عملکرد تخلیه باتری های ذخیره انرژی

یکی از مهمترین ویژگی های عملکردیباتری های ذخیره انرژیعملکرد تخلیه آنها است. برای مشخص کردن رفتار تخلیه باتری در شرایط مختلف، لازم است منحنی دشارژ باتری را اندازه گیری کرد، که معمولاً منحنی است که تغییر ولتاژ تخلیه را در طول زمان نشان می دهد. شرایط دبی متفاوت با استراتژی های دبی مشخص می شود و استراتژی های دبی متفاوت منجر به منحنی های دبی متفاوت می شود. استراتژی های تخلیه معمولاً شامل روش تخلیه، جریان تخلیه، ولتاژ پایان و دمای محیط است.

روش تخلیه

سه راه وجود دارد که یک باتری می تواند تخلیه کند: تخلیه جریان ثابت، تخلیه مقاومت ثابت و تخلیه برق ثابت. منحنی های دبی معمولی در شکل 1-5 نشان داده شده است که تغییرات جریان دشارژ، ولتاژ و توان در طول زمان دشارژ را در این سه حالت دشارژ نشان می دهد.

در طول تخلیه مقاومت ثابت، ولتاژ کار باتری و جریان تخلیه به تدریج در طول زمان کاهش می یابد. به طور مشابه، تحت تخلیه جریان ثابت، ولتاژ عملیاتی نیز با ادامه فرآیند تخلیه کاهش می یابد. این کاهش ولتاژ کاری با زمان تخلیه طولانی مدت به دلیل افزایش مقاومت داخلی باتری است. علاوه بر این، با استفاده روزافزون از انرژی باتری در ابزارهای برقی، وسایل نقلیه الکتریکی و سایر برنامه‌ها، تخلیه دائمی- برق رایج‌تر می‌شود. در طول تخلیه ثابت- برق، ولتاژ باتری به طور مداوم کاهش می یابد در حالی که جریان تخلیه به طور مداوم با پیشرفت تخلیه افزایش می یابد.

جریان تخلیه

در حین کار با باتری، جریانی که از آن خارج می شود، جریان تخلیه نامیده می شود. جریان تخلیه معمولاً به عنوان نرخ تخلیه نیز نامیده می شود و اغلب با استفاده از نرخ ساعتی (همچنین به عنوان نرخ ساعتی شناخته می شود) و ضریب بیان می شود.

نرخ دشارژ به سرعت تخلیه باتری اشاره دارد که بر حسب زمان دشارژ اندازه گیری می شود. به طور خاص، زمان مورد نیاز برای آزاد کردن کامل ظرفیت باتری با استفاده از یک جریان تخلیه خاص است که معمولاً بر حسب ساعت بیان می شود. به عنوان مثال، برای باتری با ظرفیت نامی 10 آمپر{3}}ساعت (A·h)، اگر با جریان 2 آمپر تخلیه شود، نرخ دشارژ مربوطه 5 ساعت (10A·h/2A=5 ساعت) است، به این معنی که باتری با سرعت 5 ساعت تخلیه می‌شود.

نرخ دشارژ به مقدار فعلی اشاره دارد که به صورت مضربی از ظرفیت نامی باتری بیان می شود، زمانی که ظرفیت کامل باتری در یک زمان خاص به طور کامل آزاد شود. به عنوان مثال، تخلیه 2C به این معنی است که جریان تخلیه دو برابر ظرفیت نامی باتری است، که معمولاً با 2C نشان داده می شود (که در آن C نشان دهنده ظرفیت نامی باتری است). برای باتری با ظرفیت نامی 10A·h، دشارژ 2C (اینجا یک مسئله ابعادی وجود دارد، یعنی واحدهای ظرفیت و جریان یکسان نیستند، اما این یک کاربرد رایج است، بنابراین تغییر نخواهد کرد) یعنی جریان تخلیه 2 x 10=20 (A) است، که مربوط به نرخ تخلیه 0.5 ساعت است. انواع و طرح‌های مختلف باتری‌ها سازگاری متفاوتی با شرایط تخلیه دارند: برخی برای تخلیه جریان کم مناسب‌تر هستند، در حالی که برخی دیگر در جریان‌های بالا عملکرد بهتری دارند. به طور کلی، نرخ تخلیه کمتر یا مساوی 0.5 درجه سانتیگراد، نرخ پایین نامیده می شود. دمای بین 0.5 تا 3.5 درجه سانتیگراد نرخ متوسط ​​نامیده می شود. آنهایی که بین 3.5 تا 7 درجه سانتیگراد هستند، نرخ بالا نامیده می شوند. و مواردی که بیش از 7 درجه سانتیگراد هستند، نرخ‌های فوق{20}بالا نامیده می‌شوند.

