Výkon vybíjania akumulátorov energie

Jedna z najdôležitejších výkonnostných charakteristíkbatérie na skladovanie energieje ich výkon pri vybíjaní. Aby bolo možné charakterizovať správanie batérie pri rôznych podmienkach, je potrebné zmerať krivku vybíjania batérie, čo je zvyčajne krivka zobrazujúca zmenu vybíjacieho napätia v čase. Rôzne výbojové podmienky sú charakterizované stratégiami výboja a rôzne výbojové stratégie budú mať za následok rôzne krivky výboja. Stratégie vybíjania zvyčajne zahŕňajú metódu vybíjania, vybíjací prúd, ukončovacie napätie a teplotu okolia.

Spôsob vybíjania

Existujú tri spôsoby vybíjania batérie: vybíjanie konštantným prúdom, vybíjanie konštantným odporom a vybíjanie konštantným prúdom. Typické vybíjacie krivky sú znázornené na obrázku 1-5, ktorý znázorňuje zmeny vo vybíjacom prúde, napätí a výkone počas doby vybíjania v týchto troch režimoch vybíjania.

Počas neustáleho{0}odporového vybíjania sa prevádzkové napätie batérie a vybíjací prúd časom postupne znižujú. Podobne pri vybíjaní konštantným-prúdom klesá aj prevádzkové napätie, keď proces vybíjania pokračuje. Tento pokles prevádzkového napätia s predĺženým časom vybíjania je spôsobený zvýšením vnútorného odporu batérie. Okrem toho so zvyšujúcim sa využívaním energie batérie v elektrickom náradí, elektrických vozidlách a iných aplikáciách je stále bežnejšie{5}}vybíjanie energie. Počas konštantného{7}}vybíjania sa napätie batérie neustále znižuje, zatiaľ čo vybíjací prúd sa s postupujúcim vybíjaním neustále zvyšuje.

Vybíjací prúd

Počas prevádzky batérie sa prúd, ktorý vydáva, nazýva vybíjací prúd. Vybíjací prúd sa tiež bežne označuje ako rýchlosť vybíjania a často sa vyjadruje pomocou hodinovej sadzby (známej aj ako hodinová sadzba) a násobiteľa.

Rýchlosť vybíjania sa vzťahuje na rýchlosť vybíjania batérie, meranú ako čas vybíjania. Konkrétne ide o čas potrebný na úplné uvoľnenie kapacity batérie pomocou špecifického vybíjacieho prúdu, zvyčajne vyjadrený v hodinách (h). Napríklad v prípade batérie s menovitou kapacitou 10 amp-hodín (A·h), ak sa vybíja prúdom 2A, zodpovedajúca rýchlosť vybíjania je 5 hodín (10A·h/2A=5}h), čo znamená, že batéria sa vybíja rýchlosťou 5 hodín.

Rýchlosť vybíjania sa vzťahuje na aktuálnu hodnotu, vyjadrenú ako násobok menovitej kapacity batérie, keď sa plná kapacita batérie úplne uvoľní za určitý čas. Napríklad vybíjanie 2C znamená, že vybíjací prúd je dvojnásobkom menovitej kapacity batérie, zvyčajne 2C (kde C predstavuje menovitú kapacitu batérie). Pre batériu s menovitou kapacitou 10A·h znamená vybíjanie 2C (tu je problém s rozmermi, tj jednotky kapacity a prúdu nie sú rovnaké, ale toto je bežné používanie, takže sa to nebude meniť) znamená vybíjací prúd 2 x 10=20 (A), čo zodpovedá rýchlosti vybíjania 0,5 hodiny. Rôzne typy a konštrukcie batérií majú rôznu prispôsobivosť podmienkam vybíjania: niektoré sú vhodnejšie pre nízkoprúdové{12}}vybíjanie, zatiaľ čo iné fungujú lepšie pri vysokých prúdoch. Vo všeobecnosti sa rýchlosti vybíjania menšie alebo rovné 0,5 °C nazývajú nízke rýchlosti; teploty medzi 0,5 °C a 3,5 °C sa nazývajú stredné rýchlosti; teploty medzi 3,5 °C a 7 °C sa nazývajú vysoké rýchlosti; a tie, ktoré presahujú 7C, sa nazývajú ultra{20}}vysoké hodnoty.

Koncové napätie

Počas vybíjania batérie je počiatočná hodnota napätia definovaná ako počiatočné prevádzkové napätie; keď napätie klesne na hranicu, kde už nie je vhodné ďalšie vybíjanie, tento napäťový bod sa nazýva koncové napätie. Špecifická hodnota tohto ukončovacieho napätia je zvyčajne nastavená testerom na základe skutočných testovacích požiadaviek a minulých skúseností.

