Однією з найважливіших експлуатаційних характеристикакумуляторні батареїє їх продуктивністю розряду. Щоб охарактеризувати поведінку розряду батареї за різних умов, необхідно виміряти криву розряду батареї, яка зазвичай є кривою, що показує зміну напруги розряду з часом. Різні умови розряду характеризуються стратегіями розряду, а різні стратегії розряду призведуть до різних кривих розряду. Стратегії розряду зазвичай включають метод розряду, розрядний струм, кінцеву напругу та температуру навколишнього середовища.
Метод розрядки
Батарея може розряджатися трьома способами: розряд постійного струму, розряд постійного опору та розряд постійної потужності. Типові криві розряду показані на малюнку 1-5, який ілюструє зміни струму розряду, напруги та потужності протягом часу розряду за цих трьох режимів розряду.
Під час постійного-розряду опору робоча напруга батареї та розрядний струм з часом поступово зменшуються. Подібним чином, за постійного-струму розряду робоча напруга також зменшується, оскільки процес розряду триває. Таке зниження робочої напруги з подовженим часом розряду пояснюється збільшенням внутрішнього опору батареї. Крім того, зі збільшенням використання живлення від акумулятора в електроінструментах, електромобілях та інших програмах постійний-розряд електроенергії стає все більш поширеним. Під час постійного-розряду напруга батареї безперервно зменшується, а струм розряду безупинно зростає в міру розряду.
Струм розряду
Під час роботи акумулятора струм, який він видає, називається струмом розряду. Струм розряду також зазвичай називають інтенсивністю розряду та часто виражають за допомогою погодинної ставки (також відомої як погодинна ставка) і множника.
Швидкість розряду означає швидкість, з якою акумулятор розряджається, виміряну за часом розряду. Зокрема, це час, необхідний для повного вивільнення ємності батареї за допомогою певного струму розряду, зазвичай вираженого в годинах (год). Наприклад, для батареї з номінальною ємністю 10 ампер-год (А·год), якщо вона розряджається струмом 2А, відповідна швидкість розряду становить 5 годин (10А·год/2А=5год), тобто батарея розряджається зі швидкістю 5 годин.
Швидкість розряду відноситься до поточного значення, вираженого як кратне номінальній ємності батареї, коли повна ємність батареї повністю вивільняється протягом певного часу. Наприклад, розряд 2C означає, що струм розряду вдвічі перевищує номінальну ємність батареї, зазвичай позначається як 2C (де C означає номінальну ємність батареї). Для батареї з номінальною ємністю 10 А·год розряд 2C (тут виникає проблема з розмірами, тобто одиниці вимірювання ємності та струму не збігаються, але це загальноприйняте використання, тому його не буде змінено) означає, що струм розряду становить 2 x 10=20 (A), що відповідає швидкості розряду 0,5 год. Різні типи та конструкції акумуляторів мають різну пристосованість до умов розряду: деякі більше підходять для розряду з низьким -струмом, тоді як інші працюють краще за високих струмів. Як правило, швидкість розряду, менша або дорівнює 0,5C, називається низькою швидкістю; ті, що знаходяться між 0,5C і 3,5C, називаються середніми показниками; ті, що знаходяться між 3,5C і 7C, називаються високими показниками; а ті, що перевищують 7C, називаються над-високими.
Напруга припинення
Під час розряду батареї початкове значення напруги визначається як початкова робоча напруга; коли напруга падає до порогу, коли подальший розряд більше не підходить, ця точка напруги називається напругою завершення. Конкретне значення цієї кінцевої напруги зазвичай встановлюється тестером на основі фактичних вимог до випробувань і минулого досвіду.
