Eines der wichtigsten Leistungsmerkmale vonEnergiespeicherbatterienist ihre Entladungsleistung. Um das Entladeverhalten der Batterie unter verschiedenen Bedingungen zu charakterisieren, ist es notwendig, die Entladekurve der Batterie zu messen, bei der es sich normalerweise um eine Kurve handelt, die die Änderung der Entladespannung über die Zeit zeigt. Unterschiedliche Entladungsbedingungen werden durch Entladungsstrategien charakterisiert, und unterschiedliche Entladungsstrategien führen zu unterschiedlichen Entladungskurven. Zu den Entladestrategien gehören typischerweise die Entlademethode, der Entladestrom, die Abschlussspannung und die Umgebungstemperatur.
Entladungsmethode
Es gibt drei Möglichkeiten, eine Batterie zu entladen: Entladung mit konstantem Strom, Entladung mit konstantem Widerstand und Entladung mit konstanter Leistung. Typische Entladekurven sind in Abbildung 1-5 dargestellt, die die Änderungen des Entladestroms, der Entladespannung und der Leistung über die Entladezeit bei diesen drei Entlademodi veranschaulicht.
Bei einer Entladung mit konstantem -Widerstand nehmen die Betriebsspannung und der Entladestrom der Batterie mit der Zeit allmählich ab. Ebenso sinkt bei einer Entladung mit konstantem -Strom auch die Betriebsspannung mit fortschreitendem Entladevorgang. Dieser Abfall der Betriebsspannung bei längerer Entladezeit ist auf den Anstieg des Innenwiderstands der Batterie zurückzuführen. Darüber hinaus kommt es mit der zunehmenden Nutzung von Batteriestrom in Elektrowerkzeugen, Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen immer häufiger zu einer konstanten -Entladung. Bei einer Entladung mit konstanter Leistung nimmt die Batteriespannung kontinuierlich ab, während der Entladestrom mit fortschreitender Entladung kontinuierlich zunimmt.
Entladestrom
Im Batteriebetrieb wird der von ihm abgegebene Strom als Entladestrom bezeichnet. Der Entladestrom wird im Allgemeinen auch als Entladerate bezeichnet und häufig mithilfe des Stundensatzes (auch als Stundensatz bezeichnet) und des Multiplikators ausgedrückt.
Die Entladerate bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit der sich eine Batterie entlädt, gemessen in der Entladezeit. Konkret handelt es sich dabei um die Zeit, die benötigt wird, um die Kapazität des Akkus mit einem bestimmten Entladestrom vollständig freizugeben, üblicherweise ausgedrückt in Stunden (h). Wenn beispielsweise eine Batterie mit einer Nennkapazität von 10 Amperestunden (A·h) mit einem Strom von 2A entladen wird, beträgt die entsprechende Entladerate 5 Stunden (10A·h/2A{8}}h), was bedeutet, dass die Batterie mit einer Geschwindigkeit von 5 Stunden entladen wird.
Die Entladerate bezieht sich auf den aktuellen Wert, ausgedrückt als Vielfaches der Nennkapazität der Batterie, wenn die volle Kapazität der Batterie innerhalb einer bestimmten Zeit vollständig freigegeben wird. Beispielsweise bedeutet eine 2C-Entladung, dass der Entladestrom das Doppelte der Nennkapazität der Batterie beträgt, was normalerweise durch 2C dargestellt wird (wobei C die Nennkapazität der Batterie darstellt). Bei einer Batterie mit einer Nennkapazität von 10 A·h bedeutet eine 2C-Entladung (hier gibt es ein Dimensionsproblem, d. h. die Einheiten für Kapazität und Strom sind nicht gleich, dies ist jedoch eine übliche Verwendung und wird daher nicht geändert), dass der Entladestrom 2 x 10=20 (A) beträgt, was einer Entladerate von 0,5 Stunden entspricht. Verschiedene Batterietypen und -designs können sich unterschiedlich an die Entladebedingungen anpassen: Einige eignen sich besser für die Entladung mit niedrigem -Strom, während andere bei hohen Strömen eine bessere Leistung erbringen. Im Allgemeinen werden Entladungsraten kleiner oder gleich 0,5 °C als niedrige Entladungsraten bezeichnet; diejenigen zwischen 0,5 °C und 3,5 °C werden als mittlere Werte bezeichnet; Temperaturen zwischen 3,5 °C und 7 °C werden als hohe Temperaturen bezeichnet; und diejenigen über 7 C werden als ultrahohe Temperaturen bezeichnet.
