Unha das características de rendemento máis importantes debaterías de almacenamento de enerxíaé o seu rendemento de descarga. Para caracterizar o comportamento de descarga da batería en diferentes condicións, é necesario medir a curva de descarga da batería, que adoita ser unha curva que mostra o cambio da tensión de descarga ao longo do tempo. As diferentes condicións de descarga caracterízanse por estratexias de descarga e as diferentes estratexias de descarga darán lugar a diferentes curvas de descarga. As estratexias de descarga normalmente inclúen o método de descarga, a corrente de descarga, a tensión de terminación e a temperatura ambiente.
Método de descarga
Hai tres formas en que unha batería pode descargarse: descarga de corrente constante, descarga de resistencia constante e descarga de enerxía constante. As curvas de descarga típicas móstranse na Figura 1-5, que ilustra os cambios na corrente de descarga, a tensión e a potencia durante o tempo de descarga baixo estes tres modos de descarga.
Durante a descarga de-resistencia constante, a tensión de funcionamento e a corrente de descarga da batería diminúen gradualmente co paso do tempo. Do mesmo xeito, baixo unha descarga de corrente constante-, a tensión de funcionamento tamén diminúe a medida que continúa o proceso de descarga. Esta diminución da tensión de funcionamento cun tempo de descarga prolongado débese ao aumento da resistencia interna da batería. Ademais, co uso cada vez maior da enerxía da batería en ferramentas eléctricas, vehículos eléctricos e outras aplicacións, a descarga de enerxía constante-se está facendo máis frecuente. Durante a descarga de enerxía constante-, a tensión da batería diminúe continuamente mentres que a corrente de descarga aumenta continuamente a medida que avanza a descarga.
Corrente de descarga
Durante o funcionamento da batería, a corrente que emite chámase corrente de descarga. A corrente de descarga tamén se coñece comúnmente como taxa de descarga, e adoita expresarse usando a taxa horaria (tamén coñecida como taxa por hora) e o multiplicador.
A taxa de descarga refírese á velocidade á que se descarga unha batería, medida no tempo de descarga. En concreto, é o tempo necesario para liberar completamente a capacidade da batería mediante unha corrente de descarga específica, expresada normalmente en horas (h). Por exemplo, para unha batería cunha capacidade nominal de 10 amperios-horas (A·h), se se descarga cunha corrente de 2A, a taxa de descarga correspondente é de 5 horas (10A·h/2A=5h), o que significa que a batería se está descargando a un ritmo de 5 horas.
A taxa de descarga refírese ao valor actual, expresado como un múltiplo da capacidade nominal da batería, cando a capacidade total da batería se libera completamente nun tempo específico. Por exemplo, a descarga de 2C significa que a corrente de descarga é o dobre da capacidade nominal da batería, normalmente representada por 2C (onde C representa a capacidade nominal da batería). Para unha batería cunha capacidade nominal de 10A·h, a descarga de 2C (aquí hai un problema dimensional, é dicir, as unidades de capacidade e corrente non son iguais, pero este é un uso común, polo que non se cambiará) significa que a corrente de descarga é de 2 x 10=20 (A), correspondente a unha taxa de descarga de 0,5 h. Os distintos tipos e deseños de baterías teñen unha adaptabilidade diferente ás condicións de descarga: algunhas son máis adecuadas para descargas de baixa-intensidade, mentres que outras funcionan mellor con correntes altas. Xeralmente, as taxas de descarga inferiores ou iguais a 0,5C chámanse taxas baixas; os que están entre 0,5C e 3,5C chámanse taxas medias; os que están entre 3,5C e 7C chámanse taxas altas; e as que superan os 7 ºC denomínanse taxas ultra-altas.
Tensión de terminación
Durante a descarga da batería, o valor de tensión inicial defínese como a tensión de funcionamento inicial; cando a tensión cae ata un limiar onde xa non é adecuada unha descarga adicional, este punto de tensión chámase tensión de terminación. O valor específico desta tensión de terminación adoita establecer o probador en función dos requisitos reais da proba e da experiencia pasada.
