Una delle caratteristiche prestazionali più importanti dibatterie di accumulo di energiaè la loro prestazione di scarico. Per caratterizzare il comportamento di scarica della batteria in diverse condizioni, è necessario misurare la curva di scarica della batteria, che solitamente è una curva che mostra la variazione della tensione di scarica nel tempo. Diverse condizioni di scarica sono caratterizzate da strategie di scarica e diverse strategie di scarica daranno come risultato curve di scarica diverse. Le strategie di scarica in genere includono il metodo di scarica, la corrente di scarica, la tensione di terminazione e la temperatura ambiente.
Metodo di scarico
Esistono tre modi in cui una batteria può scaricarsi: scarica a corrente costante, scarica a resistenza costante e scarica a potenza costante. Le curve di scarica tipiche sono mostrate nella Figura 1-5, che illustra i cambiamenti nella corrente di scarica, nella tensione e nella potenza in base al tempo di scarica in queste tre modalità di scarica.
Durante la scarica a resistenza-costante, la tensione operativa e la corrente di scarica della batteria diminuiscono gradualmente nel tempo. Allo stesso modo, in caso di scarica a corrente-costante, anche la tensione operativa diminuisce man mano che il processo di scarica continua. Questa diminuzione della tensione operativa con tempo di scarica prolungato è dovuta all'aumento della resistenza interna della batteria. Inoltre, con il crescente utilizzo della batteria negli utensili elettrici, nei veicoli elettrici e in altre applicazioni, la scarica di energia costante- sta diventando sempre più diffusa. Durante la scarica di potenza- costante, la tensione della batteria diminuisce continuamente mentre la corrente di scarica aumenta continuamente man mano che la scarica procede.
Corrente di scarica
Durante il funzionamento a batteria, la corrente che emette è chiamata corrente di scarica. La corrente di scarica viene comunemente chiamata anche velocità di scarica ed è spesso espressa utilizzando la tariffa oraria (nota anche come tariffa oraria) e il moltiplicatore.
La velocità di scarica si riferisce alla velocità con cui una batteria si scarica, misurata in tempo di scarica. Nello specifico, è il tempo necessario per liberare completamente la capacità della batteria utilizzando una specifica corrente di scarica, solitamente espressa in ore (h). Ad esempio, per una batteria con una capacità nominale di 10 A·h/2 A·h (A·h), se viene scaricata con una corrente di 2 A, la velocità di scarica corrispondente è di 5 ore (10 A·h/2 A=5h), il che significa che la batteria si scarica a una velocità di 5 ore.
La velocità di scarica si riferisce al valore corrente, espresso come multiplo della capacità nominale della batteria, quando la piena capacità della batteria viene completamente rilasciata entro un tempo specifico. Ad esempio, una scarica di 2C significa che la corrente di scarica è doppia rispetto alla capacità nominale della batteria, solitamente rappresentata da 2C (dove C rappresenta la capacità nominale della batteria). Per una batteria con una capacità nominale di 10 A·h, una scarica di 2 C (c'è un problema dimensionale, ovvero le unità di capacità e corrente non sono le stesse, ma questo è un uso comune, quindi non verrà modificato) significa che la corrente di scarica è 2 x 10=20 (A), corrispondente a una velocità di scarica di 0,5 ore. Diversi tipi e modelli di batterie hanno una diversa adattabilità alle condizioni di scarica: alcune sono più adatte per la scarica a bassa-corrente, mentre altre funzionano meglio a correnti elevate. Generalmente, le velocità di scarico inferiori o uguali a 0,5°C sono chiamate velocità basse; quelli tra 0,5°C e 3,5°C sono chiamati tassi medi; quelli tra 3,5°C e 7°C sono chiamati tassi elevati; e quelli che superano i 7°C sono chiamati tassi ultra-alti.
Tensione di terminazione
Durante la scarica della batteria, il valore della tensione iniziale è definito come tensione di funzionamento iniziale; quando la tensione scende ad una soglia in cui un'ulteriore scarica non è più adatta, questo punto di tensione è chiamato tensione di terminazione. Il valore specifico di questa tensione di terminazione viene solitamente impostato dal tester in base ai requisiti effettivi del test e all'esperienza passata.