Nastavené ukončovacie napätie sa mení v závislosti od rôznych podmienok vybíjania a ich vplyvu na kapacitu a životnosť batérie. Nižšie koncové napätia sa zvyčajne používajú v prostrediach s nízkou -teplotou alebo pri vysokom{2}}vybíjaní prúdu, zatiaľ čo vyššie koncové napätia sa zvyčajne nastavujú v podmienkach vybíjania nízkeho-prúdu. Je to preto, že polarizácia medzi elektródami batérie sa výrazne zvyšuje pri nízko{5}}teplotnom alebo vysokom{6}}vybíjaní prúdu, čo vedie k neúplnému využitiu aktívnych materiálov a rýchlejšiemu poklesu napätia. Preto vhodné zníženie koncového napätia pomáha uvoľniť viac energie. Naopak, pri použití nízkeho-prúdového vybíjania sa aktívne zložky v batérii využívajú plnohodnotnejšie. V tomto prípade zvýšenie koncového napätia na obmedzenie hlbokého vybitia môže účinne predĺžiť celkovú životnosť batérie.

Teplota okolia

Ako je znázornené na obrázku 1-6, okolitá teplota má významný vplyv na krivku vybíjania. Pri vyšších teplotách vykazuje prietoková krivka relatívne mierny trend; so znižovaním teploty sa však táto zmena stáva čoraz drastickejšou. Základným dôvodom je, že pri nízkych teplotách sa rýchlosť migrácie iónov znižuje, čo vedie k zvýšeniu ohmického vnútorného odporu. V extrémnych prípadoch, ak je teplota príliš nízka, môže elektrolyt zamrznúť a brániť tak normálnemu procesu vybíjania batérie. Okrem toho pri nižších teplotách sa zodpovedajúcim spôsobom zvýši elektrochemická polarizácia a koncentračná polarizácia, čo ďalej zrýchľuje rýchlosť rozpadu výbojovej krivky.

Obrázok 1-6 Krivky vybíjania olovených batérií pri rôznych teplotách okolia

Kapacita a špecifická kapacita

Kapacita batérie sa vzťahuje na množstvo elektriny, ktoré je možné získať z batérie za určitých podmienok vybitia. Jednotka sa zvyčajne vyjadruje ako ampér-hodina (Ah). V závislosti od aktuálnej situácie možno kapacitu batérie ďalej rozdeliť na teoretickú kapacitu, skutočnú kapacitu a menovitú kapacitu.

Teoretická kapacita (Co) sa vzťahuje na množstvo elektriny, ktoré je možné poskytnúť za ideálnych podmienok, keď sa aktívny materiál plne podieľa na elektrochemickej reakcii batérie. Táto hodnota sa vypočíta na základe hmotnosti aktívneho materiálu podľa Faradayovho zákona. Faradayov zákon hovorí, že existuje priama úmernosť medzi hmotnosťou materiálu zúčastňujúceho sa reakcie na elektróde a množstvom náboja, ktorý prenáša; keď sa 1 mol aktívneho materiálu zúčastňuje elektrochemického procesu batérie, môže uvoľniť náboj ekvivalentný 26,8 A·h alebo 1 farad (F). Preto existuje nasledujúci vzorec výpočtu:

Vo vzorci je m hmotnosť účinnej látky, keď úplne zreaguje; n je počet elektrónov získaných alebo stratených počas prietokovej reakcie; a M je molárna hmotnosť účinnej látky.

Vo vzorci sa K nazýva elektrochemický ekvivalent účinnej látky.

Ako ukazuje rovnica (1.5), teoretická kapacita elektródy súvisí s hmotnosťou aktívneho materiálu a elektrochemickým ekvivalentom. Pri rovnakej hmotnosti aktívneho materiálu, čím menší je elektrochemický ekvivalent, tým väčšia je teoretická kapacita. Elektrochemické ekvivalenty niektorých materiálov elektród sú uvedené v tabuľke 1-3.

Tabuľka 1-3 Elektrochemické ekvivalenty niektorých materiálov elektród

Okrem toho sa často používajú pojmy skutočná kapacita a menovitá kapacita. Skutočná kapacita sa vzťahuje na celkové množstvo elektriny, ktoré môže batéria poskytnúť za špecifických podmienok vybitia. Skutočná kapacita je limitovaná nielen teoretickou maximálnou hodnotou, ale aj špecifickými podmienkami vypúšťania.

Menovitá kapacita je na druhej strane štandardne nastavená pre batériu počas procesu návrhu a výroby; tj minimálna výstupná kapacita, ktorú by mala batéria dosiahnuť pri špecifikovaných podmienkach vybíjania, tiež známa ako nominálna kapacita.

