Yek ji taybetmendiyên performansê yên herî girîng ebataryayên depokirina enerjiyêperformansa derxistina wan e. Ji bo taybetmendîkirina tevgera dakêşana pîlê di bin şert û mercên cûda de, pêdivî ye ku meriv kêşeya dakêşana pîlê were pîvandin, ku bi gelemperî kêşek e ku guhartina voltaja dakêşanê bi demê re nîşan dide. Şertên cihêreng ên dakêşanê ji hêla stratejiyên dakêşanê ve têne diyar kirin, û stratejiyên cûda yên dakêşanê dê di kulpên dakêşanê yên cûda de encam bikin. Stratejiyên dakêşanê bi gelemperî rêbaza dakêşanê, niha vekêşanê, voltaja qedandinê, û germahiya hawîrdorê vedigirin.
Rêbaza avêtinê
Sê awayên ku bataryek dikare dakêşîne hene: vekêşana niha ya domdar, vekêşana berxwedana domdar, û vekêşana hêza domdar. Kevirên dakêşanê yên tîpîk di jimar 1-5 de têne xuyang kirin, ku di bin van sê awayên dakêşanê de guheztinên di dema dakêşanê, voltaj û hêzê de diyar dike.
Di dema daxistina berxwedanê ya domdar de, bi demê re voltaja xebitandinê û herika dakêşanê ya pîlê hêdî hêdî kêm dibe. Bi heman awayî, di bin-vekêşana domdar de, voltaja xebitandinê jî her ku pêvajoya dakêşanê berdewam dike kêm dibe. Ev kêmbûna voltaja xebitandinê bi dema dakêşana dirêj ve ji ber zêdebûna berxwedana navxweyî ya pîlê ye. Wekî din, bi zêdebûna karanîna hêza pîlê di nav amûrên hêzê, wesayîtên elektrîkî û sepanên din de, vekêşana domdar-berbelavtir dibe. Di dema dakêşana hêzê ya domdar de, voltaja pîlê bi berdewamî kêm dibe, dema ku dakêşanê her ku diçe zêde dibe.
Niha derxînin
Di dema xebitandina bataryayê de, herika ku jê derdiket jê re têra dakêşanê tê gotin. Rêjeya dakêşanê jî bi gelemperî wekî rêjeya dakêşanê tê binav kirin, û bi gelemperî bi karanîna rêjeya demjimêrî (ku wekî rêjeya demjimêr jî tê zanîn) û pirjimar tête diyar kirin.
Rêjeya dakêşandinê rêjeya dakêşana bataryek, di dema dakêşanê de tê pîvandin. Bi taybetî, ew wextê pêdivî ye ku meriv bi tevahî kapasîteya pîlê bi karanîna herikînek dakêşanê ya taybetî, ku bi gelemperî di demjimêran de (h) tête diyar kirin, were berdan. Mînakî, ji bo pîlê bi kapasîteya binavkirî 10 amp-saet (A·h), heke ew bi herikîna 2A were dakêşandin, rêjeya dakêşanê ya têkildar 5 saet e (10A·h/2A=5h), ango pîlê bi leza 5-saetan vediqete.
Rêjeya dakêşandinê nirxa heyî vedibêje, ku wekî pirjimarek kapasîteya binavkirî ya pîlê tête diyar kirin, dema ku kapasîteya tevahî ya pîlê di demek taybetî de bi tevahî were berdan. Mînakî, vekêşana 2C tê vê wateyê ku herika dakêşanê du caran ji kapasîteya binavkirî ya pîlê ye, bi gelemperî bi 2C tê temsîl kirin (ku C kapasîteya binavkirî ya pîlê nîşan dide). Ji bo pîlê bi kapasîteya binavkirî 10A·h, dakêşana 2C (li vir pirsgirêkek dimensî heye, ango yekeyên kapasîteyê û niha ne wek hev in, lê ev karanîna gelemperî ye, ji ber vê yekê nayê guheztin) tê vê wateyê ku herika dakêşanê 2 x 10=20 (A) ye, bi rêjeya dakêşanê ya 0,5h re têkildar e. Cûreyên cûda û sêwiranên bataryayên xwedan adaptasyona cûda ji şert û mercên dakêşanê re hene: hin ji bo vekêşana nizm{12}}kêmtir guncawtir in, lê yên din di herikîna bilind de çêtir dixebitin. Bi gelemperî, rêjeyên dakêşanê ji 0.5C kêmtir an wekhev têne rêjeyên kêm têne gotin; ji yên di navbera 0.5C û 3.5C de rêjeyên navîn tê gotin; yên di navbera 3.5C û 7C de rêjeyên bilind têne gotin; û ji yên ku ji 7C zêdetir in rêjeyên ultra-bilind têne gotin.
