Una di e caratteristiche più impurtanti di u rendimentbatterie di almacenamiento d'energiahè a so prestazione di scaricamentu. Per caratterizà u cumpurtamentu di scaricamentu di a batteria in diverse cundizioni, hè necessariu di misurà a curva di scarica di a batteria, chì hè di solitu una curva chì mostra u cambiamentu di a tensione di scarica in u tempu. Differenti cundizioni di scaricamentu sò carattarizati da strategie di scaricamentu, è diverse strategie di scaricamentu saranu diverse curve di scaricamentu. Strategie di scaricamentu tipicamente include u metudu di scaricamentu, a corrente di scarica, a tensione di terminazione è a temperatura ambientale.
Metudu di scaricamentu
Ci hè trè manere chì una bateria pò scaricate: scaricamentu di corrente constante, scaricamentu di resistenza constante, è scaricamentu di putenza constante. Curve di scarica tipiche sò mostrate in a Figura 1-5, chì illustra i cambiamenti in a corrente di scaricamentu, a tensione è a putenza annantu à u tempu di scaricamentu sottu questi trè modi di scaricamentu.
Durante a scarica di resistenza constante -, a tensione di u funziunamentu di a bateria è u currente di scaricamentu diminuiscenu gradualmente cù u tempu. In listessu modu, sottu a scarica di corrente constante -, a tensione di u funziunamentu diminuisce ancu mentre u prucessu di scarica continua. Questa diminuzione di a tensione operativa cù u tempu di scaricamentu prolongatu hè dovutu à l'aumentu di a resistenza interna di a bateria. Inoltre, cù l'usu crescente di a putenza di a bateria in l'utensili, i veiculi elettrici è altre applicazioni, a scarica di putenza constante -diventa più prevalente. Durante a scarica di putenza constante -, a tensione di a batteria diminuisce continuamente mentre a corrente di scarica aumenta continuamente mentre a scarica avanza.
Corrente di scaricamentu
Durante u funziunamentu di a bateria, a corrente chì emette hè chjamata corrente di scarica. U currente di scaricamentu hè ancu cumunamente chjamatu a tarifa di scaricamentu, è hè spessu spressione cù a tarifa oraria (cunnisciutu ancu com'è a tarifa oraria) è u multiplicatore.
A tarifa di scaricamentu si riferisce à a tarifa à a quale una batteria si scarica, misurata in u tempu di scaricamentu. In particulare, hè u tempu necessariu per liberà cumplettamente a capacità di a bateria utilizendu un currente di scaricamentu specificu, di solitu espressu in ore (h). Per esempiu, per una bateria cù una capacità nominale di 10 amp-hours (A·h), s'ellu hè scaricatu cù un currente di 2A, a tarifa di scaricamentu currispondente hè di 5 ore (10A·h/2A=5h), chì significa chì a bateria hè scaricata à una tarifa di 5-hour.
A tarifa di scaricamentu si riferisce à u valore attuale, spressione cum'è un multiplu di a capacità nominale di a batteria, quandu a capacità completa di a batteria hè liberata cumplettamente in un tempu specificu. Per esempiu, a scarica 2C significa chì a corrente di scarica hè duie volte a capacità nominale di a bateria, generalmente rapprisentata da 2C (induve C rapprisenta a capacità nominale di a batteria). Per una bateria cù una capacità nominale di 10A·h, 2C scaricamentu (ci hè un prublema dimensionale quì, vale à dì, l'unità di capacità è currente ùn sò micca listessi, ma questu hè un usu cumuni, perchè ùn serà micca cambiatu) significa chì a corrente di scaricamentu hè 2 x 10=20 (A), chì currisponde à una tarifa di scaricamentu di 0,5h. Diversi tipi è disinni di batterie anu una adattabilità diversa à e cundizioni di scaricamentu: alcuni sò più adattati per a scarica di corrente bassa, mentre chì altri funzionanu megliu à correnti alti. In generale, i tassi di scaricamentu menu o uguali à 0.5C sò chjamati tassi bassi; quelli trà 0.5C è 3.5C sò chjamati tassi medii; quelli trà 3.5C è 7C sò chjamati tassi elevati; è quelli chì superanu 7C sò chjamati ultra-ratii alti.
Tensione di terminazione
Durante a scaricamentu di a bateria, u valore di tensione iniziale hè definitu cum'è a tensione di operazione iniziale; quandu a tensione scende à un sogliu induve più scaricamentu ùn hè più adattatu, stu puntu di tensione hè chjamatu tensione di terminazione. U valore specificu di sta tensione di terminazione hè generalmente stabilitu da u tester basatu nantu à i bisogni di a prova attuale è l'esperienza passata.