Встановлена кінцева напруга змінюється залежно від різних умов розряду та їх впливу на ємність і термін служби акумулятора. Нижча напруга кінцевої з’єднання зазвичай використовується в середовищах із низькою-температурою або в умовах високого-струму розряду, тоді як більша напруга кінцевої з’єднання зазвичай встановлюється за умов низького-струму розряду. Це пояснюється тим, що поляризація між електродами акумулятора значно збільшується під час низької-температури або високого-струму розряду, що призводить до неповного використання активних матеріалів і швидшого падіння напруги. Таким чином, відповідне зниження напруги завершення допомагає вивільнити більше енергії. І навпаки, при використанні низького-струму розряду активні компоненти батареї використовуються більш повно. У цьому випадку збільшення кінцевої напруги для обмеження глибокого розряду може ефективно подовжити загальний термін служби батареї.
Температура навколишнього середовища
Як показано на малюнку 1-6, температура навколишнього середовища має значний вплив на криву розряду. При більш високих температурах крива розряду демонструє відносно пологий тренд; однак зі зниженням температури ця зміна стає все більш різкою. Основна причина полягає в тому, що при низьких температурах швидкість міграції іонів зменшується, що призводить до збільшення омічного внутрішнього опору. У крайніх випадках, якщо температура занадто низька, електроліт може замерзнути, що перешкоджає нормальному процесу розряду акумулятора. Крім того, при більш низьких температурах електрохімічна поляризація та концентраційна поляризація відповідно посилюються, що ще більше прискорює швидкість загасання розрядної кривої.
Рисунок 1-6 Криві розряду свинцево-кислотних акумуляторів при різних температурах навколишнього середовища
Місткість і питома місткість
Ємність акумулятора означає кількість електроенергії, яку можна отримати від акумулятора за певних умов розряду. Одиниця зазвичай виражається як ампер-година (Аг). Залежно від фактичної ситуації ємність батареї можна розділити на теоретичну, фактичну та номінальну.
Теоретична ємність (Co) означає кількість електроенергії, яку можна забезпечити за ідеальних умов, коли активний матеріал повністю бере участь в електрохімічній реакції батареї. Це значення розраховується на основі маси активного матеріалу відповідно до закону Фарадея. Закон Фарадея стверджує, що існує пряма пропорційна залежність між масою матеріалу, який бере участь у реакції на електроді, і кількістю заряду, який він переносить; коли 1 моль активного матеріалу бере участь в електрохімічному процесі батареї, він може вивільнити заряд, еквівалентний 26,8 А·год або 1 фараду (F). Тому існує наступна формула розрахунку:
У формулі m — маса діючої речовини при повній реакції; n - кількість електронів, отриманих або втрачених під час реакції потоку; М - молярна маса діючої речовини.
У формулі К називають електрохімічним еквівалентом діючої речовини.
Як показано в рівнянні (1.5), теоретична ємність електрода пов’язана з масою активного матеріалу та електрохімічним еквівалентом. При однаковій масі активного матеріалу чим менший електрохімічний еквівалент, тим більша теоретична ємність. Електрохімічні еквіваленти деяких електродних матеріалів наведено в таблиці 1-3.
Таблиця 1-3 Електрохімічні еквіваленти деяких електродних матеріалів
| Матеріал негативного електрода | Щільність (г/см³) | Питома ємність (мА·год/г) | Матеріал позитивного електрода | Щільність (г/см³) | Питома ємність (мА·год/г) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Лі | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 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 |
Крім того, часто використовуються поняття фактичної та номінальної потужності. Фактична ємність означає загальну кількість електроенергії, яку може забезпечити акумулятор за певних умов розряду. Фактична ємність обмежена не тільки теоретичним максимальним значенням, але й конкретними умовами розряду.
Номінальна ємність, з іншого боку, є стандартним набором для акумулятора під час проектування та процесу виробництва; тобто мінімальна вихідна ємність, яку має досягти акумулятор за певних умов розряду, також відома як номінальна ємність.