voltaja bidawîbûnê
Di dema daxistina pîlê de, nirxa voltaja destpêkê wekî voltaja xebitandinê ya destpêkê tê destnîşankirin; dema ku voltaj dakeve astekê ku dakêşana din êdî ne guncaw e, ji vê xala voltajê re voltaja bidawîbûnê tê gotin. Nirxa taybetî ya vê voltaja bidawîbûnê bi gelemperî ji hêla ceribandinê ve li ser bingeha hewcedariyên ceribandinê yên rastîn û ezmûna paşîn tê destnîşan kirin.
Voltaja bidawîbûnê ya destnîşankirî li gorî şert û mercên cûda yên dakêşanê û bandora wan li ser kapasîteya baterî û dirêjahiya jiyanê diguhere. Voltajên bidawîbûnê yên nizm bi gelemperî li hawîrdorên kêm-germahiya nizm an jî di bin-şertên dakêşana niha de zêde têne bikar anîn, dema ku voltaja bidawîbûnê ya bilind bi gelemperî di bin-şertên dakêşana nizm de têne danîn. Ji ber vê yekê ye ku polarîzasyona di navbera elektrodên pîlê de di dema kêm-germahiya an bilind-derxistina niha de bi girîngî zêde dibe, di encamê de materyalên çalak nayên bikaranîn û daketina voltaja zûtir dibe. Ji ber vê yekê, bi rêkûpêk daxistina voltaja bidawîbûnê dibe alîkar ku bêtir enerjiyê azad bike. Berevajî vê, dema ku kêm-vekêşana niha tê bikar anîn, hêmanên çalak ên di pîlê de bi tevahî têne bikar anîn. Di vê rewşê de, zêdekirina voltaja qedandinê ji bo sînorkirina dakêşana kûr dikare bi bandor dirêjahiya tevayî ya batterê dirêj bike.
Germahiya hawirdorê
Wekî ku di Xiflteya 1-6-ê de tê xuyang kirin, germahiya hawîrdorê bandorek girîng li ser keviya dakêşanê heye. Di germahiyên bilind de, keviya dakêşanê meylek bi nermî nîşan dide; lê her ku germahî kêm dibe, ev guherîn her ku diçe girantir dibe. Sedema bingehîn ev e ku di germahiyên nizm de, rêjeya koçberiya îyonan kêm dibe, ku dibe sedema zêdebûna berxwedana navxweyî ya ohmîkî. Di rewşên giran de, heke germahî pir kêm be, dibe ku elektrolît bicemide, bi vî rengî pêvajoya dakêşana normal a pîlê asteng bike. Digel vê yekê, di germahiyên kêmtir de, polarîzasyona elektrokîmyayî û polarîzasyona berhevkirinê bi heman rengî zêde dibin, ku rêjeya hilweşîna kêşeya dakêşanê bêtir zûtir dike.
Figure 1-6 Di germahiyên cihêreng ên hawîrdorê de kêşên dakêşana bataryayên asîdê
Kapasîteya û kapasîteya taybetî
Kapasîteya pîlê tê wateya mîqdara elektrîkê ya ku di bin hin şert û mercên dakêşanê de ji pîlê tê wergirtin. Yekîneya bi gelemperî wekî amper-saet (Ah) tê nîşandan. Bi rewşa rastîn ve girêdayî, kapasîteya baterî dikare li ser kapasîteya teorîkî, kapasîteya rastîn, û kapasîteya binavkirî were dabeş kirin.
Kapasîteya teorîk (Co) tê wateya mîqdara elektrîkê ku di bin şert û mercên îdeal de dikare were peyda kirin dema ku materyalê çalak bi tevahî beşdarî reaksiyona elektrokîmyayî ya pîlê dibe. Ev nirx li ser bingeha girseya materyalê çalak, li gorî qanûna Faraday tê hesibandin. Zagona Faraday dibêje ku di navbera girseya maddeya ku di reaksiyona elektrodê de beşdar dibe û mîqdara barkirina ku ew vediguhêze de têkiliyek rastrast heye; dema ku 1 mol maddeya çalak beşdarî pêvajoya elektrokîmyayî ya pîlê dibe, ew dikare barek bi qasî 26,8 A·h an 1 farad (F) berde. Ji ber vê yekê, formula hesabkirina jêrîn heye:
Di formulê de, m girseya maddeya çalak e dema ku ew bi tevahî bertek dike; n hejmara elektronên ku di dema reaksiyona herikînê de hatine bidestxistin an windakirin e; û M girseya molê ya madeya çalak e.