ولتاژ پایان

در طول تخلیه باتری، مقدار ولتاژ اولیه به عنوان ولتاژ شروع کار تعریف می شود. هنگامی که ولتاژ به آستانه ای کاهش می یابد که تخلیه بیشتر دیگر مناسب نیست، این نقطه ولتاژ ولتاژ پایان نامیده می شود. مقدار ویژه این ولتاژ پایانی معمولاً توسط تستر بر اساس الزامات آزمایش واقعی و تجربه گذشته تعیین می شود.

ولتاژ پایانی تنظیم شده بسته به شرایط مختلف تخلیه و تأثیر آنها بر ظرفیت و طول عمر باتری متفاوت است. ولتاژ پایان کمتر معمولاً در محیط‌های با دمای پایین یا در شرایط تخلیه جریان بالا استفاده می‌شود، در حالی که ولتاژهای پایان بالاتر معمولاً در شرایط تخلیه جریان پایین تنظیم می‌شوند. این به این دلیل است که پلاریزاسیون بین الکترودهای باتری در هنگام تخلیه جریان در دمای پایین یا بالا به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که منجر به استفاده ناقص از مواد فعال و افت ولتاژ سریع‌تر می‌شود. بنابراین، کاهش مناسب ولتاژ پایان به آزاد شدن انرژی بیشتر کمک می کند. برعکس، هنگام استفاده از جریان کم-، اجزای فعال باتری به طور کامل‌تری استفاده می‌شوند. در این مورد، افزایش ولتاژ پایان برای محدود کردن تخلیه عمیق می تواند به طور موثر طول عمر باتری را افزایش دهد.

دمای محیط

همانطور که در شکل 1-6 نشان داده شده است، دمای محیط تاثیر قابل توجهی بر روی منحنی دبی دارد. در دماهای بالاتر، منحنی دبی روند نسبتا ملایمی را نشان می دهد. با این حال، با کاهش دما، این تغییر به طور فزاینده ای شدید می شود. دلیل اصلی این است که در دماهای پایین، سرعت مهاجرت یون ها کاهش می یابد و منجر به افزایش مقاومت داخلی اهمی می شود. در موارد شدید، اگر دما خیلی پایین باشد، الکترولیت ممکن است یخ بزند و در نتیجه فرآیند تخلیه طبیعی باتری را مختل کند. علاوه بر این، در دماهای پایین تر، پلاریزاسیون الکتروشیمیایی و پلاریزاسیون غلظت به ترتیب افزایش می‌یابد و سرعت فروپاشی منحنی تخلیه را تسریع می‌کند.

شکل 1-6 منحنی تخلیه باتری های سرب اسید در دماهای مختلف محیط

ظرفیت و ظرفیت خاص

ظرفیت باتری به مقدار برقی اطلاق می‌شود که می‌توان از باتری تحت شرایط تخلیه خاص به دست آورد. واحد معمولاً به صورت آمپر-ساعت (Ah) بیان می شود. بسته به وضعیت واقعی، ظرفیت باتری را می توان به ظرفیت تئوری، ظرفیت واقعی و ظرفیت نامی تقسیم کرد.