Abschlussspannung
Bei der Batterieentladung wird der Anfangsspannungswert als Startbetriebsspannung definiert; Wenn die Spannung auf einen Schwellenwert abfällt, bei dem eine weitere Entladung nicht mehr geeignet ist, wird dieser Spannungspunkt als Abschlussspannung bezeichnet. Der spezifische Wert dieser Abschlussspannung wird normalerweise vom Tester auf der Grundlage tatsächlicher Testanforderungen und früherer Erfahrungen festgelegt.
Die eingestellte Abschlussspannung variiert je nach den unterschiedlichen Entladebedingungen und deren Einfluss auf die Batteriekapazität und -lebensdauer. Niedrigere Abschlussspannungen werden typischerweise in Umgebungen mit niedrigen{1}Temperaturen oder unter Entladungsbedingungen mit hohem-Strom verwendet, während höhere Abschlussspannungen normalerweise unter Entladungsbedingungen mit niedrigem{3}}Strom eingestellt werden. Dies liegt daran, dass die Polarisierung zwischen den Batterieelektroden während der Entladung bei niedriger-Temperatur oder hohem-Strom erheblich zunimmt, was zu einer unvollständigen Nutzung der aktiven Materialien und einem schnelleren Spannungsabfall führt. Daher trägt eine entsprechende Senkung der Abschlussspannung dazu bei, mehr Energie freizusetzen. Umgekehrt werden bei einer Niederstromentladung die aktiven Komponenten in der Batterie besser genutzt. In diesem Fall kann die Erhöhung der Abschlussspannung zur Begrenzung einer Tiefentladung die Gesamtlebensdauer der Batterie effektiv verlängern.
Umgebungstemperatur
Wie in Abbildung 1-6 dargestellt, hat die Umgebungstemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Entladekurve. Bei höheren Temperaturen weist die Entladekurve einen relativ sanften Verlauf auf; Mit sinkender Temperatur wird diese Veränderung jedoch immer drastischer. Der wesentliche Grund liegt darin, dass bei niedrigen Temperaturen die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen abnimmt, was zu einem Anstieg des ohmschen Innenwiderstands führt. Im Extremfall kann es bei zu niedrigen Temperaturen dazu kommen, dass der Elektrolyt gefriert und so der normale Entladevorgang der Batterie behindert wird. Darüber hinaus werden bei niedrigeren Temperaturen die elektrochemische Polarisation und die Konzentrationspolarisation entsprechend verstärkt, was die Abklinggeschwindigkeit der Entladungskurve weiter beschleunigt.
Abbildung 1-6 Entladekurven von Blei-Säure-Batterien bei verschiedenen Umgebungstemperaturen
Kapazität und spezifische Kapazität
Unter Batteriekapazität versteht man die Strommenge, die aus einer Batterie unter bestimmten Entladebedingungen gewonnen werden kann. Die Einheit wird normalerweise als Ampere-Stunde (Ah) ausgedrückt. Abhängig von der tatsächlichen Situation kann die Batteriekapazität weiter in theoretische Kapazität, tatsächliche Kapazität und Nennkapazität unterteilt werden.
Die theoretische Kapazität (Co) bezieht sich auf die Strommenge, die unter idealen Bedingungen bereitgestellt werden kann, wenn das Aktivmaterial vollständig an der elektrochemischen Reaktion der Batterie teilnimmt. Dieser Wert wird basierend auf der Masse des aktiven Materials gemäß dem Faradayschen Gesetz berechnet. Das Faradaysche Gesetz besagt, dass zwischen der Masse des an der Reaktion an der Elektrode beteiligten Materials und der von ihm übertragenen Ladungsmenge ein direkter proportionaler Zusammenhang besteht; Wenn 1 Mol aktives Material am elektrochemischen Prozess der Batterie beteiligt ist, kann es eine Ladung freisetzen, die 26,8 A·h oder 1 Farad (F) entspricht. Daher gibt es folgende Berechnungsformel:
In der Formel ist m die Masse des Wirkstoffs bei vollständiger Reaktion; n ist die Anzahl der während der Flussreaktion gewonnenen oder verlorenen Elektronen; und M ist die Molmasse des Wirkstoffs.