Di formulê de, K wekî hevwateya elektrokîmyayî ya maddeya çalak tê gotin.
Wekî ku di hevkêşana (1.5) de tê xuyang kirin, kapasîteya teorîkî ya elektrodê bi girseya maddeya çalak û hevwateya elektrokîmyayî ve girêdayî ye. Bi heman girseya materyalê çalak re, hevreha elektrokîmyayî ya piçûktir, kapasîteya teorîkî jî ew qas mezin e. Wekhevên elektrokîmyayî yên hin madeyên elektrodê di tabloya 1-3 de têne nîşandan.
Tablo 1-3 Wekhevên Elektrokîmyayî yên Hin Materyalên Elektrodê
| Materyal Electrode Neyînî | Tûrbûn (g/cm³) | Kapasîteya Taybet (mA·h/g) | Madeya Elektrodê ya erênî | Tûrbûn (g/cm³) | Kapasîteya Taybet (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl2 | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | Pêşî | 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 |
Digel vê yekê, têgehên kapasîteya rastîn û kapasîteya binavkirî bi gelemperî têne bikar anîn. Kapasîteya rastîn bi tevahî mîqdara elektrîkê vedibêje ku pîlê dikare di bin şert û mercên dakêşana taybetî de peyda bike. Kapasîteya rastîn ne tenê ji hêla nirxa herî zêde ya teorîkî ve lê di heman demê de ji hêla mercên dakêşanê yên taybetî ve jî sînorkirî ye.
Kapasîteya binavkirî, ji hêla din ve, ji bo pîlê di dema sêwirandin û çêkirinê de komek standard e; ango, kapasîteya hilberîna herî kêm a ku pîlê divê di bin şert û mercên dakêşanê yên diyarkirî de bigihîje, ku wekî kapasîteya binavkirî jî tê zanîn.
Dema ku cûreyên cûda yên bataryayên di heman rêzê de têne berhev kirin, kapasîteya taybetî bi gelemperî ji bo nirxandinê tê bikar anîn. Bi taybetî, kapasîteya taybetî behsa mîqdara elektrîkê dike ku pîlê dikare li ser yekîneya girseyek an qebarê peyda bike, ango, kapasîteya taybetî ya girseyê (Ah / kg) û kapasîteya taybetî ya volumetric (Ah / L). Girîng e ku were zanîn ku dema ku meriv girse û qebareya pîlê tê hesibandin, ji bilî nihêrîna materyalên elektrodê û elektrolîtê, pêdivî ye ku hêmanên din ên pîlê jî bêne hesibandin, wek qalik, veqetandî, û hêmanên gerîdok ên têkildar. Bi taybetî ji bo bataryayên hilanînê û şaneyên sotemeniyê, girseya giştî û hejmûna tevayî jî hemî alavên pêdivî yên pêwîst dihewîne, wek tangên ji bo hilanîna şilavan, amûrên aktîfkirinê (ji bo bataryayên hilanînê), an pergalên hilanîn û dabînkirina materyalê çalak, pergalên kontrolê, yekîneyên germkirinê, hwd. (ji bo şaneyên sotemeniyê).
Bi danasîna têgeha kapasîteya taybetî, em dikarin performansa bataryayên celeb û mezinahiyên cihêreng bidin ber hev. Kapasîteya pîlê di kapasîteya teorîkî û kapasîteya rastîn de tê dabeş kirin; Li gorî vê, kapasîteya taybetî jî xwediyê aliyên teorîk û rastîn e.
Enerjî û enerjiya taybetî
Enerjiya pîlê tê wateya enerjiya elektrîkê ya ku ji hêla pîlê ve tê hilberandin dema ku kar di bin şert û mercên dakêşanê yên taybetî de pêk tîne, bi gelemperî bi watt-saetan (W·h) tê diyar kirin. Enerjiya pîlê di heman demê de enerjiyek teorîkî û enerjiyek rastîn jî heye.