ظرفیت تئوری (Co) به مقدار برقی اشاره دارد که در شرایط ایده آل زمانی که ماده فعال به طور کامل در واکنش الکتروشیمیایی باتری شرکت می کند، می تواند تامین شود. این مقدار بر اساس جرم ماده فعال و طبق قانون فارادی محاسبه می شود. قانون فارادی بیان می‌کند که بین جرم ماده شرکت‌کننده در واکنش الکترود و مقدار باری که آن را منتقل می‌کند رابطه مستقیمی وجود دارد. هنگامی که 1 مول ماده فعال در فرآیند الکتروشیمیایی باتری شرکت می کند، می تواند باری معادل 26.8 A·h یا 1 فاراد (F) آزاد کند. بنابراین، فرمول محاسبه زیر وجود دارد:

در فرمول، m جرم ماده فعال در هنگام واکنش کامل است. n تعداد الکترون هایی است که در طی واکنش جریان به دست می آیند یا از دست می روند. و M جرم مولی ماده فعال است.

در فرمول، K معادل الکتروشیمیایی ماده فعال نامیده می شود.

همانطور که در رابطه (1.5) نشان داده شده است، ظرفیت نظری یک الکترود به جرم ماده فعال و معادل الکتروشیمیایی مربوط است. با جرم یکسان ماده فعال، هر چه معادل الکتروشیمیایی کوچکتر باشد، ظرفیت نظری بزرگتر است. معادل های الکتروشیمیایی برخی از مواد الکترود در جدول 1-3 نشان داده شده است.

جدول 1-3 معادل های الکتروشیمیایی برخی از مواد الکترود

علاوه بر این، مفاهیم ظرفیت واقعی و ظرفیت نامی اغلب استفاده می شود. ظرفیت واقعی به مقدار کل برقی که یک باتری می تواند تحت شرایط تخلیه خاص ارائه دهد اشاره دارد. ظرفیت واقعی نه تنها با حداکثر مقدار تئوری بلکه با شرایط تخلیه خاص نیز محدود می شود.

ظرفیت نامی، از سوی دیگر، یک مجموعه استاندارد برای باتری در طول فرآیند طراحی و ساخت است. یعنی حداقل ظرفیت خروجی که باتری باید تحت شرایط دشارژ مشخص به دست آورد که به عنوان ظرفیت اسمی نیز شناخته می شود.

هنگام مقایسه انواع مختلف باتری ها در یک سری، معمولاً از ظرفیت خاصی برای ارزیابی استفاده می شود. به طور خاص، ظرفیت ویژه به مقدار برقی که یک باتری می تواند در واحد جرم یا حجم ارائه دهد، اشاره دارد، به عنوان مثال، ظرفیت ویژه جرم (Ah/kg) و ظرفیت ویژه حجمی (Ah/L). توجه به این نکته ضروری است که هنگام محاسبه جرم و حجم باتری، علاوه بر در نظر گرفتن مواد الکترود و الکترولیت، سایر اجزای باتری مانند پوشش، جداکننده و اجزای رسانای مربوطه نیز باید در نظر گرفته شوند. به خصوص برای باتری های ذخیره سازی و پیل های سوختی، جرم و حجم کل نیز شامل کلیه تجهیزات کمکی لازم مانند مخازن برای ذخیره مایعات، دستگاه های فعال سازی (برای باتری های ذخیره سازی)، یا سیستم های ذخیره و تامین مواد فعال، سیستم های کنترل، واحدهای گرمایشی و غیره (برای سلول های سوختی) می شود.

با معرفی مفهوم ظرفیت خاص، می توان عملکرد باتری ها را در انواع و اندازه های مختلف مقایسه کرد. ظرفیت باتری به ظرفیت نظری و ظرفیت واقعی تقسیم می شود. به همین ترتیب، ظرفیت خاص نیز جنبه نظری و بالفعل دارد.

انرژی و انرژی ویژه

انرژی باتری به کل انرژی الکتریکی خروجی باتری هنگام انجام کار در شرایط تخلیه خاص اشاره دارد که عموماً برحسب وات{0}}ساعت (W·h) بیان می شود. انرژی باتری نیز یک انرژی نظری و یک انرژی واقعی دارد.

با فرض اینکه باتری در هنگام تخلیه در حالت تعادل باقی بماند و ولتاژ تخلیه آن برابر با نیروی الکتروموتور آن ثابت باشد و همچنین با فرض شرکت تمام مواد فعال در واکنش شیمیایی، انرژی ارائه شده توسط باتری باید برابر با حداکثر انرژی تئوری Wo باشد.