Під час порівняння різних типів акумуляторів однієї серії для оцінки зазвичай використовується конкретна ємність. Зокрема, питома ємність означає кількість електроенергії, яку батарея може забезпечити на одиницю маси або об’єму, тобто питома ємність за масою (Ah/кг) і питома об’ємна ємність (Ah/л). Важливо зауважити, що під час розрахунку маси та об’єму батареї, окрім урахування матеріалів електродів та електроліту, також необхідно враховувати інші компоненти батареї, такі як корпус, сепаратор та відповідні електропровідні компоненти. Особливо для акумуляторних батарей і паливних елементів загальна маса і об’єм також включають все необхідне допоміжне обладнання, таке як резервуари для зберігання рідин, пристрої активації (для акумуляторних батарей), або системи зберігання і подачі активного матеріалу, системи управління, нагрівальні блоки тощо (для паливних елементів).
Ввівши поняття питомої ємності, можна порівняти характеристики акумуляторів різних типів і розмірів. Ємність батареї поділяється на теоретичну і фактичну; відповідно, питома дієздатність також має теоретичний і фактичний аспекти.
Енергія та питома енергія
Енергія батареї – це загальна електрична енергія, що виділяється батареєю під час виконання роботи за певних умов розряду, зазвичай виражається у ват-годинах (Вт·год). Енергія батареї також має теоретичну енергію та фактичну енергію.
Якщо припустити, що батарея залишається в рівновазі під час розряду, а її розрядна напруга є постійною, що дорівнює її електрорушійній силі, а також припускаючи, що всі активні матеріали беруть участь у хімічній реакції, тоді енергія, що надається батареєю, повинна дорівнювати її теоретичній максимальній енергії Wo.
Теоретична енергія батареї – це максимальна не{0}}об’ємна робота, виконана батареєю за постійної температури, постійного тиску та умов оборотного розряду.
Фактична енергія (Вт) означає енергію, яку фактично забезпечує акумулятор за певних умов розряду. Його обчислюють чисельно шляхом множення фактичної ємності на середню робочу напругу. Оскільки активні матеріали всередині батареї не можуть бути повністю використані, а її робоча напруга зазвичай нижча за теоретичну електрорушійну силу, фактична енергія завжди менша за теоретичну.
Питома енергія відноситься до енергії, що виділяється батареєю на одиницю маси або одиницю об’єму. Вихід енергії на одиницю маси батареї визначається як питома енергія, яка зазвичай вимірюється у ват-годинах на кілограм (Вт·год/кг). Вихід енергії на одиницю об’єму батареї визначається як об’ємна питома енергія, яка зазвичай виражається у ват-годинах на літр (Вт·год/л). Крім того, концепцію питомої енергії можна далі розділити на теоретичну (W) і фактичну (W), де теоретичну масову питому енергію можна розрахувати за допомогою рівняння (1.9):
У формулі К+ є електрохімічним еквівалентом матеріалу позитивного електрода; K- – електрохімічний еквівалент матеріалу негативного електрода; E – електрорушійна сила акумулятора.
Потужність і питома потужність
Потужність батареї означає вихідну енергію батареї за одиницю часу за певних умов розряду, а її одиницею вимірювання є ват (Вт) або кіловат (кВт). Коли цю вихідну потужність розглядають по відношенню до маси або об’єму батареї, виходить поняття питомої потужності. Зокрема, питома потужність вимірює, скільки ват потужності може забезпечити одиниця маси батареї, і її одиницею є Вт/кг; тоді як об’ємна питома потужність відображає потужність, вироблену одиницею об’єму батареї, а її відповідна одиниця – Вт/л.
Потужність і питома потужність вказують на швидкість розряду акумулятора. Більша потужність батареї означає, що батарея може розряджатися з великим струмом або високою швидкістю. Наприклад, цинкова-срібна батарея може досягти питомої потужності понад 100 Вт/кг під час розряду за середньої щільності струму, що вказує на низький внутрішній опір і хорошу-високу швидкість розряду. Навпаки, цинкова-марганцева батарея з сухими елементами може досягати питомої потужності лише 10 Вт/кг при роботі з низькою щільністю струму, що вказує на високий внутрішній опір і низьку -високу швидкість розряду. Подібно до енергії акумулятора, потужність також має теоретичну потужність і фактичну потужність.