In der Formel wird K als elektrochemisches Äquivalent des Wirkstoffs bezeichnet.
Wie in Gleichung (1.5) dargestellt, hängt die theoretische Kapazität einer Elektrode von der Masse des aktiven Materials und dem elektrochemischen Äquivalent ab. Bei gleicher Masse an Aktivmaterial ist die theoretische Kapazität umso größer, je kleiner das elektrochemische Äquivalent ist. Die elektrochemischen Äquivalente einiger Elektrodenmaterialien sind in Tabelle 1-3 aufgeführt.
Tabelle 1-3 Elektrochemische Äquivalente einiger Elektrodenmaterialien
| Negatives Elektrodenmaterial | Dichte (g/cm³) | Spezifische Kapazität (mA·h/g) | Positives Elektrodenmaterial | Dichte (g/cm³) | Spezifische Kapazität (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | Vor | 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 |
Darüber hinaus werden häufig die Konzepte der tatsächlichen Kapazität und der Nennkapazität verwendet. Die tatsächliche Kapazität bezieht sich auf die Gesamtmenge an Strom, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen liefern kann. Die tatsächliche Kapazität wird nicht nur durch den theoretischen Maximalwert, sondern auch durch die spezifischen Entladebedingungen begrenzt.
Die Nennkapazität hingegen ist ein Standardsatz für die Batterie während des Design- und Herstellungsprozesses; Das heißt, die minimale Ausgangskapazität, die die Batterie unter bestimmten Entladebedingungen erreichen sollte, auch Nennkapazität genannt.
Beim Vergleich verschiedener Batterietypen innerhalb derselben Serie wird typischerweise die spezifische Kapazität zur Bewertung herangezogen. Konkret bezieht sich die spezifische Kapazität auf die Strommenge, die eine Batterie pro Massen- oder Volumeneinheit liefern kann, also auf die massenspezifische Kapazität (Ah/kg) und die volumetrische spezifische Kapazität (Ah/L). Es ist wichtig zu beachten, dass bei der Berechnung der Masse und des Volumens einer Batterie neben den Elektrodenmaterialien und dem Elektrolyten auch andere Komponenten der Batterie berücksichtigt werden müssen, wie etwa das Gehäuse, der Separator und zugehörige leitfähige Komponenten. Insbesondere bei Akkumulatoren und Brennstoffzellen umfassen die Gesamtmasse und das Gesamtvolumen auch alle notwendigen Hilfsgeräte, wie z. B. Tanks zur Lagerung von Flüssigkeiten, Aktivierungsvorrichtungen (für Akkumulatoren) oder Aktivmaterialspeicher- und -versorgungssysteme, Steuerungssysteme, Heizeinheiten usw. (für Brennstoffzellen).
Durch die Einführung des Konzepts der spezifischen Kapazität können wir die Leistung von Batterien verschiedener Typen und Größen vergleichen. Die Batteriekapazität wird in theoretische Kapazität und tatsächliche Kapazität unterteilt; Dementsprechend hat die spezifische Kapazität auch theoretische und tatsächliche Aspekte.
Energie und spezifische Energie
Batterieenergie bezieht sich auf die gesamte elektrische Energie, die die Batterie bei Arbeiten unter bestimmten Entladebedingungen abgibt, im Allgemeinen ausgedrückt in Watt{0}}Stunden (Wh·h). Batterieenergie hat auch eine theoretische Energie und eine tatsächliche Energie.
