شاخص های عملکرد و اصطلاحات مربوط به باتری های ذخیره انرژی

نیروی الکتروموتور

◆عملکرد تخلیه باتری های ذخیره انرژی

هنگامی که مدار خارجی باز است، به این معنی که هیچ جریانی از باتری عبور نمی کند، اختلاف پتانسیل بین الکترودهای مثبت و منفی به عنوان نیروی الکتروموتور باتری (EMF) تعریف می شود که معمولاً با نماد E نشان داده می شود. مقدار EMF یکی از شاخص هایی است که میزان انرژی الکتریکی را منعکس می کند.سیستم باتریمی تواند خروجی دهد. با توجه به اصول ترمودینامیکی، ما ...

در فرمول، AG نشان دهنده تغییر در انرژی آزاد گیبس است. n نشان دهنده عدد انتقال الکترون است. E نشان دهنده نیروی الکتروموتور سلول است. و F نشان دهنده ثابت فارادی است.

معادله (1.2) نشان می دهد که بزرگی نیروی محرکه الکتریکی باتری عمدتاً به خواص ذاتی مواد درگیر در واکنش شیمیایی، شرایط واکنش (مانند دما) در حین کار باتری و فعالیت واکنش دهنده ها و محصولات بستگی دارد و تحت تأثیر هندسه یا اندازه باتری قرار نمی گیرد.

ولتاژ مدار باز

ولتاژ مدار باز-باتری به اختلاف پتانسیل بین پایانه های مثبت و منفی هنگامی که مدار خارجی از باتری جدا می شود، اشاره دارد. توجه به این نکته مهم است که چون پایانه های مثبت و منفی ممکن است به تعادل ترمودینامیکی در محلول الکترولیت نرسیده باشند، ولتاژ مدار باز معمولاً کمی کمتر از نیروی الکتروموتور آن (EMF) است. EMF یک مقدار نظری است که بر اساس فرمول‌های ترمودینامیکی محاسبه می‌شود، در حالی که ولتاژ مدار باز یک مقدار واقعی است که از طریق اندازه‌گیری آزمایشی مستقیم به دست می‌آید. این دو از نظر ارزش بسیار نزدیک هستند. برای تعیین دقیق ولتاژ مدار باز{6}، هیچ جریانی نباید در طول فرآیند اندازه گیری از ابزار اندازه گیری عبور کند. معمولاً برای این آزمایش از یک ولت متر با مقاومت بالا- استفاده می شود.

علاوه بر این، مفهوم ولتاژ نامی نیز در تحقیقات تولید استفاده می شود. ولتاژ نامی تقریبی مناسب از ولتاژ باتری است که به عنوان ولتاژ نامی نیز شناخته می شود و برای شناسایی نوع باتری استفاده می شود. برای مثال، ولتاژ مدار باز-یک باتری سرب-اسیدی نزدیک به 2.1 ولت است و ولتاژ نامی آن روی 2.0 ولت تنظیم شده است. ولتاژ اسمی یک باتری روی-منگنز 1.5 ولت است. و ولتاژ اسمی یک باتری کادمیوم-نیکل و یک باتری نیکل-هیدرید فلز 1.2 ولت است.

مقاومت داخلی

مقاومت داخلی باتری که معمولاً به عنوان مقاومت داخلی (R_داخلی) به مقاومتی اشاره دارد که هنگام عبور جریان از باتری با آن مواجه می شود. این مقاومت داخلی عمدتاً از دو بخش تشکیل شده است: یکی مقاومت داخلی اهمی ناشی از خواص خود ماده است. دیگری مقاومت داخلی پلاریزاسیون اضافی است که توسط پدیده پلاریزاسیون روی سطح الکترود در طی واکنش الکتروشیمیایی ایجاد می شود.

مقاومت اهمی (R₀) تحت تأثیر ویژگی های الکترولیت، خواص غشا و مواد الکترود قرار می گیرد. مقاومت اهمی محلول الکترولیت ارتباط نزدیکی با ترکیب خاص، سطح غلظت و دمای محیط دارد. به طور کلی، غلظت الکترولیت برای باتری ها در محدوده بالاترین رسانایی انتخاب می شود. مقاومت ناشی از ریز منافذ غشا در برابر مهاجرت یون های الکترولیت را مقاومت غشایی می نامند، یعنی مقاومتی که یون ها هنگام عبور از ریز منافذ غشا با آن مواجه می شوند. مقاومت اهمی غشا به عواملی مانند نوع الکترولیت، جنس غشا، تخلخل و میزان پیچ خوردگی منافذ مربوط می شود. مقاومت فاز جامد روی الکترودها شامل مقاومت خود ذرات ماده فعال، مقاومت تماس بین ذرات، مقاومت تماس بین ماده فعال و چارچوب رسانا، و مجموع مقاومت‌های چارچوب رسانا، شینه‌های رسانا و پایانه‌ها است. در طول تخلیه، ترکیب و مورفولوژی ماده فعال ممکن است تغییر کند و در نتیجه تغییرات قابل توجهی در مقاومت ایجاد شود. برای کاهش{10}مقاومت فاز جامد، اجزای رسانا، مانند گرافیت استیلن سیاه{11}، اغلب به ماده فعال اضافه می‌شود تا رسانایی آن افزایش یابد. مقاومت داخلی اهمی باتری نیز به عواملی مانند اندازه، مجموعه و ساختار آن مرتبط است. هر چه مجموعه فشرده تر و فاصله الکترود کمتر باشد، مقاومت داخلی اهمی کمتر می شود.

مقاومت قطبش (R) به مقاومت داخلی تولید شده در منبع انرژی شیمیایی به دلیل قطبش در طی واکنش های الکتروشیمیایی در الکترودهای مثبت و منفی اشاره دارد. مقاومت پلاریزاسیون شامل مجموع مقاومت های ناشی از پلاریزاسیون الکتروشیمیایی و قطبش غلظت می باشد. بزرگی آن تحت تأثیر خواص مواد فعال، ساختار الکترود و فرآیند ساخت باتری است و به ویژه با وضعیت عملکرد باتری مرتبط است. بنابراین، مقاومت پلاریزاسیون متناسب با تغییرات در حالت تخلیه و زمان تخلیه تغییر می کند.

ولتاژ کاری

ولتاژ کاری یک باتری که به عنوان ولتاژ بار یا ولتاژ تخلیه نیز شناخته می شود، به اختلاف پتانسیل بین پایانه های مثبت و منفی باتری در هنگام عبور جریان از مدار خارجی اشاره دارد. هنگامی که جریان از باتری عبور می کند، به منظور غلبه بر مقاومت ناشی از مقاومت قطبی و مقاومت اهمی، مقدار ولتاژ عملیاتی اندازه گیری شده واقعی همیشه کمتر از ولتاژ مدار باز-در شرایط بدون بار-است.

همانطور که از رابطه (1.3) مشاهده می شود، هر چه مقاومت داخلی باتری بیشتر باشد، ولتاژ کاری باتری کمتر و انرژی خروجی واقعی کمتر می شود. بدیهی است که مقاومت داخلی باتری باید تا حد امکان کوچک باشد.