Salah satu ciri prestasi yang paling penting bagibateri simpanan tenagaadalah prestasi pelepasan mereka. Untuk mencirikan kelakuan nyahcas bateri dalam keadaan yang berbeza, adalah perlu untuk mengukur lengkung nyahcas bateri, yang biasanya merupakan lengkung yang menunjukkan perubahan voltan nyahcas dari semasa ke semasa. Keadaan nyahcas yang berbeza dicirikan oleh strategi nyahcas, dan strategi nyahcas yang berbeza akan menghasilkan lengkung nyahcas yang berbeza. Strategi nyahcas lazimnya termasuk kaedah nyahcas, arus nyahcas, voltan penamatan dan suhu ambien.
Kaedah pelepasan
Terdapat tiga cara bateri boleh nyahcas: nyahcas arus malar, nyahcas rintangan malar dan nyahcas kuasa malar. Keluk nyahcas biasa ditunjukkan dalam Rajah 1-5, yang menggambarkan perubahan dalam arus nyahcas, voltan dan kuasa ke atas masa nyahcas di bawah ketiga-tiga mod nyahcas ini.
Semasa nyahcas rintangan -malar, voltan pengendalian bateri dan arus nyahcas berkurangan secara beransur-ansur dari semasa ke semasa. Begitu juga, di bawah nyahcas-arus malar, voltan pengendalian juga berkurangan apabila proses nyahcas diteruskan. Penurunan voltan operasi dengan masa nyahcas yang berpanjangan adalah disebabkan oleh peningkatan rintangan dalaman bateri. Tambahan pula, dengan peningkatan penggunaan kuasa bateri dalam alatan kuasa, kenderaan elektrik dan aplikasi lain,-nyahcas kuasa berterusan semakin berleluasa. Semasa nyahcas kuasa-malar, voltan bateri terus berkurangan manakala arus nyahcas terus meningkat apabila nyahcas berjalan.
Arus nyahcas
Semasa operasi bateri, arus yang dikeluarkannya dipanggil arus nyahcas. Arus nyahcas juga biasanya dirujuk sebagai kadar nyahcas, dan selalunya dinyatakan menggunakan kadar setiap jam (juga dikenali sebagai kadar setiap jam) dan pengganda.
Kadar nyahcas merujuk kepada kadar pelepasan bateri, diukur dalam masa nyahcas. Secara khusus, ini ialah masa yang diperlukan untuk melepaskan sepenuhnya kapasiti bateri menggunakan arus nyahcas tertentu, biasanya dinyatakan dalam jam (h). Contohnya, untuk bateri dengan kapasiti penarafan 10 amp-jam (A·h), jika ia dinyahcas dengan arus 2A, kadar nyahcas yang sepadan ialah 5 jam (10A·h/2A=5}h), bermakna bateri sedang dinyahcas pada kadar 5 jam.
Kadar nyahcas merujuk kepada nilai semasa, dinyatakan sebagai gandaan kapasiti undian bateri, apabila kapasiti penuh bateri dilepaskan sepenuhnya dalam masa tertentu. Contohnya, nyahcas 2C bermaksud arus nyahcas adalah dua kali ganda kapasiti undian bateri, biasanya diwakili oleh 2C (di mana C mewakili kapasiti undian bateri). Untuk bateri dengan kapasiti berkadar 10A·h, nyahcas 2C (terdapat isu dimensi di sini, iaitu, unit kapasiti dan arus tidak sama, tetapi ini adalah penggunaan biasa, jadi ia tidak akan ditukar) bermakna arus nyahcas ialah 2 x 10=20 (A), sepadan dengan kadar nyahcas 0.5j. Jenis dan reka bentuk bateri yang berbeza mempunyai kebolehsuaian yang berbeza untuk keadaan nyahcas: sesetengahnya lebih sesuai untuk nyahcas-arus rendah, manakala yang lain berprestasi lebih baik pada arus tinggi. Secara amnya, kadar pelepasan kurang daripada atau sama dengan 0.5C dipanggil kadar rendah; antara 0.5C dan 3.5C dipanggil kadar sederhana; antara 3.5C dan 7C dipanggil kadar tinggi; dan yang melebihi 7C dipanggil kadar-ultra tinggi.
Voltan penamatan
Semasa nyahcas bateri, nilai voltan awal ditakrifkan sebagai voltan operasi permulaan; apabila voltan jatuh ke ambang di mana nyahcas selanjutnya tidak lagi sesuai, titik voltan ini dipanggil voltan penamatan. Nilai khusus voltan penamatan ini biasanya ditetapkan oleh penguji berdasarkan keperluan ujian sebenar dan pengalaman lepas.