La tensione di terminazione impostata varia a seconda delle diverse condizioni di scarica e del loro impatto sulla capacità e sulla durata della batteria. Tensioni di terminazione inferiori vengono generalmente utilizzate in ambienti a bassa-temperatura o in condizioni di scarica di corrente- elevata, mentre tensioni di terminazione più elevate vengono generalmente impostate in condizioni di scarica di bassa-corrente. Questo perché la polarizzazione tra gli elettrodi della batteria aumenta in modo significativo durante la scarica a bassa-temperatura o ad alta-corrente, con conseguente utilizzo incompleto dei materiali attivi e una caduta di tensione più rapida. Pertanto, abbassare adeguatamente la tensione di terminazione aiuta a rilasciare più energia. Al contrario, quando si utilizza la scarica a bassa-corrente, i componenti attivi della batteria vengono utilizzati in modo più completo. In questo caso, aumentando la tensione di terminazione per limitare la scarica profonda è possibile prolungare efficacemente la durata complessiva della batteria.
Temperatura ambiente
Come mostrato nella Figura 1-6, la temperatura ambiente ha un impatto significativo sulla curva di scarica. A temperature più elevate la curva di portata presenta un andamento relativamente dolce; tuttavia, man mano che la temperatura diminuisce, questo cambiamento diventa sempre più drastico. La ragione fondamentale è che alle basse temperature la velocità di migrazione degli ioni diminuisce, portando ad un aumento della resistenza ohmica interna. In casi estremi, se la temperatura è troppo bassa, l'elettrolito potrebbe congelare, ostacolando così il normale processo di scarica della batteria. Inoltre, a temperature più basse, la polarizzazione elettrochimica e la polarizzazione della concentrazione risultano corrispondentemente migliorate, accelerando ulteriormente il tasso di decadimento della curva di scarica.
Figura 1-6 Curve di scarica delle batterie al piombo-acido a diverse temperature ambiente
Capacità e capacità specifica
La capacità della batteria si riferisce alla quantità di elettricità che può essere ottenuta da una batteria in determinate condizioni di scarica. L'unità è solitamente espressa come ampere-ora (Ah). A seconda della situazione reale, la capacità della batteria può essere ulteriormente suddivisa in capacità teorica, capacità effettiva e capacità nominale.
La capacità teorica (Co) si riferisce alla quantità di elettricità che può essere fornita in condizioni ideali quando il materiale attivo partecipa pienamente alla reazione elettrochimica della batteria. Questo valore viene calcolato in base alla massa del materiale attivo, seguendo la legge di Faraday. La legge di Faraday afferma che esiste una relazione direttamente proporzionale tra la massa del materiale che partecipa alla reazione sull'elettrodo e la quantità di carica che trasferisce; quando 1 mole di materiale attivo partecipa al processo elettrochimico della batteria, può rilasciare una carica equivalente a 26,8 A·h o 1 farad (F). Pertanto esiste la seguente formula di calcolo:
Nella formula m è la massa del principio attivo quando reagisce completamente; n è il numero di elettroni guadagnati o persi durante la reazione di flusso; e M è la massa molare della sostanza attiva.
Nella formula K è chiamato l'equivalente elettrochimico della sostanza attiva.
Come mostrato nell'equazione (1.5), la capacità teorica di un elettrodo è correlata alla massa del materiale attivo e all'equivalente elettrochimico. A parità di massa di materiale attivo, minore è l'equivalente elettrochimico, maggiore è la capacità teorica. Gli equivalenti elettrochimici di alcuni materiali per elettrodi sono mostrati nella Tabella 1-3.
Tabella 1-3 Equivalenti elettrochimici di alcuni materiali per elettrodi
| Materiale dell'elettrodo negativo | Densità (g/cm³) | Capacità specifica (mAh/g) | Materiale dell'elettrodo positivo | Densità (g/cm³) | Capacità specifica (mAh/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | Fa | 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 |
Inoltre, vengono spesso utilizzati i concetti di capacità effettiva e capacità nominale. La capacità effettiva si riferisce alla quantità totale di elettricità che una batteria può fornire in condizioni di scarica specifiche. La capacità effettiva è limitata non solo dal valore massimo teorico ma anche dalle condizioni specifiche di scarico.
La capacità nominale, invece, è uno standard impostato per la batteria durante il processo di progettazione e produzione; ovvero la capacità di uscita minima che la batteria dovrebbe raggiungere in condizioni di scarica specificate, note anche come capacità nominale.