Pri porovnávaní rôznych typov batérií v rámci rovnakej série sa na vyhodnotenie zvyčajne používa špecifická kapacita. Špecifická kapacita sa konkrétne týka množstva elektriny, ktorú môže batéria poskytnúť na jednotku hmotnosti alebo objemu, tj hmotnostne špecifická kapacita (Ah/kg) a objemová špecifická kapacita (Ah/L). Je dôležité poznamenať, že pri výpočte hmotnosti a objemu batérie je potrebné okrem materiálov elektród a elektrolytu brať do úvahy aj ďalšie komponenty batérie, ako je puzdro, separátor a súvisiace vodivé komponenty. Najmä pri akumulátoroch a palivových článkoch sú do celkovej hmotnosti a objemu zahrnuté aj všetky potrebné pomocné zariadenia, ako sú nádrže na skladovanie kvapalín, aktivačné zariadenia (pre akumulátory), prípadne systémy skladovania a zásobovania aktívneho materiálu, riadiace systémy, vykurovacie jednotky a pod. (pre palivové články).

Zavedením konceptu špecifickej kapacity môžeme porovnať výkon batérií rôznych typov a veľkostí. Kapacita batérie je rozdelená na teoretickú kapacitu a skutočnú kapacitu; špecifická kapacita má teda aj teoretické a skutočné aspekty.

Energia a špecifická energia

Energia batérie sa vzťahuje na celkový výstup elektrickej energie batérie pri vykonávaní práce za špecifických podmienok vybitia, všeobecne vyjadrený vo watt{0}}hodinách (W·h). Energia batérie má tiež teoretickú energiu a skutočnú energiu.

Za predpokladu, že batéria zostane počas vybíjania v rovnováhe a jej vybíjacie napätie je konštantné rovné jej elektromotorickej sile, a tiež za predpokladu, že sa na chemickej reakcii zúčastňujú všetky aktívne materiály, potom by sa energia poskytovaná batériou mala rovnať jej teoretickému maximu energie Wo.

Teoretická energia batérie je maximálna-neobjemová práca vykonaná batériou pri konštantnej teplote, konštantnom tlaku a podmienkach reverzibilného vybitia.

Skutočná energia (W) sa vzťahuje na energiu skutočne poskytovanú batériou za určitých podmienok vybitia. Číselne sa odvodzuje vynásobením skutočnej kapacity priemerným prevádzkovým napätím. Pretože aktívne materiály vo vnútri batérie nie je možné plne využiť a jej prevádzkové napätie je zvyčajne nižšie ako teoretická elektromotorická sila, skutočná energia je vždy menšia ako teoretická energia.

Špecifická energia sa vzťahuje na energiu uvoľnenú batériou na jednotku hmotnosti alebo jednotku objemu. Energetický výstup na jednotku hmotnosti batérie je definovaný ako hmotnostne špecifická energia, ktorá sa zvyčajne meria vo watt{1}}hodinách na kilogram (Wh/kg). Energetický výstup na jednotku objemu batérie je definovaný ako objemová špecifická energia, zvyčajne vyjadrená vo watt-hodinách na liter (Wh/L). Okrem toho sa pojem špecifickej energie môže ďalej rozdeliť na teoretickú (W) a skutočnú (W), pričom teoretickú hmotnostnú špecifickú energiu možno vypočítať pomocou rovnice (1.9):

Vo vzorci je K+ elektrochemický ekvivalent materiálu kladnej elektródy; K- je elektrochemický ekvivalent materiálu zápornej elektródy; a E je elektromotorická sila batérie.

Výkon a špecifický výkon

Výkon batérie sa vzťahuje na energetický výstup batérie za jednotku času pri špecifických podmienkach vybíjania a jej meracou jednotkou je watt (W) alebo kilowatt (kW). Keď sa tento výstupný výkon berie do úvahy vo vzťahu k hmotnosti alebo objemu batérie, získa sa koncept špecifického výkonu. Konkrétne, hmotnostne špecifický výkon meria, koľko wattov energie môže poskytnúť jednotková hmotnosť batérie a jej jednotka je W/kg; zatiaľ čo objemový špecifický výkon odráža výkon generovaný jednotkovým objemom batérie a jej zodpovedajúca jednotka je W/L.