انرژی نظری یک باتری حداکثر کار غیرحجمی انجام شده توسط باتری در شرایط دمای ثابت، فشار ثابت و تخلیه برگشت پذیر است.

انرژی واقعی (W) به انرژی ارائه شده توسط باتری در شرایط تخلیه مشخص اشاره دارد. به صورت عددی با ضرب ظرفیت واقعی در ولتاژ متوسط ​​عملیاتی به دست می آید. از آنجایی که مواد فعال داخل باتری را نمی توان به طور کامل مورد استفاده قرار داد و ولتاژ کاری آن معمولاً کمتر از نیروی محرکه الکتریکی نظری است، انرژی واقعی همیشه کمتر از انرژی تئوری است.

انرژی ویژه به انرژی آزاد شده توسط باتری در واحد جرم یا واحد حجم اشاره دارد. انرژی خروجی در واحد جرم باتری به عنوان انرژی ویژه جرم تعریف می شود که معمولاً بر حسب وات{1}}ساعت بر کیلوگرم (Wh/kg) اندازه گیری می شود. انرژی خروجی در واحد حجم باتری به عنوان انرژی ویژه حجمی تعریف می‌شود که معمولاً بر حسب وات{3}}ساعت در لیتر (Wh/L) بیان می‌شود. علاوه بر این، مفهوم انرژی ویژه را می توان به دو بخش نظری (W) و واقعی (W) تقسیم کرد، که در آن انرژی ویژه جرم نظری را می توان با استفاده از رابطه (1.9) محاسبه کرد:

در فرمول، K + معادل الکتروشیمیایی ماده الکترود مثبت است. K{1}} معادل الکتروشیمیایی ماده الکترود منفی است. و E نیروی الکتروموتور باتری است.

قدرت و قدرت خاص

توان باتری به انرژی خروجی یک باتری در واحد زمان در شرایط تخلیه خاص اشاره دارد و واحد اندازه گیری آن وات (W) یا کیلووات (کیلووات) است. وقتی این توان خروجی در رابطه با جرم یا حجم باتری در نظر گرفته شود، مفهوم توان ویژه به دست می آید. به طور خاص، توان ویژه جرم اندازه گیری می کند که یک واحد جرم باتری چند وات توان تولید می کند و واحد آن W/kg است. در حالی که توان ویژه حجمی توان تولید شده توسط یک واحد حجم باتری را منعکس می کند و واحد مربوطه آن W/L است.

توان و توان ویژه میزان دشارژ باتری را نشان می دهد. قدرت باتری بالاتر به این معنی است که باتری می تواند با جریان بالا یا نرخ های بالا تخلیه شود. به عنوان مثال، یک باتری روی-نقره‌ای می‌تواند به قدرت خاصی بیش از 100 وات بر کیلوگرم هنگام تخلیه با چگالی جریان متوسط ​​دست یابد، که نشان‌دهنده مقاومت داخلی کم و عملکرد دشارژ با سرعت بالا است. در مقابل، یک باتری سلول خشک روی{6}}منگنز تنها می‌تواند به توان مشخصی برابر با 10 وات بر کیلوگرم زمانی که با چگالی جریان پایین کار می‌کند، دست یابد، که نشان‌دهنده مقاومت داخلی بالا و عملکرد ضعیف تخلیه با سرعت بالا است. مانند انرژی باتری، قدرت نیز دارای قدرت تئوری و قدرت واقعی است.

قدرت تئوری یک باتری را می توان به صورت زیر بیان کرد:

در فرمول، t زمان است. Co ظرفیت نظری باتری است. و من جریان هستم.

قدرت واقعی باتری باید:

در فرمول، I²R نشان دهنده قدرت مصرف شده توسط مقاومت داخلی باتری است. این توان برای بار اعمال شده بی فایده است. در اصل به انرژی گرمایی تبدیل شده و به صورت گرما آزاد می شود.

چرخه عمر

برای باتری ها، عمر چرخه یا چرخه استفاده، یکی از شاخص های کلیدی برای ارزیابی عملکرد باتری است. هر چرخه تخلیه کامل{1}} یک دوره زمانی برای باتری در نظر گرفته می شود.