A tensión de terminación definida varía dependendo das diferentes condicións de descarga e do seu impacto na capacidade e vida útil da batería. As tensións de terminación máis baixas adoitan utilizarse en ambientes de baixa-temperatura ou en condicións de alta-descarga de corrente, mentres que as tensións de terminación máis altas adoitan establecerse en condicións de baixa-descarga de corrente. Isto débese a que a polarización entre os electrodos da batería aumenta significativamente durante a descarga de corrente a baixa-temperatura ou alta-, o que provoca unha utilización incompleta dos materiais activos e unha caída de tensión máis rápida. Polo tanto, baixar adecuadamente a tensión de terminación axuda a liberar máis enerxía. Pola contra, cando se utiliza unha descarga de corrente baixa-, os compoñentes activos da batería úsanse máis plenamente. Neste caso, aumentar a tensión de terminación para limitar a descarga profunda pode prolongar efectivamente a vida útil da batería.
Temperatura ambiente
Como se mostra na Figura 1-6, a temperatura ambiente ten un impacto significativo na curva de descarga. A temperaturas máis altas, a curva de descarga presenta unha tendencia relativamente suave; porén, a medida que diminúe a temperatura, este cambio faise cada vez máis drástico. A razón fundamental é que a baixas temperaturas, a taxa de migración dos ións diminúe, o que leva a un aumento da resistencia interna óhmica. En casos extremos, se a temperatura é demasiado baixa, o electrólito pode conxelarse, dificultando así o proceso normal de descarga da batería. Ademais, a temperaturas máis baixas, a polarización electroquímica e a polarización da concentración realízanse de forma correspondente, acelerando aínda máis a taxa de desintegración da curva de descarga.
Figura 1-6 Curvas de descarga das baterías de chumbo-ácido a diferentes temperaturas ambiente
Capacidade e capacidade específica
A capacidade da batería refírese á cantidade de electricidade que se pode obter dunha batería en determinadas condicións de descarga. A unidade adoita expresarse como ampere-hora (Ah). Dependendo da situación real, a capacidade da batería pódese dividir en capacidade teórica, capacidade real e capacidade nominal.
A capacidade teórica (Co) refírese á cantidade de electricidade que se pode proporcionar en condicións ideais cando o material activo participa plenamente na reacción electroquímica da batería. Este valor calcúlase en función da masa do material activo, seguindo a lei de Faraday. A lei de Faraday establece que existe unha relación de proporcionalidade directa entre a masa do material que participa na reacción no electrodo e a cantidade de carga que transfire; cando 1 mol de material activo participa no proceso electroquímico da batería, pode liberar unha carga equivalente a 26,8 A·h ou 1 faradio (F). Polo tanto, existe a seguinte fórmula de cálculo:
Na fórmula, m é a masa da substancia activa cando reacciona completamente; n é o número de electróns gañados ou perdidos durante a reacción de fluxo; e M é a masa molar da substancia activa.
Na fórmula, K chámase equivalente electroquímico da substancia activa.
Como se mostra na ecuación (1.5), a capacidade teórica dun electrodo está relacionada coa masa do material activo e o equivalente electroquímico. Coa mesma masa de material activo, canto menor sexa o equivalente electroquímico, maior será a capacidade teórica. Os equivalentes electroquímicos dalgúns materiais dos electrodos móstranse na Táboa 1-3.
Táboa 1-3 Equivalentes electroquímicos dalgúns materiais de electrodos
| Material do electrodo negativo | Densidade (g/cm³) | Capacidade específica (mA·h/g) | Material do electrodo positivo | Densidade (g/cm³) | Capacidade específica (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 |
Ademais, adoitan empregarse os conceptos de capacidade real e capacidade nominal. A capacidade real refírese á cantidade total de electricidade que pode proporcionar unha batería en condicións de descarga específicas. A capacidade real está limitada non só polo valor máximo teórico senón tamén polas condicións específicas de descarga.
A capacidade nominal, por outra banda, é un conxunto estándar para a batería durante o proceso de deseño e fabricación; é dicir, a capacidade de saída mínima que debería acadar a batería nas condicións de descarga especificadas, tamén coñecida como capacidade nominal.