Voltan penamatan yang ditetapkan berbeza-beza bergantung pada keadaan nyahcas yang berbeza dan kesannya terhadap kapasiti dan jangka hayat bateri. Voltan penamatan yang lebih rendah biasanya digunakan dalam-persekitaran suhu rendah atau di bawah-keadaan nyahcas semasa yang tinggi, manakala voltan penamatan yang lebih tinggi biasanya ditetapkan di bawah-keadaan nyahcas semasa yang rendah. Ini kerana polarisasi antara elektrod bateri meningkat dengan ketara semasa nyahcas-suhu rendah atau tinggi-arus, mengakibatkan penggunaan bahan aktif yang tidak lengkap dan penurunan voltan yang lebih cepat. Oleh itu, menurunkan voltan penamatan dengan sewajarnya membantu membebaskan lebih banyak tenaga. Sebaliknya, apabila menggunakan nyahcas-arus rendah, komponen aktif dalam bateri digunakan dengan lebih sepenuhnya. Dalam kes ini, meningkatkan voltan penamatan untuk mengehadkan nyahcas dalam boleh memanjangkan hayat bateri keseluruhan dengan berkesan.
Suhu persekitaran
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-6, suhu ambien mempunyai kesan yang ketara ke atas lengkung nyahcas. Pada suhu yang lebih tinggi, lengkung nyahcas menunjukkan arah aliran yang agak lembut; namun, apabila suhu menurun, perubahan ini menjadi semakin drastik. Sebab asasnya ialah pada suhu rendah, kadar penghijrahan ion berkurangan, membawa kepada peningkatan rintangan dalaman ohmik. Dalam kes yang melampau, jika suhu terlalu rendah, elektrolit mungkin membeku, sekali gus menghalang proses nyahcas biasa bateri. Tambahan pula, pada suhu yang lebih rendah, polarisasi elektrokimia dan polarisasi kepekatan turut dipertingkatkan, seterusnya mempercepatkan kadar pereputan lengkung nyahcas.
Rajah 1-6 Lengkung nyahcas bateri asid plumbum pada suhu ambien yang berbeza
Kapasiti dan kapasiti khusus
Kapasiti bateri merujuk kepada jumlah elektrik yang boleh diperolehi daripada bateri dalam keadaan nyahcas tertentu. Unit biasanya dinyatakan sebagai ampere-jam (Ah). Bergantung pada keadaan sebenar, kapasiti bateri boleh dibahagikan lagi kepada kapasiti teori, kapasiti sebenar dan kapasiti undian.
Kapasiti teori (Co) merujuk kepada jumlah elektrik yang boleh disediakan dalam keadaan ideal apabila bahan aktif mengambil bahagian sepenuhnya dalam tindak balas elektrokimia bateri. Nilai ini dikira berdasarkan jisim bahan aktif, mengikut hukum Faraday. Hukum Faraday menyatakan bahawa terdapat hubungan berkadar langsung antara jisim bahan yang mengambil bahagian dalam tindak balas pada elektrod dan jumlah cas yang dipindahkan; apabila 1 mol bahan aktif mengambil bahagian dalam proses elektrokimia bateri, ia boleh melepaskan cas bersamaan dengan 26.8 A·h atau 1 farad (F). Oleh itu, formula pengiraan berikut wujud:
Dalam formula, m ialah jisim bahan aktif apabila ia bertindak balas sepenuhnya; n ialah bilangan elektron yang diperoleh atau hilang semasa tindak balas aliran; dan M ialah jisim molar bahan aktif.
Dalam formula, K dipanggil setara elektrokimia bahan aktif.
Seperti yang ditunjukkan dalam persamaan (1.5), kapasiti teori elektrod adalah berkaitan dengan jisim bahan aktif dan setara elektrokimia. Dengan jisim bahan aktif yang sama, lebih kecil setara elektrokimia, lebih besar kapasiti teori. Kesetaraan elektrokimia beberapa bahan elektrod ditunjukkan dalam Jadual 1-3.
Jadual 1-3 Setara Elektrokimia Beberapa Bahan Elektrod
| Bahan Elektrod Negatif | Ketumpatan (g/cm³) | Kapasiti Tertentu (mA·h/g) | Bahan Elektrod Positif | Ketumpatan (g/cm³) | Kapasiti Tertentu (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 |
Selain itu, konsep kapasiti sebenar dan kapasiti undian sering digunakan. Kapasiti sebenar merujuk kepada jumlah tenaga elektrik yang boleh disediakan oleh bateri di bawah keadaan nyahcas tertentu. Kapasiti sebenar dihadkan bukan sahaja oleh nilai maksimum teori tetapi juga oleh keadaan pelepasan tertentu.
Kapasiti undian, sebaliknya, adalah set standard untuk bateri semasa proses reka bentuk dan pembuatan; iaitu kapasiti keluaran minimum yang perlu dicapai oleh bateri di bawah keadaan nyahcas yang ditetapkan, juga dikenali sebagai kapasiti nominal.