تحت شرایط شارژ{0}}خاص، تعداد چرخه‌هایی که یک باتری می‌تواند قبل از کاهش ظرفیت آن به مقدار مشخص مشخصی تحمل کند، به عنوان عمر چرخه یا چرخه استفاده تعریف می‌شود. هرچه عمر چرخه طولانی تر باشد، عملکرد چرخه باتری بهتر است. انواع مختلف باتری ها عمر چرخه متفاوتی را نشان می دهند. برای مثال، باتری‌های نیکل{3}}کادمیم می‌توانند هزاران چرخه را انجام دهند، در حالی که باتری‌های روی-نقره چرخه‌های نسبتاً کمتری دارند، برخی حتی کمتر از صد. شایان ذکر است که حتی باتری های هم نوع به دلیل تفاوت در ساختار داخلی خود می توانند چرخه عمر متفاوتی داشته باشند.

عمر چرخه باتری تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می گیرد. علاوه بر استفاده و نگهداری مناسب، جنبه‌های کلیدی زیر نیز اعمال می‌شود: ① در طول چرخه‌های تخلیه{1}، سطح ماده فعال به تدریج کاهش می‌یابد که منجر به افزایش چگالی جریان عملیاتی و تشدید پلاریزاسیون می‌شود. ② اجزای فعال روی الکترودها ممکن است جدا شوند یا منتقل شوند. ③ در حین کار باتری، برخی از مواد الکترود ممکن است خورده شوند. ④ دندریت های تشکیل شده روی الکترودها در حین دوچرخه سواری ممکن است باعث اتصال کوتاه در داخل باتری شوند. ⑤ جداکننده ممکن است آسیب دیده باشد. ⑥ مورفولوژی کریستالی ماده فعال در طول چرخه‌های تخلیه مکرر{2}}شارژ تغییر می‌کند و در نتیجه فعالیت آن کاهش می‌یابد.

عملکرد ذخیره سازی

عملکرد ذخیره سازی باتری به درجه اتلاف انرژی طبیعی در باتری زمانی که در وضعیت مدار باز تحت شرایط محیطی خاص (مانند دما و رطوبت) قرار دارد، اشاره دارد. این پدیده به عنوان تخلیه خود{2}} نیز شناخته می شود. اگر نسبت اتلاف انرژی در حین ذخیره سازی کم باشد، نشان می دهد که باتری عملکرد ذخیره سازی عالی دارد.

هنگامی که باتری در حالت مدار باز است، اگرچه انرژی الکتریکی را به بیرون تامین نمی‌کند، اما همچنان تحت یک فرآیند تخلیه خود- قرار می‌گیرد. این پدیده عمدتاً به دلیل ناپایداری ترمودینامیکی الکترودها در محیط الکترولیت است که منجر به واکنش های ردوکس خود به خود بین الکترودها می شود. حتی در شرایط خشک، اگر مهر و موم به اندازه کافی سفت نباشد، نفوذ عوامل خارجی مانند هوا یا رطوبت همچنان می‌تواند یک اثر تخلیه خود{4} در داخل باتری ایجاد کند.

میزان تخلیه خود{0}}همچنین می‌تواند به‌عنوان تعداد روزهایی که طول می‌کشد تا ظرفیت باتری در زمان ذخیره‌سازی به مقدار مشخصی کاهش یابد، که به عنوان ماندگاری شناخته می‌شود، بیان شود. ماندگاری خشک و ماندگاری مرطوب وجود دارد. به عنوان مثال، یک باتری ذخیره سازی، بدون افزودن الکترولیت قبل از استفاده، می تواند برای مدت طولانی ذخیره شود. چنین باتری می تواند ماندگاری خشک طولانی داشته باشد. ذخیره سازی با الکترولیت ذخیره مرطوب نامیده می شود. ذخیره‌سازی مرطوب منجر به اثر تخلیه خود{4} قوی‌تر و ماندگاری مرطوب نسبتاً کوتاه‌تر می‌شود. به عنوان مثال، یک باتری روی{6}}نقره‌ای می‌تواند 5 تا 8 سال ماندگاری خشک داشته باشد، در حالی که عمر مفید آن در حالت مرطوب معمولاً تنها چند ماه است.