същия начин, при постоянен-ток на разреждане, работното напрежение също намалява, докато процесът на разреждане продължава. Това намаляване на работното напрежение с удължено време за разреждане се дължи на увеличаването на вътрешното съпротивление на батерията. Освен това, с нарастващото използване на захранване от батерии в електроинструменти, електрически превозни средства и други приложения, постоянното-разреждане на мощността става все по-разпространено. По време на постоянно-разреждане напрежението на батерията непрекъснато намалява, докато разрядният ток непрекъснато се увеличава с напредването на разреждането.
Разряден ток
По време на работа на батерията токът, който извежда, се нарича ток на разреждане. Разрядният ток също обикновено се нарича скорост на разреждане и често се изразява с помощта на почасова ставка (известна също като почасова ставка) и множител.
Скоростта на разреждане се отнася до скоростта, с която батерията се разрежда, измерена във времето за разреждане. По-конкретно, това е времето, необходимо за пълно освобождаване на капацитета на батерията с помощта на специфичен разряден ток, обикновено изразен в часове (h). Например, за батерия с номинален капацитет от 10 ампер-часа (A·h), ако е разредена с ток от 2A, съответната скорост на разреждане е 5 часа (10A·h/2A=5h), което означава, че батерията се разрежда с 5-часова скорост.
Степента на разреждане се отнася до текущата стойност, изразена като кратно на номиналния капацитет на батерията, когато пълният капацитет на батерията е напълно освободен в рамките на определено време. Например 2C разряд означава, че разрядният ток е два пъти по-голям от номиналния капацитет на батерията, обикновено представен от 2C (където C представлява номиналния капацитет на батерията). За батерия с номинален капацитет от 10A·h, 2C разряд (тук има проблем с размерите, т.е. единиците за капацитет и ток не са еднакви, но това е обичайна употреба, така че няма да се променя) означава, че разрядният ток е 2 x 10=20 (A), съответстващ на скорост на разреждане от 0,5h. Различните типове и конструкции батерии имат различна адаптивност към условията на разреждане: някои са по-подходящи за нисък-ток на разреждане, докато други се представят по-добре при високи токове. Обикновено скоростите на разреждане, по-малки или равни на 0,5C, се наричат ниски скорости; тези между 0,5C и 3,5C се наричат средни скорости; тези между 3,5C и 7C се наричат високи скорости; а тези над 7C се наричат ултра-високи стойности.
Крайно напрежение
По време на разреждането на батерията първоначалната стойност на напрежението се определя като начално работно напрежение; когато напрежението спадне до праг, при който по-нататъшното разреждане вече не е подходящо, тази точка на напрежение се нарича крайно напрежение. Конкретната стойност на това крайно напрежение обикновено се задава от тестера въз основа на действителните изисквания за изпитване и минал опит.
Зададеното крайно напрежение варира в зависимост от различните условия на разреждане и тяхното влияние върху капацитета и живота на батерията. По-ниските крайни напрежения обикновено се използват в среда с ниска-температура или при условия на разреждане с висок-ток, докато по-високите напрежения на терминиране обикновено се задават при условия на ниски-ток на разреждане. Това е така, защото поляризацията между електродите на батерията се увеличава значително по време на ниска-температура или висок-ток на разреждане, което води до непълно използване на активните материали и по-бърз спад на напрежението. Следователно, подходящото понижаване на крайното напрежение спомага за освобождаването на повече енергия. Обратно, когато се използва слаб-ток на разреждане, активните компоненти в батерията се използват по-пълно. В този случай увеличаването на крайното напрежение за ограничаване на дълбокото разреждане може ефективно да удължи общия живот на батерията.
Температура на околната среда
Както е показано на Фигура 1-6, температурата на околната среда има значително влияние върху кривата на разреждане. При по-високи температури кривата на разреждане показва относително лека тенденция; но с понижаването на температурата тази промяна става все по-драстична. Основната причина е, че при ниски температури скоростта на миграция на йони намалява, което води до увеличаване на омичното вътрешно съпротивление. В екстремни случаи, ако температурата е твърде ниска, електролитът може да замръзне, като по този начин възпрепятства нормалния процес на разреждане на батерията. Освен това, при по-ниски температури, електрохимичната поляризация и концентрационната поляризация съответно се засилват, което допълнително ускорява скоростта на затихване на кривата на разреждане.
Фигура 1-6 Криви на разреждане на оловно-киселинни батерии при различни температури на околната среда
Капацитет и специфичен капацитет
Капацитетът на батерията се отнася до количеството електричество, което може да се получи от батерия при определени условия на разреждане. Единицата обикновено се изразява като ампер-час (Ah). В зависимост от действителната ситуация, капацитетът на батерията може да бъде допълнително разделен на теоретичен капацитет, действителен капацитет и номинален капацитет.