A tensione di terminazione stabilita varieghja secondu e diverse cundizioni di scaricamentu è u so impattu nantu à a capacità è a vita di a batteria. Tensioni di terminazione più bassu sò tipicamente aduprate in ambienti à bassa -temperatura o in cundizioni di scaricamentu di corrente alta -, mentre chì i voltaggi di terminazione più altu sò generalmente stabiliti in cundizioni di scarica di corrente bassa -. Questu hè chì a polarizazione trà l'elettrodi di a batteria aumenta significativamente durante a bassa -temperatura o alta -scarica di corrente, risultante in l'utilizazione incompleta di materiali attivi è una caduta di tensione più veloce. Dunque, abbassendu in modu adattatu a tensione di terminazione aiuta à liberà più energia. À u cuntrariu, quandu si usa una scarica di corrente bassa -, i cumpunenti attivi in a bateria sò utilizati più cumpletamente. In questu casu, l'aumentu di a tensione di terminazione per limità a scarica profonda pò allargà in modu efficace a vita generale di a bateria.
A temperatura ambiente
Comu mostra in a Figura 1-6, a temperatura ambientale hà un impattu significativu nantu à a curva di scaricamentu. À a temperatura più altu, a curva di scaricamentu mostra una tendenza relativamente gentile; in ogni modu, cum'è a temperatura diminuite, stu cambiamentu diventa sempre più drasticu. U mutivu fundamentale hè chì a bassa temperatura, a rata di migrazione di ioni diminuite, chì porta à un incrementu di a resistenza interna ohmica. In i casi estremi, se a temperatura hè troppu bassu, l'elettrolitu pò congelate, impediscendu cusì u prucessu normale di scaricamentu di a bateria. Inoltre, à temperature più basse, a polarizazione elettrochimica è a polarizazione di cuncentrazione sò aumentate in modu currispundente, accelerà ancu più a rata di decadenza di a curva di scarica.
Figura 1-6 Curve di scaricamentu di batterie di piombo-acidu à diverse temperature ambientali
Capacità è capacità specifica
A capacità di a bateria si riferisce à a quantità di elettricità chì pò esse acquistata da una batteria in certi cundizioni di scaricamentu. L'unità hè generalmente espressa cum'è ampere-ora (Ah). Sicondu a situazione attuale, a capacità di a bateria pò esse divisa in più in capacità teorica, capacità attuale è capacità nominale.
A capacità teorica (Co) si riferisce à a quantità di l'electricità chì pò esse furnita in cundizioni ideali quandu u materiale attivu participa à a reazzione elettrochimica di a bateria. Stu valore hè calculatu nantu à a massa di u materiale attivu, secondu a lege di Faraday. A lege di Faraday dice chì ci hè una relazione proporzionale diretta trà a massa di u materiale chì participanu à a reazzione à l'elettrodu è a quantità di carica chì trasferisce; quandu 1 mol di materiale attivu participa à u prucessu elettrochimicu di a bateria, pò liberà una carica equivalente à 26,8 A·h o 1 farad (F). Dunque, a seguente formula di calculu esiste:
In a formula, m hè a massa di a sustanza attiva quandu reagisce cumpletamente; n hè u numeru di elettroni guadagnati o persi durante a reazzione di flussu; è M hè a massa molare di a sustanza attiva.
In a formula, K hè chjamatu l'equivalente elettrochimicu di a sustanza attiva.
Comu mostra in l'equazioni (1.5), a capacità teorica di un elettrodu hè ligata à a massa di u materiale attivu è l'equivalente elettrochimicu. Cù a listessa massa di materiale attivu, u più chjucu l'equivalente elettrochimicu, più grande a capacità teorica. L'equivalenti elettrochimichi di certi materiali di l'elettrodi sò mostrati in a Tabella 1-3.
Table 1-3 Equivalenti Elettrochimichi di Certi Materiali Electrode
| Materiale di l'elettrodu negativu | Densità (g/cm³) | Capacità specifica (mA·h/g) | Materiale di l'elettrodu pusitivu | Densità (g/cm³) | Capacità specifica (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | AgO | 7.4 | 2.31 |
| Al | 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 |
Inoltre, i cuncetti di capacità attuale è capacità nominale sò spessu usati. A capacità attuale si riferisce à a quantità totale di elettricità chì una batteria pò furnisce in cundizioni di scaricamentu specifiche. A capacità attuale hè limitata micca solu da u valore massimu teoricu, ma ancu da e cundizioni specifiche di scaricamentu.