Výkon a špecifický výkon udávajú rýchlosť vybíjania batérie. Vyšší výkon batérie znamená, že batéria sa môže vybíjať vysokým prúdom alebo vysokou rýchlosťou. Napríklad zinková-strieborná batéria môže dosiahnuť špecifický výkon nad 100 W/kg pri vybíjaní pri strednej hustote prúdu, čo naznačuje nízky vnútorný odpor a dobrý výkon pri vysokej{4}}rýchlosti vybíjania. Naproti tomu zinkovo-mangánová batéria so suchými článkami môže dosiahnuť špecifický výkon iba 10 W/kg pri prevádzke s nízkou hustotou prúdu, čo naznačuje vysoký vnútorný odpor a nízku-rýchlosť vybíjania. Podobne ako energia batérie, aj napájanie má teoretický výkon a skutočný výkon.

Teoretický výkon batérie možno vyjadriť ako:

Vo vzorci je t čas; Co je teoretická kapacita batérie; a ja som prúd.

Skutočný výkon batérie by mal byť:

Vo vzorci I²R predstavuje energiu spotrebovanú vnútorným odporom batérie. Tento výkon je zbytočný pre aplikovanú záťaž; v podstate sa premieňa na tepelnú energiu a uvoľňuje sa ako teplo.

Životnosť cyklu

V prípade batérií je životnosť cyklu alebo cyklus používania jedným z kľúčových ukazovateľov hodnotenia výkonu batérie. Každý cyklus úplného nabitia-vybitia batérie sa považuje za časový úsek batérie.

Počet cyklov, ktoré batéria dokáže vydržať, kým jej kapacita klesne na určitú špecifikovanú hodnotu, je za určitých podmienok nabíjania{0}}vybíjania definovaný ako životnosť cyklu alebo cyklus používania. Čím dlhšia je životnosť cyklu, tým lepšia je výkonnosť cyklu batérie. Rôzne typy batérií vykazujú rôznu životnosť; napríklad nikel-kadmiové batérie dokážu dosiahnuť tisíce cyklov, zatiaľ čo zinko{4}}strieborné batérie majú relatívne menej cyklov, niektoré dokonca menej ako sto. Stojí za zmienku, že aj batérie rovnakého typu môžu mať rôznu životnosť v dôsledku rozdielov vo vnútornej štruktúre.

Životnosť batérie je ovplyvnená rôznymi faktormi. Okrem správneho používania a údržby platia aj tieto kľúčové aspekty: ① Počas cyklov nabíjania-vybíjania sa povrch aktívneho materiálu postupne zmenšuje, čo vedie k zvýšeniu hustoty prevádzkového prúdu a zintenzívneniu polarizácie; ② Aktívne komponenty na elektródach sa môžu oddeliť alebo preniesť; ③ Počas prevádzky na batérie môžu byť niektoré materiály elektród skorodované; ④ Dendrity vytvorené na elektródach počas cyklovania môžu spôsobiť skrat vo vnútri batérie; ⑤ Oddeľovač môže byť poškodený; ⑥ Kryštalická morfológia aktívneho materiálu sa mení počas opakovaných cyklov nabíjania-vybíjania, čím sa znižuje jeho aktivita.

Výkon úložiska

Výkon batérie označuje stupeň prirodzenej straty energie v batérii, keď je v stave otvoreného{0}}obvodu za špecifických podmienok prostredia (ako je teplota a vlhkosť). Tento jav je známy aj ako samo-vybíjanie. Ak je podiel straty energie počas skladovania malý, znamená to, že batéria má vynikajúci skladovací výkon.

Keď je batéria v stave otvoreného{0}}obvodu, hoci nedodáva elektrickú energiu von, stále prebieha proces samo{1}}vybíjania. Tento jav je spôsobený najmä termodynamickou nestabilitou elektród v prostredí elektrolytu, čo vedie k spontánnym redoxným reakciám medzi elektródami. Dokonca aj v suchých podmienkach, ak tesnenie nie je dostatočne tesné, infiltrácia vonkajších faktorov, ako je vzduch alebo vlhkosť, môže vo vnútri batérie vyvolať samovybíjanie.

Rýchlosť samovybíjania môže byť vyjadrená aj ako počet dní, počas ktorých sa kapacita batérie pri skladovaní zníži na určenú hodnotu, ktorá sa nazýva skladovateľnosť. Rozlišujeme skladovateľnosť za sucha a za mokra. Napríklad akumulátorovú batériu bez pridania elektrolytu pred použitím možno skladovať dlhú dobu; takáto batéria môže mať dlhú životnosť v suchom stave. Skladovanie s elektrolytom sa nazýva mokré skladovanie; skladovanie za mokra má za následok silnejší efekt samovybíjania-a relatívne kratšiu skladovateľnosť za mokra. Napríklad zinková-strieborná batéria môže mať skladovateľnosť za sucha 5 až 8 rokov, zatiaľ čo jej skladovateľnosť za mokra je zvyčajne len niekoľko mesiacov.