Unter der Annahme, dass die Batterie während der Entladung im Gleichgewicht bleibt und ihre Entladespannung konstant gleich ihrer elektromotorischen Kraft ist, und unter der Annahme, dass alle aktiven Materialien an der chemischen Reaktion beteiligt sind, sollte die von der Batterie bereitgestellte Energie gleich ihrer theoretischen Maximalenergie Wo sein.
Die theoretische Energie einer Batterie ist die maximale Nicht-Volumenarbeit, die die Batterie unter konstanter Temperatur, konstantem Druck und reversiblen Entladungsbedingungen verrichtet.
Die tatsächliche Energie (W) bezieht sich auf die Energie, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen tatsächlich liefert. Sie wird numerisch durch Multiplikation der tatsächlichen Kapazität mit der durchschnittlichen Betriebsspannung ermittelt. Da die aktiven Materialien in der Batterie nicht vollständig genutzt werden können und ihre Betriebsspannung normalerweise niedriger ist als die theoretische elektromotorische Kraft, ist die tatsächliche Energie immer geringer als die theoretische Energie.
Unter spezifischer Energie versteht man die Energie, die eine Batterie pro Massen- oder Volumeneinheit abgibt. Die Energieabgabe pro Masseneinheit der Batterie wird als massenspezifische Energie definiert und typischerweise in Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg) gemessen. Die Energieabgabe pro Volumeneinheit der Batterie wird als volumetrische spezifische Energie definiert, typischerweise ausgedrückt in Watt-Stunden pro Liter (Wh/L). Darüber hinaus kann das Konzept der spezifischen Energie weiter in theoretische (W) und tatsächliche (W) unterteilt werden, wobei die theoretische massenspezifische Energie mithilfe von Gleichung (1.9) berechnet werden kann:
In der Formel ist K+ das elektrochemische Äquivalent des positiven Elektrodenmaterials; K- ist das elektrochemische Äquivalent des negativen Elektrodenmaterials; und E ist die elektromotorische Kraft der Batterie.
Leistung und spezifische Leistung
Unter Batterieleistung versteht man die Energieabgabe einer Batterie pro Zeiteinheit unter bestimmten Entladebedingungen. Die Maßeinheit ist Watt (W) oder Kilowatt (kW). Wenn diese Ausgangsleistung in Relation zur Masse oder zum Volumen der Batterie gesetzt wird, erhält man das Konzept der spezifischen Leistung. Konkret misst die massenspezifische Leistung, wie viele Watt Leistung eine Batteriemasseeinheit liefern kann. Die Einheit ist W/kg. Während die volumetrische spezifische Leistung die von einer Batterievolumeneinheit erzeugte Leistung widerspiegelt, ist die entsprechende Einheit W/L.
Leistung und spezifische Leistung geben die Entladerate einer Batterie an. Eine höhere Batterieleistung bedeutet, dass die Batterie mit hohem Strom oder hohen Raten entladen werden kann. Beispielsweise kann eine Zink-Silber-Batterie beim Entladen mit einer mittleren Stromdichte eine spezifische Leistung von über 100 W/kg erreichen, was auf einen niedrigen Innenwiderstand und eine gute Entladeleistung bei hoher Entladungsrate hinweist. Im Gegensatz dazu kann eine Zink{6}}Mangan-Trockenbatterie nur eine spezifische Leistung von 10 W/kg erreichen, wenn sie mit einer niedrigen Stromdichte betrieben wird, was auf einen hohen Innenwiderstand und eine schlechte Entladeleistung bei hoher Rate hinweist. Ähnlich wie bei der Batterieenergie gibt es auch bei der Leistung eine theoretische Leistung und eine tatsächliche Leistung.
Die theoretische Leistung einer Batterie kann ausgedrückt werden als:
In der Formel ist t die Zeit; Co ist die theoretische Kapazität der Batterie; und ich bin der Strom.
Die tatsächliche Leistung der Batterie sollte sein:
In der Formel I2R stellt die vom Innenwiderstand der Batterie verbrauchte Leistung dar. Diese Leistung ist für die angelegte Last nutzlos; Es wird im Wesentlichen in Wärmeenergie umgewandelt und als Wärme abgegeben.