Apabila membandingkan pelbagai jenis bateri dalam siri yang sama, kapasiti khusus biasanya digunakan untuk penilaian. Secara khusus, kapasiti khusus merujuk kepada jumlah elektrik yang boleh diberikan oleh bateri bagi setiap unit jisim atau isipadu, iaitu kapasiti khusus jisim (Ah/kg) dan kapasiti khusus isipadu (Ah/L). Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa apabila mengira jisim dan isipadu bateri, selain mempertimbangkan bahan elektrod dan elektrolit, komponen lain bateri juga mesti diambil kira, seperti selongsong, pemisah, dan komponen konduktif yang berkaitan. Khususnya untuk bateri penyimpanan dan sel bahan api, jumlah jisim dan isipadu juga termasuk semua peralatan tambahan yang diperlukan, seperti tangki untuk menyimpan cecair, peranti pengaktifan (untuk bateri simpanan), atau sistem penyimpanan dan bekalan bahan aktif, sistem kawalan, unit pemanasan, dsb. (untuk sel bahan api).
Dengan memperkenalkan konsep kapasiti khusus, kita boleh membandingkan prestasi bateri pelbagai jenis dan saiz. Kapasiti bateri dibahagikan kepada kapasiti teori dan kapasiti sebenar; selaras dengan itu, kapasiti khusus juga mempunyai aspek teori dan sebenar.
Tenaga dan tenaga khusus
Tenaga bateri merujuk kepada jumlah tenaga elektrik yang dikeluarkan oleh bateri apabila melakukan kerja di bawah keadaan nyahcas tertentu, biasanya dinyatakan dalam watt-jam (W·h). Tenaga bateri juga mempunyai tenaga teori dan tenaga sebenar.
Dengan mengandaikan bateri kekal dalam keseimbangan semasa nyahcas dan voltan nyahcasnya adalah malar sama dengan daya gerak elektriknya, dan juga mengandaikan semua bahan aktif mengambil bahagian dalam tindak balas kimia, maka tenaga yang disediakan oleh bateri hendaklah sama dengan tenaga maksimum teorinya Wo.
Tenaga teori bateri ialah kerja bukan volum maksimum-yang dilakukan oleh bateri di bawah suhu malar, tekanan malar dan keadaan nyahcas boleh balik.
Tenaga sebenar (W) merujuk kepada tenaga yang sebenarnya disediakan oleh bateri dalam keadaan nyahcas tertentu. Ia diperoleh secara berangka dengan mendarabkan kapasiti sebenar dengan voltan operasi purata. Oleh kerana bahan aktif di dalam bateri tidak dapat digunakan sepenuhnya, dan voltan kendaliannya biasanya lebih rendah daripada daya gerak elektrik teori, tenaga sebenar sentiasa kurang daripada tenaga teori.
Tenaga khusus merujuk kepada tenaga yang dikeluarkan oleh bateri per unit jisim atau unit isipadu. Output tenaga bagi setiap unit jisim bateri ditakrifkan sebagai tenaga khusus jisim, biasanya diukur dalam watt-jam sekilogram (Wh/kg). Output tenaga bagi setiap unit isipadu bateri ditakrifkan sebagai tenaga khusus isipadu, biasanya dinyatakan dalam watt-jam seliter (Wh/L). Tambahan pula, konsep tenaga tentu boleh dibahagikan lagi kepada teori (W) dan sebenar (W), di mana tenaga tentu jisim teori boleh dikira menggunakan persamaan (1.9):
Dalam formula, K+ ialah setara elektrokimia bahan elektrod positif; K- ialah persamaan elektrokimia bagi bahan elektrod negatif; dan E ialah daya gerak elektrik bateri.
Kuasa dan kuasa khusus
Kuasa bateri merujuk kepada output tenaga bateri per unit masa di bawah keadaan nyahcas tertentu, dan unit ukurannya ialah watt (W) atau kilowatt (kW). Apabila kuasa keluaran ini dipertimbangkan berhubung dengan jisim atau isipadu bateri, konsep kuasa khusus diperoleh. Khususnya, kuasa khusus jisim mengukur berapa banyak watt kuasa yang boleh diberikan oleh jisim bateri, dan unitnya ialah W/kg; manakala kuasa khusus isipadu mencerminkan kuasa yang dijana oleh unit isipadu bateri, dan unit yang sepadan ialah W/L.