A capacità nominale, invece, hè un settore standard per a bateria durante u prucessu di cuncepimentu è di fabricazione; vale à dì, a capacità di pruduzzione minima chì a bateria deve ghjunghje in e cundizioni di scaricamentu specificate, cunnisciuta ancu com'è capacità nominale.
Quandu si compara diversi tipi di batterie in a listessa serie, a capacità specifica hè tipicamente usata per a valutazione. In particulare, a capacità specifica si riferisce à a quantità di elettricità chì una bateria pò furnisce per unità di massa o voluminu, vale à dì, a capacità specifica di massa (Ah/kg) è a capacità specifica volumetrica (Ah/L). Hè impurtante à nutà chì quandu calculate a massa è u voluminu di una bateria, in più di cunsiderà i materiali di l'elettrodu è l'elettroliti, l'altri cumpunenti di a bateria deve esse ancu pigliatu in contu, cum'è u casing, u separatore è i cumpunenti cunduttori rilativi. In particulare per e batterie d'almacenamiento è e pila di carburante, a massa è u voluminu tutali includenu ancu tutti l'equipaggiu ausiliarii necessarii, cum'è i tanki per almacenà i liquidi, i dispusitivi di attivazione (per e batterie d'almacenamiento), o sistemi di almacenamentu è furnimentu di materiale attivu, sistemi di cuntrollu, unità di riscaldamentu, etc.
Intruducendu u cuncettu di capacità specifica, pudemu paragunà u rendiment di batterie di diversi tipi è dimensioni. A capacità di a bateria hè divisa in capacità teorica è capacità attuale; in cunfurmità, a capacità specifica hà ancu aspetti teorichi è attuali.
Energia è energia specifica
L'energia di a bateria si riferisce à l'energia elettrica tutale di a bateria quandu si esegue u travagliu in cundizioni di scaricamentu specifiche, generalmente espressa in watt{0}ora (W·h). L'energia di a bateria hà ancu una energia teorica è una energia reale.
Assumindu chì a bateria ferma in equilibriu durante a scarica è a so tensione di scarica hè custante uguale à a so forza elettromotrice, è ancu assumendu chì tutti i materiali attivi participanu à a reazzione chimica, allora l'energia furnita da a bateria deve esse uguale à a so energia massima teorica Wo.
L'energia teorica di una bateria hè u travagliu massimu senza -volume fattu da a bateria sottu temperatura constante, pressione constante è cundizioni di scaricamentu riversibili.
L'energia attuale (W) si riferisce à l'energia effettivamente furnita da una batteria in certi cundizioni di scaricamentu. Hè derivatu numericamente multiplicendu a capacità attuale da a tensione operativa media. Perchè i materiali attivi à l'internu di a bateria ùn ponu micca esse cumplettamente utilizati, è a so tensione di funziunamentu hè di solitu più bassa di a forza elettromotrice teorica, l'energia attuale hè sempre menu di l'energia teorica.
L'energia specifica si riferisce à l'energia liberata da una bateria per unità di massa o unità di volumi. L'energia prodotta per unità di massa di a batteria hè definita cum'è energia specifica di massa, tipicamente misurata in watt-ora per kilogramu (Wh/kg). A pruduzzione di energia per unità di volumi di a bateria hè definita cum'è energia specifica volumetrica, tipicamente espressa in watt-ora per litru (Wh/L). Inoltre, u cuncettu di energia specifica pò esse suddivisu in più in teorica (W) è attuale (W), induve l'energia specifica di massa teorica pò esse calculata cù l'equazioni (1.9):
In a formula, K + hè l'equivalente elettrochimicu di u materiale di l'elettrodu pusitivu; K- hè l'equivalente elettrochimicu di u materiale di l'elettrodu negativu; è E hè a forza elettromotrice di a batteria.
Forza è putenza specifica
A putenza di a bateria si riferisce à a pruduzzione energetica di una batteria per unità di tempu in cundizioni specifiche di scaricamentu, è a so unità di misura hè watt (W) o kilowatt (kW). Quandu sta putenza di output hè cunsiderata in relazione à a massa o u voluminu di a bateria, u cuncettu di putenza specifica hè ottenuta. In particulare, u putere specificu di massa misura quantu watts di putenza una unità di massa di bateria pò furnisce, è a so unità hè W / kg; mentre chì u putere specificu volumetricu riflette a putenza generata da un voluminu unità di batteria, è a so unità currispundente hè W / L.
