Una di carateristich de prestaziun püsee impurtant debaterie per l'immagazzinament de l'energial’è la sò prestaziun de scarico. Per caraterizar el cumpurtament de scarica de la bateria en cundiziun diferent, l’è necesari mesurà la cürva de scarica de la bateria, che de solet l’è una cürva che mustra el cambiament de la tensiun de scarica in del temp. Diferent cundiziun de scarico sun caratterizà di strategi de scarico e diferenti strategì de scarico purteran a diferenti cürvi de scarico. I strategì de scarica de solet g’han denter el metud de scarica, la curent de scarica, la tensiun de terminaziun e la temperadüra ambient.
Metud de scarica
G’he sun tri modi induè una bateria pœu scaricar: scarica de curent custant, scarica de resistenza custant e scarica de putenza custant. I cürvi tipich de scarica sun mustrà in de la figura 1-5, che mustra i cambiament in de la curent de scarica, in de la tensiun e in de la putenza sül temp de scarica en chesti tri modalità de scarica.
Durant la scarica a resistenza custant-, la tensiun de funziunament e la curent de scarica de la bateria diminuiscon gradualment in del temp. Inscì, sotta una scarica de curent custant-, anca la tensiun de funziunament disminuiss cun la continuaziun del prucess de scarica. Chesta diminuziun de la tensiun de funziunament cun temp de scarica luungh l’è dovüda a l’aument de la resistenza interna de la bateria. Inolter, cun l’üs semper püsee grand del putenza de la bateria en strüment eletrich, veicul eletrich e olter aplicaziun, la scarica custant de putenza l’è drée a diventar püsee prevalent. Durant la scarica custant de putenza, la tensiun de la bateria disminuiss en mod continuo menter la curent de scarica aumenta en mod continuo cunt el prugress de la scarica.
Corrent de scarica
Durant el funziunament de la bateria, la curent che produss l’è ciamada curent de scarica. La curent de scarica l’è anca comunement indicada cuma tass de scarica e l’è despess espress duperand el tass orari (cognusuu anca cuma tass orari) e el multiplicatur.
El tass de scarica se riferiss a la velocità cun la qual una bateria se scarica, mesurà en temp de scarica. En particular, l’è el temp necesari per liberà cumpletament la capacità de la bateria duperand una specifich curent de scarica, de solet espress en ur (h). Par esempi, per una bateria cunt una capacità nominal de 10 amp{3}}ur (A·h), se l’è scaricada cunt una curent de 2A, el tass de scarica curispundent l’è de 5 ur (10A·h/2A=5h), che vœur dì che la bateria se scarica a una velocità de 5 ur.
El tass de scarica se riferiss al valur atual, espress cuma multiplo de la capacità nominal de la bateria, quand la capacità cumpleta de la bateria l’è liberada cumpletament en un temp specifich. Par esempi, la scarica de 2C significa che la curent de scarica l’è el dü volt de la capacità nominal de la bateria, de solet rapresentà de 2C (induè C rapresenta la capacità nominal de la bateria). Per una bateria cunt una capacità nominal de 10A·h, una scarica de 2C (g’he un prublema dimensiunal chichinsci, cioè i unità de capacità e de curent sun minga istess, ma chestu l’è un üs comun, donca la sarà minga cambiada) significa che la curent de scarica l’è 2 x 10=20 (A), curispundent a una scarica ra. Diferent tip e pruget de bateri g’han una adatabilità diferent ai cundiziun de scarica: quaivun sun püsee adatt a la scarica de bas curent, menter olter funzionan meji a volt curent. En general, i tass de scarica inferiur o istess a 0,5C sun ciamà tass bas; quei intra 0,5C e 3,5C sun ciamà tass medi; quei intra 3,5C e 7C sun ciamà tass volt; e quei che superan 7C sun ciamà tass ultra-volt.
Tensiun de terminaziun
Durant la scarica de la bateria, el valur de la tensiun inizial l’è definì cuma la tensiun de funziunament de partenza; quand che la tensiun cala a un limit indué l’è minga adatta un’oltra scarica, chestu punt de tensiun l’è ciamà tensiun de terminaziun. El valur specifich de chesta tensiun de terminaziun l’è de solet fissà del tester sü la bas di requisit de test real e del esperienza pasada.