Kuasa dan kuasa khusus menunjukkan kadar nyahcas bateri. Kuasa bateri yang lebih tinggi bermakna bateri boleh dinyahcas pada kadar arus tinggi atau tinggi. Contohnya, bateri perak-zink boleh mencapai kuasa tertentu melebihi 100 W/kg apabila menyahcas pada ketumpatan arus sederhana, menunjukkan rintangan dalaman yang rendah dan prestasi nyahcas-tinggi yang baik. Sebaliknya, bateri sel kering -zink mangan hanya boleh mencapai kuasa tertentu 10 W/kg apabila beroperasi pada ketumpatan arus yang rendah, menunjukkan rintangan dalaman yang tinggi dan prestasi nyahcas-tinggi yang lemah. Sama seperti tenaga bateri, kuasa juga mempunyai kuasa teori dan kuasa sebenar.
Kuasa teori bateri boleh dinyatakan sebagai:
Dalam formula, t ialah masa; Co ialah kapasiti teori bateri; dan saya adalah arus.
Kuasa sebenar bateri hendaklah:
Dalam formula, I2R mewakili kuasa yang digunakan oleh rintangan dalaman bateri. Kuasa ini tidak berguna untuk beban yang dikenakan; ia pada asasnya ditukar kepada tenaga haba dan dibebaskan sebagai haba.
Kitaran hidup
Untuk bateri, hayat kitaran atau kitaran penggunaan, ialah salah satu petunjuk utama untuk menilai prestasi bateri. Setiap kitaran nyahcas-yang lengkap dianggap sebagai tempoh masa untuk bateri.
Di bawah keadaan cas-yang tertentu, bilangan kitaran bateri boleh tahan sebelum kapasitinya menurun kepada nilai tertentu tertentu ditakrifkan sebagai hayat kitaran atau kitaran penggunaannya. Lebih lama hayat kitaran, lebih baik prestasi kitaran bateri. Jenis bateri yang berbeza mempamerkan hayat kitaran yang berbeza; contohnya, bateri nikel-kadmium boleh mencapai beribu-ribu kitaran, manakala zink-bateri perak mempunyai kitaran yang agak kurang, malah ada yang kurang daripada seratus. Perlu diingat bahawa walaupun bateri jenis yang sama boleh mempunyai hayat kitaran yang berbeza kerana perbezaan dalam struktur dalaman mereka.
Hayat kitaran bateri dipengaruhi oleh pelbagai faktor. Selain penggunaan dan penyelenggaraan yang betul, aspek utama berikut juga digunakan: ① Semasa kitaran-penyahcasan, luas permukaan bahan aktif berkurangan secara beransur-ansur, membawa kepada peningkatan ketumpatan arus operasi dan polarisasi yang dipergiatkan; ② Komponen aktif pada elektrod mungkin tertanggal atau dipindahkan; ③ Semasa operasi bateri, beberapa bahan elektrod mungkin terhakis; ④ Dendrit yang terbentuk pada elektrod semasa berbasikal boleh menyebabkan litar pintas di dalam bateri; ⑤ Pemisah mungkin rosak; ⑥ Morfologi kristal bahan aktif berubah semasa kitaran nyahcas-berulang, sekali gus mengurangkan aktivitinya.
Prestasi storan
Prestasi storan bateri merujuk kepada tahap kehilangan tenaga semula jadi dalam bateri apabila ia berada dalam keadaan litar-terbuka di bawah keadaan persekitaran tertentu (seperti suhu dan kelembapan). Fenomena ini juga dikenali sebagai-pelepasan diri. Jika bahagian kehilangan tenaga semasa penyimpanan adalah kecil, ini menunjukkan bahawa bateri mempunyai prestasi storan yang sangat baik.
Apabila bateri berada dalam keadaan litar-terbuka, walaupun ia tidak membekalkan tenaga elektrik ke bahagian luar, ia masih menjalani proses-nyahcas sendiri. Fenomena ini disebabkan terutamanya oleh ketidakstabilan termodinamik elektrod dalam persekitaran elektrolit, yang membawa kepada tindak balas redoks spontan antara elektrod. Walaupun dalam keadaan kering, jika pengedap tidak cukup ketat, penyusupan faktor luaran seperti udara atau lembapan masih boleh mencetuskan-kesan nyahcas sendiri di dalam bateri.
Kadar nyahcas sendiri-juga boleh dinyatakan sebagai bilangan hari yang diambil untuk kapasiti bateri berkurangan kepada nilai yang ditentukan apabila disimpan, dikenali sebagai jangka hayat. Terdapat jangka hayat kering dan jangka hayat basah. Sebagai contoh, bateri simpanan, tanpa menambah elektrolit sebelum digunakan, boleh disimpan untuk masa yang lama; bateri sedemikian boleh mempunyai jangka hayat kering yang panjang. Penyimpanan dengan elektrolit dipanggil penyimpanan basah; storan basah menghasilkan kesan pelepasan diri-yang lebih kuat dan jangka hayat simpan basah yang agak pendek. Contohnya, bateri perak-zink boleh mempunyai jangka hayat kering selama 5–8 tahun, manakala jangka hayat basahnya biasanya hanya beberapa bulan.