A putenza è a putenza specifica indicanu a tarifa di scaricamentu di una bateria. Una putenza più alta di a bateria significa chì a bateria pò scaricate à un altu currente o alti tassi. Per esempiu, una bateria di zincu -argentu pò ottene una putenza specifica di più di 100 W / kg quandu si scarica à una densità di corrente media, chì indica una bassa resistenza interna è un bonu rendimentu di scaricamentu altu -. In cuntrastu, una bateria di cellula secca di zinc -manganesu pò ottene solu una putenza specifica di 10 W / kg quandu opera à una densità di corrente bassa, chì indica una alta resistenza interna è una scarsa prestazione di scaricamentu altu -. Simile à l'energia di a bateria, a putenza hà ancu u putere teoricu è u putere attuale.
A putenza teorica di una bateria pò esse espressa cum'è:
In a formula, t hè u tempu; Co hè a capacità teorica di a bateria; è io sò u currente.
A putenza attuale di a bateria deve esse:
In a formula, I2R rapprisenta a putenza cunsumata da a resistenza interna di a bateria. Stu putere hè inutile à a carica applicata; hè essenzialmente cunvertitu in energia di calore è liberatu cum'è calore.
Ciclu di vita
Per e batterie, a vita di u ciculu, o u ciculu d'usu, hè unu di l'indicatori chjave per a valutazione di u rendiment di a bateria. Ogni ciclu cumpletu di carica-scaricamentu hè cunsideratu un periodu di tempu per una bateria.
In cundizioni specifiche di carica-di scaricamentu, u numeru di cicli chì una batteria pò sustene prima chì a so capacità scende à un certu valore specificatu hè definitu cum'è u so ciclu di vita o u ciclu di usu. A più longa a vita di u ciculu, u megliu u rendiment di u ciclu di a bateria. per esempiu, i batterie di nichel-cadmiu ponu ottene millaie di ciculi, mentre chì e batterie di zincu-d'argentu anu relativamente menu ciclichi, alcuni ancu menu di centu. Hè da nutà chì ancu e batterie di u listessu tipu pò avè una vita di ciculu differente per via di e differenze in a so struttura interna.
A vita di u ciclu di una bateria hè affettata da una varietà di fatturi. In più di l'usu è di u mantenimentu propiu, i seguenti aspetti chjave si applicanu ancu: ① Durante i cicli di scaricamentu di carica -, a superficia di u materiale attivu diminuisce gradualmente, purtendu à un aumentu di a densità di corrente operativa è a polarizazione intensificata; ② I cumpunenti attivi nantu à l'elettrodi ponu staccà o trasferisce; ③ Durante u funziunamentu di a batteria, certi materiali di l'elettrodi ponu esse corrosi; ④ Dendriti furmati nantu à l'elettrodi durante u ciclicu pò causà cortu circuiti in a bateria; ⑤ U separatore pò esse dannatu; ⑥ A morfologia cristallina di u materiale attivu cambia durante i cicli di carica ripetuti -, riducendu cusì a so attività.
Prestazione di almacenamiento
A prestazione di almacenamentu di a batteria si riferisce à u gradu di perdita di energia naturale in a batteria quandu hè in un statu di circuitu apertu -in cundizioni ambientali specifiche (cum'è a temperatura è l'umidità). Stu fenominu hè ancu cunnisciutu cum'è self-discharge. Se a proporzione di perdita di energia durante l'almacenamiento hè chjuca, indica chì a bateria hà un rendimentu di almacenamentu eccellente.
Quandu una bateria hè in un statu di -circuitu apertu, ancu s'ellu ùn furnisce micca energia elettrica à l'esternu, hè sempre sottumessu à un prucessu di scaricamentu automaticu. Stu fenominu hè principalmente dovutu à l'instabilità termodinamica di l'elettrodi in l'ambiente elettrolitu, chì porta à reazzioni redox spontanee trà l'elettrodi. Ancu in cundizioni secche, se u sigillu ùn hè micca abbastanza strettu, l'infiltrazione di fatturi esterni, cum'è l'aria o l'umidità, pò ancu pruvucà un effettu di scaricamentu d'autore - in a bateria.
L'auto{0}}tassa di scaricamentu pò ancu esse espressa cum'è u numeru di ghjorni chì ci vole à a capacità di a bateria per diminuisce à un valore specificatu quandu hè almacenatu, cunnisciutu cum'è vita di conservazione. Per esempiu, una bateria d'almacenamiento, senza aghjunghje l'elettrolitu prima di l'usu, pò esse guardatu per un bellu pezzu; una tale bateria pò avè una longa vita secca. U almacenamentu cù l'elettroliti hè chjamatu almacenamiento umitu; U almacenamentu umitu si traduce in un effettu di autore-scarica più forte è una durata di conservazione umida relativamente più corta. Per esempiu, una bateria d'argentu di zincu -puderà avè una durata di conservazione secca di 5-8 anni, mentre chì a so vita di conservazione umida hè tipicamente solu uni pochi di mesi.