Bihesibînin ku pîlê di dema dakêşanê de di hevsengiyê de bimîne û voltaja dakêşana wê bi hêza wê ya elektromotîv re domdar be, û her weha bihesibînin ku hemî materyalên çalak beşdarî reaksiyona kîmyewî dibin, wê hingê enerjiya ku pîlê peyda dike divê bi enerjiya wê ya herî teorîkî ya Wo re wekhev be.
Enerjiya teorîk a pîlê di bin germahiya domdar, zexta domdar û şert û mercên dakêşana vegerê de xebata ne-volimî ya herî zêde ye.
Enerjiya rastîn (W) tê wateya enerjiya ku bi rastî ji hêla pîlê ve di bin hin şert û mercên dakêşanê de tê peyda kirin. Ew bi hejmarî bi pirkirina kapasîteya rastîn bi voltaja xebitandinê ya navînî ve tête peyda kirin. Ji ber ku materyalên çalak ên di hundurê pîlê de bi tevahî nayên bikar anîn, û voltaja xebitandina wê bi gelemperî ji hêza elektromotîv a teorîkî kêmtir e, enerjiya rastîn her gav ji enerjiya teorîkî kêmtir e.
Enerjiya taybetî tê wateya enerjiya ku ji hêla pîlê ve li ser yekîneya girseyê an yekîneya yekîneyê tê berdan. Hilberîna enerjiyê ya yekîneya girseya pîlê wekî enerjiya taybetî ya girseyê tê pênase kirin, ku bi gelemperî bi watt-saet ji bo kîlogramê (Wh/kg) tê pîvandin. Hilberîna enerjiyê ya her yekîneya qebareya pîlê wekî enerjiya taybetî ya voltîkî tê pênase kirin, ku bi gelemperî bi watt-saet di her lîtreyê de (Wh/L) tê diyar kirin. Wekî din, têgeha enerjiya taybetî dikare bêtir li ser teorîk (W) û rastîn (W) were dabeş kirin, ku enerjiya taybetî ya girseya teorîkî dikare bi karanîna hevkêşana (1.9) were hesibandin:
Di formulê de, K+ hevwateya elektrokîmyayî ya madeya elektrodê erênî ye; K- hevwateya elektrokîmyayî ya madeya elektroda neyînî ye; û E hêza elektromotîv a pîlê ye.
Hêz û hêza taybetî
Hêza pîlê di bin şert û mercên dakêşanê yên taybetî de hilberîna enerjiyê ya pîlê di her yekîneya demê de vedibêje, û yekeya pîvana wê watt (W) an kilovat (kW) ye. Dema ku ev hêza derketinê bi giranî an qebareya pîlê re têkildar tê hesibandin, têgeha hêza taybetî tête peyda kirin. Bi taybetî, hêza taybetî ya girseyê dipîve ku yekîneyek girseya pîlê dikare çend watt hêzê peyda bike, û yekeya wê W/kg ye; dema ku hêza taybetî ya volumetric hêza ku ji hêla yekîneyek pileyê ve hatî hilberandin nîşan dide, û yekîneya wê ya têkildar W/L ye.
Hêz û hêza taybetî rêjeya dakêşana pîlê nîşan dide. Hêza baterî ya bilind tê vê wateyê ku pîlê dikare bi rêjeyên bilind an rêjeyên bilind veqetîne. Mînakî, bataryayek zinc-zîv dikare hêzek taybetî ji 100 W/kg bi dest bixe dema ku bi tîrêjek navînî tê dakêşandin, ku berxwedana hindirîn a hindik û performansa dakêşanê ya baş-bi rêjeya bilind nîşan dide. Berevajî vê yekê, bataryaya hucreya zinc a zinc-manganez tenê dikare hêzek taybetî ya 10 W/kg bi dest bixe dema ku bi tîrêjek nizm a nizm kar dike, ev jî nîşan dide ku berxwedana navxweyî ya bilind û performansa kêmbûna rêjeya bilind a kêm-. Mîna enerjiya pîlê, hêz di heman demê de hêza teorîkî û hêza rastîn jî heye.
Hêza teorîkî ya pîlê dikare wiha were diyar kirin:
Di formula de, t dem e; Co kapasîteya teorîkî ya pîlê ye; û ez niha me.
Hêza rastîn a pîlê divê ev be:
Di formula de, I2R hêza ku ji hêla berxwedana navxweyî ya pîlê ve tê vexwarin destnîşan dike. Ev hêz ji bo barkirinê bêkêr e; ew di eslê xwe de vediguhere enerjiya germê û wekî germê derdikeve.