Zyklusleben
Bei Batterien ist die Lebensdauer oder der Nutzungszyklus einer der Schlüsselindikatoren zur Bewertung der Batterieleistung. Jeder vollständige Lade--Entladezyklus wird als Zeitspanne für eine Batterie betrachtet.
Unter bestimmten Lade-{0}}Entladebedingungen wird die Anzahl der Zyklen, die eine Batterie aushalten kann, bevor ihre Kapazität auf einen bestimmten angegebenen Wert abfällt, als Lebensdauer oder Nutzungszyklus definiert. Je länger die Zyklenlebensdauer, desto besser ist die Zyklenleistung der Batterie. Verschiedene Batterietypen weisen unterschiedliche Zyklenlebensdauern auf; Beispielsweise können Nickel-Cadmium-Batterien Tausende von Zyklen erreichen, während Zink-Silber-Batterien vergleichsweise weniger Zyklen haben, einige sogar weniger als hundert. Es ist zu beachten, dass selbst Batterien des gleichen Typs aufgrund von Unterschieden in ihrem inneren Aufbau unterschiedliche Zyklenlebensdauern haben können.
Die Zyklenlebensdauer einer Batterie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Neben der ordnungsgemäßen Verwendung und Wartung gelten auch die folgenden Hauptaspekte: ① Während der Lade--Entladezyklen nimmt die Oberfläche des aktiven Materials allmählich ab, was zu einer Erhöhung der Betriebsstromdichte und einer verstärkten Polarisation führt. ② Aktive Komponenten auf den Elektroden können sich lösen oder übertragen; ③ Während des Batteriebetriebs können einige Elektrodenmaterialien korrodieren; ④ Dendriten, die sich beim Radfahren auf den Elektroden bilden, können zu Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen. ⑤ Der Separator kann beschädigt sein; ⑥ Die Kristallmorphologie des aktiven Materials ändert sich bei wiederholten Lade--Entladezyklen und verringert dadurch seine Aktivität.
Speicherleistung
Die Batteriespeicherleistung bezieht sich auf den Grad des natürlichen Energieverlusts innerhalb der Batterie, wenn sie sich unter bestimmten Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur und Luftfeuchtigkeit) im Leerlaufzustand befindet. Dieses Phänomen wird auch als Selbstentladung bezeichnet. Wenn der Anteil des Energieverlusts während der Lagerung gering ist, weist dies auf eine hervorragende Speicherleistung der Batterie hin.
Wenn sich eine Batterie im Leerlaufzustand-befindet, gibt sie zwar keine elektrische Energie nach außen ab, durchläuft aber trotzdem einen Selbstentladungsprozess. Dieses Phänomen ist hauptsächlich auf die thermodynamische Instabilität der Elektroden in der Elektrolytumgebung zurückzuführen, die zu spontanen Redoxreaktionen zwischen den Elektroden führt. Selbst unter trockenen Bedingungen kann das Eindringen äußerer Faktoren wie Luft oder Feuchtigkeit bei nicht ausreichend dichter Versiegelung dennoch einen Selbstentladungseffekt im Inneren der Batterie auslösen.
Die Selbstentladungsrate kann auch als die Anzahl der Tage ausgedrückt werden, die es dauert, bis die Kapazität der Batterie bei der Lagerung auf einen bestimmten Wert abnimmt, der als Haltbarkeitsdauer bezeichnet wird. Es gibt die Haltbarkeitsdauer im trockenen Zustand und die Haltbarkeitsdauer im nassen Zustand. Beispielsweise kann ein Akku ohne Zugabe von Elektrolyt vor dem Gebrauch lange gelagert werden; Eine solche Batterie kann eine lange Haltbarkeit im trockenen Zustand haben. Die Lagerung mit Elektrolyt wird als Nasslagerung bezeichnet; Nasslagerung führt zu einem stärkeren Selbstentladungseffekt und einer relativ kürzeren Nasshaltbarkeit. Beispielsweise kann eine Zink-Silber-Batterie eine Trockenhaltbarkeit von 5–8 Jahren haben, während die Nasshaltbarkeit normalerweise nur wenige Monate beträgt.