Cando se comparan diferentes tipos de baterías dentro da mesma serie, normalmente utilízase capacidade específica para a avaliación. En concreto, a capacidade específica refírese á cantidade de electricidade que pode proporcionar unha batería por unidade de masa ou volume, é dicir, capacidade específica de masa (Ah/kg) e capacidade específica volumétrica (Ah/L). É importante ter en conta que ao calcular a masa e o volume dunha batería, ademais de considerar os materiais dos electrodos e o electrólito, tamén se deben ter en conta outros compoñentes da batería, como a carcasa, o separador e os compoñentes condutores relacionados. Especialmente para baterías de almacenamento e pilas de combustible, a masa e o volume total inclúen tamén todos os equipamentos auxiliares necesarios, como depósitos para almacenar líquidos, dispositivos de activación (para baterías de almacenamento), ou sistemas de almacenamento e subministración de material activo, sistemas de control, unidades de calefacción, etc. (para pilas de combustible).
Ao introducir o concepto de capacidade específica, podemos comparar o rendemento de baterías de diferentes tipos e tamaños. A capacidade da batería divídese en capacidade teórica e capacidade real; en consecuencia, a capacidade específica tamén ten aspectos teóricos e reais.
Enerxía e enerxía específica
A enerxía da batería refírese á enerxía eléctrica total producida pola batería cando se realiza un traballo en condicións específicas de descarga, expresada xeralmente en vatios-hora (W·h). A enerxía da batería tamén ten unha enerxía teórica e outra real.
Asumindo que a batería permanece en equilibrio durante a descarga e a súa tensión de descarga é constante igual á súa forza electromotriz, e tamén supoñendo que todos os materiais activos participan na reacción química, entón a enerxía proporcionada pola batería debería ser igual á súa enerxía máxima teórica Wo.
A enerxía teórica dunha batería é o traballo máximo sen-volume que realiza a batería en condicións de temperatura constante, presión constante e descarga reversible.
A enerxía real (W) refírese á enerxía que realmente proporciona unha batería en determinadas condicións de descarga. Derívase numericamente multiplicando a capacidade real pola tensión media de funcionamento. Debido a que os materiais activos dentro da batería non se poden utilizar completamente e a súa tensión de funcionamento adoita ser inferior á forza electromotriz teórica, a enerxía real sempre é menor que a enerxía teórica.
A enerxía específica refírese á enerxía liberada por unha batería por unidade de masa ou de volume. A produción de enerxía por unidade de masa da batería defínese como enerxía específica de masa, normalmente medida en vatio-hora por quilo (Wh/kg). A saída de enerxía por unidade de volume da batería defínese como enerxía específica volumétrica, normalmente expresada en vatios-horas por litro (Wh/L). Ademais, o concepto de enerxía específica pódese subdividir en teórica (W) e real (W), onde a enerxía específica de masa teórica pódese calcular mediante a ecuación (1.9):
Na fórmula, K+ é o equivalente electroquímico do material do electrodo positivo; K- é o equivalente electroquímico do material do electrodo negativo; e E é a forza electromotriz da batería.
Potencia e potencia específica
A potencia da batería refírese á produción de enerxía dunha batería por unidade de tempo en condicións de descarga específicas, e a súa unidade de medida é vatio (W) ou quilovatio (kW). Cando se considera esta potencia de saída en relación coa masa ou volume da batería, obtense o concepto de potencia específica. En concreto, a potencia específica de masa mide cantos vatios de potencia pode proporcionar unha unidade de masa de batería, e a súa unidade é W/kg; mentres que a potencia específica volumétrica reflicte a potencia xerada por unha unidade de volume de batería, e a súa unidade correspondente é W/L.
A potencia e a potencia específica indican a taxa de descarga dunha batería. Unha maior potencia da batería significa que a batería pode descargarse a altas taxas de corrente ou altas. Por exemplo, unha batería de cinc-prata pode alcanzar unha potencia específica superior a 100 W/kg cando se descarga cunha densidade de corrente media, o que indica unha baixa resistencia interna e un bo rendemento de descarga-alta. Pola contra, unha batería de pilas secas de zinc-manganeso só pode alcanzar unha potencia específica de 10 W/kg cando funciona cunha densidade de corrente baixa, o que indica unha alta resistencia interna e un rendemento de descarga de alta-cadencia deficiente. Similar á enerxía da batería, a enerxía tamén ten potencia teórica e potencia real.