Теоретична потужність акумулятора може бути виражена як:
У формулі t — час; Co - теоретична ємність батареї; а я - це струм.
Фактична потужність акумулятора повинна бути:
У формулі І2R означає потужність, споживану внутрішнім опором батареї. Ця потужність марна для прикладеного навантаження; вона, по суті, перетворюється на теплову енергію та виділяється як тепло.
Цикл життя
Для акумуляторів термін служби або цикл використання є одним із ключових показників для оцінки продуктивності акумулятора. Кожен повний цикл заряду-розряду вважається періодом часу для акумулятора.
За певних умов заряду-розряду кількість циклів, які може витримати батарея, перш ніж її ємність впаде до певного заданого значення, визначається як життєвий цикл або цикл використання. Що довший термін служби, то краща продуктивність циклу батареї. Різні типи батарей демонструють різний цикл життя; наприклад, нікель-кадмієві батареї можуть досягати тисячі циклів, тоді як цинк-срібні батареї мають відносно менше циклів, деякі навіть менше сотні. Варто зазначити, що навіть батареї одного типу можуть мати різний цикл життя через відмінності у їхній внутрішній структурі.
На термін служби батареї впливає безліч факторів. Окрім належного використання та технічного обслуговування, також застосовуються такі ключові аспекти: ① Під час циклів заряду-розряду площа поверхні активного матеріалу поступово зменшується, що призводить до збільшення щільності робочого струму та посилення поляризації; ② Активні компоненти на електродах можуть від'єднатися або перенестися; ③ Під час роботи батареї деякі матеріали електродів можуть піддаватися корозії; ④ Дендрити, що утворюються на електродах під час циклічного використання, можуть спричинити коротке замикання всередині акумулятора; ⑤ Сепаратор може бути пошкоджений; ⑥ Кристалічна морфологія активного матеріалу змінюється під час повторних циклів заряду-розряду, тим самим зменшуючи його активність.
Продуктивність зберігання
Ефективність зберігання батареї означає ступінь природних втрат енергії в батареї, коли вона перебуває в розімкненому-ланцюзі за певних умов навколишнього середовища (таких як температура та вологість). Це явище також відоме як само-розряд. Якщо частка втрат енергії під час зберігання невелика, це означає, що батарея має чудові характеристики зберігання.
Коли батарея перебуває в стані розімкнутого-ланцюга, хоча вона не подає електричну енергію назовні, вона все одно проходить процес само-саморозряду. Це явище в основному пов’язане з термодинамічною нестабільністю електродів у середовищі електроліту, що призводить до спонтанних окисно-відновних реакцій між електродами. Навіть у сухих умовах, якщо ущільнення недостатньо щільне, проникнення зовнішніх факторів, таких як повітря або волога, все одно може викликати само-ефект саморозряду всередині акумулятора.
Швидкість само{0}}розряду також можна виразити як кількість днів, необхідних для зменшення ємності батареї до заданого значення під час зберігання, відомого як термін придатності. Розрізняють термін зберігання в сухому та вологому стані. Наприклад, акумуляторна батарея без додавання електроліту перед використанням може зберігатися тривалий час; такий акумулятор може мати тривалий термін зберігання в сухому стані. Зберігання з електролітом називається вологим зберіганням; вологе зберігання призводить до сильнішого само-ефекту саморозряду та відносно коротшого терміну зберігання у вологому стані. Наприклад, термін зберігання цинк-срібної батареї в сухому стані може становити 5–8 років, тоді як термін зберігання у вологому стані зазвичай становить лише кілька місяців.