La tensiun de terminaziun impostada varia a segond di diferent cundiziun de scarica e luur impatt sü la capacità e sü la durada de la bateria. I tensiun de terminaziun püsee bas sun de solet duperà en ambient a basa temperadüra o en cundiziun de scarica de curent volta, menter i tensiun de terminaziun püsee volt sun de solet fissà en cundiziun de scarica de curent bas. Chestu perché la polarizaziun intra i eletrodi de la bateria aumenta significativament durant la bas temperadüra o la scarica de curent volta, cunt el resultà de un üs incumplet di materiai atif e de una calada de tensiun püsee rapida. Donca, sbassà en mod aproprià la tensiun de terminaziun vœuta a liberà püsee energia. Al cuntrari, quant se dupera una bassa scarica de current, i compunent atif de la bateria sun duperà püsee cumpletament. En chestu cas, aumentar la tensiun de terminaziun per limitar la scarica prufunda pœu slungà la durada cumplesiva de la bateria.
Temperadura ambiental
Cuma mustrà in de la figüra 1-6, la temperadüra ambient g’ha un impatt significatif sü la cürva de scarica. A temperadür püsee volt, la cürva de scarica mustra una tendenza relativament gentil; però, cun la diminuziun de la temperadüra, chestu cambiament diventa semper püsee drastegh. La rexon fondamental l’è qe a basse temperadure, el tass de migrazion dei ion al disminuiss, cond un aument de la resistenza interna ohmega. In di cas estrem, se la temperadüra l’è trop basa, l’eletrolit pœu cungelar, ostaculand inscì el nurmal prucess de scarica de la bateria. Inolter, a temperadür püsee bas, la polarizaziun eletrochimich e la polarizaziun de cuncentraziun sun aumentà en mod curispundent, acelerand ancamò el tass de decadiment de la cürva de scarica.
Figura 1-6 Curvi de scarica di bateri a plomb a diferenti temperadür ambient
Capacità e capacità specifich
La capacità de la bateria se riferiss a la quantità de eletricità che pœu vèss ottenüda de una bateria en di cundiziun de scarica. L’unità l’è de solet espress cuma ampere-ora (Ah). A segond de la situaziun real, la capacità de la bateria pœu vèss divisa ancamò en capacità teorich, capacità real e capacità nominal.
La capacità teorica (Co) se riferiss a la quantità de eletricità che pœu vèss furnida en cundiziun ideal quand el material atif partecipa cumpletament a la reaziun eletrochimich de la bateria. Chestu valur l’è calculà sü la bas de la massa del material atif, segond la legg de Faraday. La legg de Faraday dis che g’he una relaziun propurziunal diretta intra la massa del material che partecipa a la reaziun al eletrodo e la quantità de carga che trasferiss; quand 1 mol de material atif partecipa al prucess eletrochimich de la bateria, pœu liberà una carica istess a 26,8 A·h o 1 farad (F). Donc, esist la seguent furmula de calcul:
In de la furmula, m l’è la masa de la sustanza ativa quant che reagis cumpletament; n l’è el numer de eletrun guadagnà o perdü durant la reaziun de fluss; e M l’è la massa molar de la sostanza ativa.
In de la furmula, K l’è ciamà equivalent eletrochimich de la sustanza ativa.
Cuma mustrà in del equaziun (1.5), la capacità teorica de un eletrodo l’è ligada a la masa del material atif e al equivalent eletrochimich. Cun l’istess masa de material atif, püsee piscinin l’equivalent eletrochimich, püsee grand l’è la capacità teorich. I equivalent eletrochimich di quai materiai eletrodi sun mustrà in de la Tabela 1-3.
Tabela 1-3 Equivalent eletrochimich di quai materiai eletrodich
| Materiai del eletrodo negatif | Densità (g/cm3) | Capacità specifica (mA·h/g) | Materiai del eletrodo pusitif | 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 | Indree | 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 |
Ancamò, sun despess duperà i cuncett de capacità real e de capacità nominal. La capacità real se riferiss a la quantità total de eletricità che una bateria pœu furnir en di cundiziun de scarica specifich. La capacità real l’è limitada minga sultant del valur massim teorich ma anca di cundiziun specifich de scarica.
La capacità nominala, d’oltra part, l’è un insema standard per la bateria durant el prucess de prugetaziun e produziun; cioè la capacità minima de uscita che la bateria duvaria rivà en di cundiziun de scarica specifich, famusa anca cuma capacità nominal.