Cycle jiyana
Ji bo bataryayê, jiyana çerxê, an çerxa karanîna, yek ji nîşaneyên sereke ye ji bo nirxandina performansa batterê. Her çerxa barkirinê ya tam-ji bo pîlekê wekî demek tê hesibandin.
Di bin şert û mercên barkirinê-ya taybetî de, hejmara çerxên ku pîlê dikare li ber xwe bide berî ku kapasîteya wê dakeve nirxek diyarkirî, wekî jiyana çerxê an çerxa karanîna wê tê pênase kirin. Jiyana çerxê çi qas dirêjtir be, performansa çerxa pîlê baştir dibe. Cûreyên cûda yên bataryayê jîyanên çerxa cihêreng nîşan didin; wek nimûne, bataryayên nîkel-kadmium dikarin bi hezaran çerxeyan bi dest bixin, lê bataryayên zinc-zîv bi relatîfî kêmtir çerx hene, hin ji sed jî kêmtir in. Hêjayî gotinê ye ku tewra bataryayên heman celebî jî ji ber cûdahiyên di strukturên wan ên hundurîn de dikarin jiyana çerxa cûda hebin.
Jiyana çerxa pîlê ji hêla gelek faktoran ve tê bandor kirin. Ji bilî karanîna rast û lênihêrînê, aliyên sereke yên jêrîn jî derbas dibin: ① Di dema çerxên barkirinê-derxistinê de, rûbera maddeya çalak hêdî hêdî kêm dibe, ku dibe sedema zêdebûna tîrêjiya niha ya xebitandinê û polarîzasyona tund; ② Dibe ku pêkhateyên çalak ên li ser elektrodê veqetin an veguhezînin; ③ Di dema xebata batterê de, dibe ku hin materyalên elektrodê xera bibin; ④ Dendritên ku di dema bisiklêtan de li ser elektrodê çêdibin dibe ku di hundurê pîlê de bibe sedema kêşeyên kurt; ⑤ Dibe ku veqetandin xera bibe; ⑥ Morfolojiya krîstal a maddeya çalak di dema çerxên barkirina-da dubare de diguhere, bi vî rengî çalakiya wê kêm dike.
Performansa hilanînê
Performansa hilanînê ya bataryayê dereca windakirina enerjiya xwezayî ya di hundurê pîlê de dema ku ew di nav şert û mercên hawîrdorê yên taybetî de (wek germahî û nemiyê) di rewşek vekirî de ye-. Ev diyarde wekî xwe-derxistin jî tê zanîn. Ger rêjeya windakirina enerjiyê di dema hilanînê de hindik be, ew destnîşan dike ku pîlê xwedan performansa hilanînê ya hêja ye.
Dema ku pîlê di rewşek dorhêla vekirî de ye, her çend ew enerjiya elektrîkê ji derve re nade jî, ew dîsa jî di pêvajoyek xwe-derxistinê de derbas dibe. Ev diyarde bi giranî ji ber bêîstiqrariya termodinamîkî ya elektrodên di hawîrdora elektrolîtê de ye, ku dibe sedema reaksiyonên redoxê yên spontan ên di navbera elektrodê de. Tewra di bin şert û mercên hişk de, heke morkirin têra xwe teng nebe, ketina faktorên derveyî yên wekî hewa an şilbûnê dîsa jî dikare bandorek xwe--derxistinê di hundurê pîlê de derxe.
Rêjeya xwe-derxistinê di heman demê de dikare wekî çend rojên ku hewce dike ku kapasîteya pîlê di dema hilanînê de dakeve nirxek diyarkirî, ku wekî jiyana refikê tê zanîn, were diyar kirin. Jiyana rafê ya zuha û domdariya şil heye. Mînakî, pîlê hilanînê, bêyî ku berî karanîna elektrolîtê zêde bike, dikare ji bo demek dirêj were hilanîn; pîlê weha dikare jiyanek hişk a dirêj hebe. Depokirina bi elektrolît jê re embara şil tê gotin; depokirina şil dibe sedema bandorek xweya-bervekêşandinê ya bihêztir û heyamek şil a nisbeten kurttir. Mînakî, bataryayek zinc-zivîn dikare 5-8 sal zuwa bimîne, lê dema ku domdariya wê ya şil bi gelemperî tenê çend meh e.