A potencia teórica dunha batería pódese expresar como:
Na fórmula, t é o tempo; Co é a capacidade teórica da batería; e eu son a corrente.
A potencia real da batería debe ser:
Na fórmula, I2R representa a potencia consumida pola resistencia interna da batería. Esta potencia é inútil para a carga aplicada; convértese esencialmente en enerxía térmica e liberase como calor.
Ciclo de vida
Para as baterías, a vida útil ou o ciclo de uso é un dos indicadores clave para avaliar o rendemento da batería. Cada ciclo completo de carga-descarga considérase un período de tempo para unha batería.
En condicións específicas de carga-descarga, o número de ciclos que pode soportar unha batería antes de que a súa capacidade caia ata un determinado valor especificado defínese como o seu ciclo de vida ou ciclo de uso. Canto máis longo sexa o ciclo de vida, mellor será o rendemento do ciclo da batería. Os diferentes tipos de baterías presentan diferentes ciclos de vida; por exemplo, as baterías de níquel-cadmio poden realizar miles de ciclos, mentres que as baterías de cinc-prata teñen relativamente menos ciclos, algúns incluso menos de cen. Cabe sinalar que incluso baterías do mesmo tipo poden ter diferentes ciclos de vida debido ás diferenzas na súa estrutura interna.
O ciclo de vida dunha batería está afectado por unha variedade de factores. Ademais do uso e mantemento adecuados, tamén se aplican os seguintes aspectos clave: ① Durante os ciclos de carga-descarga, a superficie do material activo diminúe gradualmente, o que provoca un aumento da densidade de corrente de funcionamento e unha polarización intensificada; ② Os compoñentes activos dos electrodos poden desprenderse ou transferirse; ③ Durante o funcionamento da batería, algúns materiais dos electrodos poden estar corroídos; ④ As dendritas formadas nos electrodos durante o ciclo poden causar curtocircuítos no interior da batería; ⑤ O separador pode estar danado; ⑥ A morfoloxía cristalina do material activo cambia durante os ciclos repetidos de carga-descarga, reducindo así a súa actividade.
Rendemento de almacenamento
O rendemento de almacenamento da batería refírese ao grao de perda de enerxía natural dentro da batería cando está nun estado de circuíto aberto-en condicións ambientais específicas (como temperatura e humidade). Este fenómeno tamén se coñece como auto-descarga. Se a proporción de perda de enerxía durante o almacenamento é pequena, indica que a batería ten un excelente rendemento de almacenamento.
Cando unha batería está nun estado de-circuíto aberto, aínda que non está a subministrar enerxía eléctrica ao exterior, aínda está sometida a un proceso de auto-descarga. Este fenómeno débese principalmente á inestabilidade termodinámica dos electrodos no ambiente electrolítico, que provoca reaccións redox espontáneas entre os electrodos. Mesmo en condicións secas, se o selo non é o suficientemente estanco, a infiltración de factores externos, como o aire ou a humidade, aínda pode provocar un efecto de auto-descarga dentro da batería.
A taxa de-descarga automática tamén se pode expresar como o número de días que tarda a capacidade da batería en diminuír ata un valor especificado cando se almacena, coñecido como vida útil. Hai vida útil en seco e en húmido. Por exemplo, unha batería de almacenamento, sen engadir electrólitos antes do seu uso, pódese almacenar durante moito tempo; unha batería deste tipo pode ter unha longa vida útil en seco. O almacenamento con electrólitos chámase almacenamento húmido; O almacenamento húmido produce un efecto de auto-descarga máis forte e unha vida útil relativamente máis curta. Por exemplo, unha batería de cinc-prata pode ter unha vida útil en seco de 5 a 8 anos, mentres que a súa vida útil en húmido adoita ser só duns meses.