Quant se cunfruntan diferent tip de bateri denter de la stess seri, una capacità specifica l’è duperada de solet per la valutaziun. En particular, la capacità specifich se riferiss a la quantità de eletricità che una bateria pœu furnir per unità de masa o volum, cioè capacità specifich de masa (Ah/kg) e capacità specifich volumetrich (Ah/L). L’è impurtant de nutar che quant se calculan la masa e el volum de una bateria, olter a cunsiderar i materiai del eletrodo e l’eletrolito, g’han de vèss cunsiderà anca olter compunent de la bateria, cuma l’involucro, el separatur e i compunent condutif culegà. En particular per i bateri de cunservaziun e i cellul a carburant, la massa e el volum total cumprenden anca tüt i apparecchiatur ausiliari necesari, cuma serbatoi per cunservà i liquid, dispusitif de attivaziun (per i bateri de cunservaziun), o sistèm de cunservaziun e furniment de materiai atif, sistèm de cuntrol, unità de riscaldament, ecc. (per i cellul a carburant).
Introdusend el cuncett de capacità specifich, podemo cunfruntar la prestaziun di bateri de diferent tip e dimensiun. La capacità de la bateria l’è divisa en capacità teorich e en capacità real; en mod curispundent, la capacità specifich g’ha anca di aspett teoretich e real.
Energia e energia specifica
L’energia de la bateria se riferiss a l’energia eletrich total de la bateria quand se fà di lavurà en cundiziun de scarica specifich, de solet espress en watt{0}}ur (W·h). L’energia de la bateria la g’ha anca un’energia teorica e un’energia real.
Pensand che la bateria la resta en equilibri durant la scarica e la sò tensiun de scarica l’è custant istess a la sò forza eletromotiva, e anca pensand che tüt i materiai atif partecipan a la reaziun chimich, alura l’energia furnida de la bateria duvaria vèss istess a la sò energia massima teorica Wo.
L’energia teorica de una bateria l’è el lavurà massim minga de volum fatt de la bateria en cundiziun de temperadüra custant, presiun custant e scarica riversibil.
L’energia real (W) se riferiss a l’energia realmente furnida de una bateria en di cundiziun de scarica. L’è derivà numericament multiplicand la capacità real per la tensiun de funziunament media. Cuma i materiai atif denter de la bateria pœden no vèss duperà cumpletament e la sò tensiun de funziunament l’è de solet püsee basa de la forza eletromotiva teorica, l’energia real l’è semper minur de l’energia teorica.
L’energia specifica se riferiss a l’energia liberada de una bateria per unità de masa o unità de volum. L’energia de produziun per unità de massa de la bateria l’è definida cuma energia specifich de masa, de solet mesürada en watt{1}}ur per chilogramm (Wh/kg). L’energia de uscita per unità de volum de la bateria l’è definida cuma energia specifich volumetrich, de solet espress en watt{3}}ur per liter (Wh/L). Inolter, el cuncett de energia specifich pœu vèss dividü ancamò en teoria (W) e en real (W), induè l’energia specifica de masa teorica pœu vèss calculada duperand l’equaziun (1.9):
In de la furmula, K+ l’è l’equivalent eletrochimich del material del eletrodo pusitif; K- l’è l’equivalent eletrochimich del material del eletrodo negatif; e E l’è la forza eletromotiva de la bateria.
Potenza e potenza specifica
La putenza de la bateria se riferiss a l’energia de produziun de una bateria per unità de temp en di cundiziun de scarica specifich e la sò unità de misura l’è watt (W) o chilowatt (kW). Quant chesta putenza de uscita l’è cunsiderada en relaziun a la masa o al volum de la bateria, se utèn el cuncett de putenza specifica. En particular, la putenza specifica de masa mesura quanti watt de putenza una mass unitaria de la bateria pœu furnì e la sò unità l’è W/kg; mentre la putenza specifica volumetrich riflett la putenza generada de un volum unitari de la bateria e la sò unità curispundent l’è W/L.