Теоретичният капацитет (Co) се отнася до количеството електричество, което може да бъде осигурено при идеални условия, когато активният материал участва напълно в електрохимичната реакция на батерията. Тази стойност се изчислява въз основа на масата на активния материал, следвайки закона на Фарадей. Законът на Фарадей гласи, че има правопропорционална връзка между масата на материала, участващ в реакцията на електрода, и количеството заряд, който пренася; когато 1 mol активен материал участва в електрохимичния процес на батерията, той може да освободи заряд, еквивалентен на 26,8 A·h или 1 farad (F). Следователно съществува следната формула за изчисление:
Във формулата m е масата на активното вещество, когато реагира напълно; n е броят на получените или загубени електрони по време на реакцията на потока; и М е моларната маса на активното вещество.
Във формулата K се нарича електрохимичен еквивалент на активното вещество.
Както е показано в уравнение (1.5), теоретичният капацитет на електрода е свързан с масата на активния материал и електрохимичния еквивалент. При същата маса активен материал, колкото по-малък е електрохимичният еквивалент, толкова по-голям е теоретичният капацитет. Електрохимичните еквиваленти на някои електродни материали са показани в Таблица 1-3.
Таблица 1-3 Електрохимични еквиваленти на някои електродни материали
| Материал на отрицателния електрод | Плътност (g/cm³) | Специфичен капацитет (mA·h/g) | Материал на положителния електрод | Плътност (g/cm³) | Специфичен капацитет (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Ли | 0.534 | 0.259 | SOCI2 | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | AgO | 7.4 | 2.31 |
| Ал | 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 |
Освен това често се използват понятията действителен капацитет и номинален капацитет. Действителният капацитет се отнася до общото количество електричество, което една батерия може да осигури при определени условия на разреждане. Действителният капацитет е ограничен не само от теоретичната максимална стойност, но и от специфичните условия на разреждане.
Номиналният капацитет, от друга страна, е стандартен набор за батерията по време на процеса на проектиране и производство; това е минималният изходен капацитет, който батерията трябва да постигне при определени условия на разреждане, известен също като номинален капацитет.
Когато се сравняват различни типове батерии от една и съща серия, специфичният капацитет обикновено се използва за оценка. По-конкретно, специфичният капацитет се отнася до количеството електричество, което една батерия може да осигури на единица маса или обем, т.е. специфичен капацитет за маса (Ah/kg) и специфичен обемен капацитет (Ah/L). Важно е да се отбележи, че при изчисляване на масата и обема на батерията, в допълнение към отчитането на електродните материали и електролита, трябва да се вземат предвид и други компоненти на батерията, като например корпуса, сепаратора и свързаните проводящи компоненти. Специално за акумулаторни батерии и горивни клетки, общата маса и обем също включват цялото необходимо спомагателно оборудване, като резервоари за съхранение на течности, устройства за активиране (за акумулаторни батерии) или системи за съхранение и захранване на активен материал, системи за управление, нагревателни модули и др. (за горивни клетки).
Чрез въвеждането на концепцията за специфичен капацитет можем да сравним производителността на батерии от различни видове и размери. Капацитетът на батерията е разделен на теоретичен капацитет и действителен капацитет; съответно специфичният капацитет също има теоретични и реални аспекти.
Енергия и специфична енергия
Енергията на батерията се отнася до общата произведена електрическа енергия от батерията при извършване на работа при специфични условия на разреждане, обикновено изразена във ват-часа (W·h). Енергията на батерията също има теоретична енергия и действителна енергия.
Ако приемем, че батерията остава в равновесие по време на разреждане и нейното разрядно напрежение е постоянно, равно на нейната електродвижеща сила, и също така ако приемем, че всички активни материали участват в химическата реакция, тогава енергията, предоставена от батерията, трябва да бъде равна на нейната теоретична максимална енергия Wo.
Теоретичната енергия на една батерия е максималната извън{0}}обемна работа, извършена от батерията при постоянна температура, постоянно налягане и условия на обратим разряд.
Действителната енергия (W) се отнася до енергията, действително осигурена от батерията при определени условия на разреждане. Извлича се числено чрез умножаване на действителния капацитет по средното работно напрежение. Тъй като активните материали вътре в батерията не могат да се използват напълно и нейното работно напрежение обикновено е по-ниско от теоретичната електродвижеща сила, действителната енергия винаги е по-малка от теоретичната енергия.
Специфичната енергия се отнася до енергията, освободена от батерия на единица маса или единица обем. Изходната енергия за единица маса батерия се определя като специфична енергия за масата, обикновено измерена във ват-часа на килограм (Wh/kg). Изходната енергия за единица обем батерия се определя като обемна специфична енергия, обикновено изразена във ват-часа на литър (Wh/L). Освен това концепцията за специфична енергия може да бъде допълнително разделена на теоретична (W) и действителна (W), където теоретичната специфична енергия на масата може да бъде изчислена с помощта на уравнение (1.9):
Във формулата K+ е електрохимичният еквивалент на материала на положителния електрод; K- е електрохимичният еквивалент на материала на отрицателния електрод; и E е електродвижещата сила на батерията.