Alimentaziun e alimentaziun specifich indican el tass de scarica de una bateria. Una putenza de la bateria püsee volta significa che la bateria la pœu scaricar a volta curent o a volt tass. Par esempi, una bateria de zing -argent la pœu avegh una putenza specifica de püsee de 100 W/kg quant se scarica a una densità de curent media, indicand una bas resistenza interna e una bona prestaziun de scarica a volt tass. Al cuntrari, una bateria a cellula secca de zing de manganes la pœu avegh sultant una putenza specifich de 10 W/kg quand funziuna a una basa densità de curent, indicand una volta resistenza interna e una scadent prestaziun de scarica a volt tass. Cuma l’energia de la bateria, l’alimentaziun g’ha anca l’alimentaziun teorich e l’alimentaziun real.
La putenza teorica de una bateria la pœu vèss espress cuma:
In de la furmula, t l’è temp; Co l’è la capacità teorica de la bateria; e mi son la current.
La putenza real de la bateria duvaria vèss:
In de la furmula, mi2R rapresenta la putenza consumada de la resistenza interna de la bateria. Chesta putenza l’è inütil al carich aplicà; l’è esenzialment cunvertì en energia termich e liberà cuma calor.
Vita del ciclo
Per i bateri, la durada del ciclo o el ciclo de üs l’è un di indicadur ciave per valutar la prestaziun de la bateria. Ogni ciclo de carica cumplet-de scarica l’è cunsiderà un periud de temp per una bateria.
En cundiziun specifich de carica-de scarica, el nümer de cicli che una bateria pœu resister prima che la sò capacità cala a un cert valur specificà l’è definì cuma sò ciclo de vida o ciclo de üs. Plü lunga l’è la durada del ciclo, püsee bon l’è la prestaziun del ciclo de la bateria. Diferent tip de bateri mustran una durada del ciclo diferent; par esempi, i bateri de nichel-cadmio pœden rivà a mil cicli, menter i bateri de zing -argent g’han relativament menu cicli, quaivun anca menu de cent. Vale la pena notar che anca i bateri del stess tip pœden avegh una vida de ciclo diferent a causa di diferenzi in de la luur strütüra interna.
La durada del ciclo de una bateria l’è influenzada de una varietà de fatur. Olter al giüst üs e manutenziun, se aplican anca i seguent aspett ciaf: 1 Durant i cicli de carica-de scarica, la superfiss del material atif diminuiss gradualment, purtand a un aument de la densità de curent de funziunament e a una polarizaziun intensificada; I compunent atif süi eletrodi pœden stacà o trasferir; Durant el funziunament de la bateria, di materiai di eletrodi pœden vèss corrodü; I dendrit furmà süi eletrodi durant el ciclo pœden causar curt circuit denter de la bateria; El separatur pœu vèss dannezzà; La morfolojia cristallina del material ativ la cambia durant i cicli de carica-ripetuds de scarica, reducend insì la soa ativitaa.
Prestaziun de memorizaziun
La prestaziun de cunservaziun de la bateria se riferiss al grad de perdita de energia natüral denter de la bateria quand l’è en un stato de circuit avert en cundiziun ambientai specifich (cuma temperadüra e ümidità). Chestu fenomen l’è anca famus cuma auto-scarica. Se la prupurziun de perdita de energia durant el cunservaziun l’è piscinina, indica che la bateria g’ha di prestaziun de cunservaziun ecellent.
Quant che una bateria l’è en un stato de circuit avert, anca se la dà no energia eletrich a l’esterno, la subiss ancamò un prucess de autoscarica. Chestu fenomen l’è dovüu principalment a l’instabilità termodinamich di eletrodi in del ambient eletrolitich, che mena a reaziun de ossid-reduziun spuntane intra i eletrodi. Anca en cundiziun secc, se el sigill l’è minga asée strècc, l’infiltraziun de fatur esterni cuma l’aria o l’umidità pœu ancamò scatenà un effet de autoscarica denter de la bateria.
El tass de scarica auto-pœu vèss espress anca cuma el nümer di dì che g’he vœur perché la capacità de la bateria diminuiss a un valur specificà quand l’è cunservà, famusa cuma durada. G’he durada a secc e durada ümida. Par esempi, una bateria de cunservaziun, senza giuntà eletrolit prima del üs, pœu vèss cunservà per tant temp; tal bateria la pœu avegh una lunga durada a secc. L’immagazzinament cun eletrolit l’è ciamà inmagazinament umid; l’immagazzinament umid g’ha un effet de autoscarica püsee fort e una vida de conservaziun umid relativament püsee cuurta. Par esempi, una bateria de zing -argent la pœu avegh una durada a secc de 5-8 an, menter la sò durada a l’è de solet sultant quai mes.