Мощност и специфична мощност
Мощността на батерията се отнася до изходната енергия на батерията за единица време при специфични условия на разреждане и нейната мерна единица е ват (W) или киловат (kW). Когато тази изходна мощност се разглежда във връзка с масата или обема на батерията, се получава концепцията за специфична мощност. По-конкретно, специфичната мощност на масата измерва колко вата мощност може да осигури единица маса батерия и нейната единица е W/kg; докато обемната специфична мощност отразява мощността, генерирана от единица обем батерия, а съответната единица е W/L.
Мощността и специфичната мощност показват степента на разреждане на батерията. По-високата мощност на батерията означава, че батерията може да се разрежда при висок ток или висока скорост. Например цинково-сребърна батерия може да постигне специфична мощност от над 100 W/kg при разреждане при средна плътност на тока, което показва ниско вътрешно съпротивление и добра-висока скорост на разреждане. За разлика от това, цинк-манганова суха клетъчна батерия може да постигне само специфична мощност от 10 W/kg, когато работи при ниска плътност на тока, което показва високо вътрешно съпротивление и лоша-висока скорост на разреждане. Подобно на енергията на батерията, мощността също има теоретична мощност и действителна мощност.
Теоретичната мощност на батерията може да се изрази като:
Във формулата t е времето; Co е теоретичният капацитет на батерията; и аз съм течението.
Действителната мощност на батерията трябва да бъде:
Във формулата, I2R представлява мощността, консумирана от вътрешното съпротивление на батерията. Тази мощност е безполезна за приложеното натоварване; по същество се преобразува в топлинна енергия и се освобождава като топлина.
Цикъл живот
За батериите животът на цикъла или цикълът на използване е един от ключовите индикатори за оценка на ефективността на батерията. Всеки пълен цикъл на зареждане-разреждане се счита за период от време за батерия.
При специфични условия на зареждане-разреждане, броят цикли, които батерията може да издържи, преди капацитетът й да падне до определена определена стойност, се определя като нейния живот на цикъла или цикъл на използване. Колкото по-дълъг е животът на цикъла, толкова по-добра е производителността на цикъла на батерията. Различните видове батерии показват различен живот на цикъла; например никел-кадмиевите батерии могат да постигнат хиляди цикли, докато цинк-сребърните батерии имат относително по-малко цикли, някои дори по-малко от сто. Заслужава да се отбележи, че дори батерии от един и същи тип могат да имат различен жизнен цикъл поради разликите във вътрешната им структура.
Животът на батерията се влияе от различни фактори. В допълнение към правилната употреба и поддръжка се прилагат и следните ключови аспекти: ① По време на циклите на зареждане-разреждане, повърхностната площ на активния материал постепенно намалява, което води до увеличаване на плътността на работния ток и засилена поляризация; ② Активните компоненти на електродите могат да се отделят или прехвърлят; ③ По време на работа на батерията някои електродни материали могат да бъдат корозирали; ④ Дендрити, образувани върху електродите по време на цикъл, могат да причинят късо съединение в батерията; ⑤ Сепараторът може да е повреден; ⑥ Кристалната морфология на активния материал се променя по време на повтарящи се цикли на зареждане-разреждане, като по този начин се намалява неговата активност.
Производителност на съхранение
Ефективността на съхранение на батерията се отнася до степента на естествена загуба на енергия в батерията, когато тя е в състояние на отворена- верига при специфични условия на околната среда (като температура и влажност). Това явление е известно още като само-саморазряд. Ако делът на загубата на енергия по време на съхранение е малък, това показва, че батерията има отлична производителност при съхранение.
Когато батерията е в състояние на отворена-верига, въпреки че не доставя електрическа енергия навън, тя все още преминава през-процес на саморазреждане. Това явление се дължи главно на термодинамичната нестабилност на електродите в електролитната среда, което води до спонтанни редокс реакции между електродите. Дори при сухи условия, ако уплътнението не е достатъчно стегнато, проникването на външни фактори, като въздух или влага, все още може да предизвика ефект на само{4}}саморазреждане вътре в батерията.
Степента на само{0}}разреждане може също да се изрази като броя дни, необходими на капацитета на батерията да намалее до определена стойност при съхранение, известна като срок на годност. Има срок на годност на сухо и мокро. Например, акумулаторна батерия, без добавяне на електролит преди употреба, може да се съхранява дълго време; такава батерия може да има дълъг живот на сухо. Съхранението с електролит се нарича мокро съхранение; мокрото съхранение води до по-силен-ефект на саморазреждане и относително по-кратък срок на годност на мокро. Например цинк-сребърна батерия може да има срок на годност на сухо от 5–8 години, докато животът й на мокро състояние обикновено е само няколко месеца.