Quando si confrontano diversi tipi di batterie all'interno della stessa serie, per la valutazione viene generalmente utilizzata la capacità specifica. Nello specifico, la capacità specifica si riferisce alla quantità di elettricità che una batteria può fornire per unità di massa o volume, ovvero capacità specifica di massa (Ah/kg) e capacità specifica volumetrica (Ah/L). È importante notare che nel calcolare la massa e il volume di una batteria, oltre a considerare i materiali degli elettrodi e dell'elettrolita, devono essere presi in considerazione anche altri componenti della batteria, come l'involucro, il separatore e i relativi componenti conduttivi. Soprattutto per gli accumulatori e le celle a combustibile, la massa totale e il volume comprendono anche tutti gli equipaggiamenti ausiliari necessari, come ad esempio serbatoi per lo stoccaggio di liquidi, dispositivi di attivazione (per accumulatori), o sistemi di stoccaggio e fornitura di materiale attivo, sistemi di controllo, unità di riscaldamento, ecc. (per celle a combustibile).
Introducendo il concetto di capacità specifica possiamo confrontare le prestazioni di batterie di diverso tipo e dimensione. La capacità della batteria è divisa in capacità teorica e capacità effettiva; di conseguenza, la capacità specifica ha anche aspetti teorici e reali.
Energia ed energia specifica
L'energia della batteria si riferisce all'energia elettrica totale prodotta dalla batteria durante l'esecuzione del lavoro in condizioni di scarica specifiche, generalmente espressa in watt-ora (W·h). L'energia della batteria ha anche un'energia teorica e un'energia effettiva.
Supponendo che la batteria rimanga in equilibrio durante la scarica e che la sua tensione di scarica sia costante pari alla sua forza elettromotrice, e anche supponendo che tutti i materiali attivi partecipino alla reazione chimica, l'energia fornita dalla batteria dovrebbe essere uguale alla sua energia massima teorica Wo.
L'energia teorica di una batteria è il massimo lavoro non di volume svolto dalla batteria in condizioni di temperatura costante, pressione costante e scarica reversibile.
L'energia effettiva (W) si riferisce all'energia effettivamente fornita da una batteria in determinate condizioni di scarica. Si ottiene numericamente moltiplicando la capacità effettiva per la tensione operativa media. Poiché i materiali attivi all'interno della batteria non possono essere completamente utilizzati e la sua tensione operativa è solitamente inferiore alla forza elettromotrice teorica, l'energia effettiva è sempre inferiore all'energia teorica.
L'energia specifica si riferisce all'energia rilasciata da una batteria per unità di massa o unità di volume. La produzione di energia per unità di massa della batteria è definita come energia specifica di massa, generalmente misurata in watt-ora per chilogrammo (Wh/kg). L'energia prodotta per unità di volume della batteria è definita come energia specifica volumetrica, generalmente espressa in watt-ora per litro (Wh/L). Inoltre, il concetto di energia specifica può essere ulteriormente suddiviso in teorico (W) ed effettivo (W), dove l’energia specifica di massa teorica può essere calcolata utilizzando l’equazione (1.9):
Nella formula, K+ è l'equivalente elettrochimico del materiale dell'elettrodo positivo; K- è l'equivalente elettrochimico del materiale dell'elettrodo negativo; ed E è la forza elettromotrice della batteria.
Potenza e potenza specifica
La potenza della batteria si riferisce all'energia prodotta da una batteria per unità di tempo in condizioni di scarica specifiche e la sua unità di misura è watt (W) o kilowatt (kW). Quando si considera questa potenza in uscita in relazione alla massa o al volume della batteria, si ottiene il concetto di potenza specifica. Nello specifico, la potenza specifica di massa misura quanti watt di potenza può fornire una massa unitaria di batteria e la sua unità è W/kg; mentre la potenza specifica volumetrica riflette la potenza generata da un volume unitario di batteria e la sua unità corrispondente è W/L.
Potenza e potenza specifica indicano la velocità di scarica di una batteria. Una maggiore potenza della batteria significa che la batteria può scaricarsi a corrente elevata o a velocità elevate. Ad esempio, una batteria allo zinco-argento può raggiungere una potenza specifica di oltre 100 W/kg quando si scarica a una densità di corrente media, indicando una bassa resistenza interna e buone prestazioni di scarica ad alta- velocità. Al contrario, una batteria a secco allo zinco-manganese può raggiungere solo una potenza specifica di 10 W/kg quando funziona a bassa densità di corrente, indicando un'elevata resistenza interna e scarse prestazioni di scarica ad alta-velocità. Similmente all’energia della batteria, anche la potenza ha potenza teorica e potenza effettiva.
La potenza teorica di una batteria può essere espressa come:
Nella formula t è il tempo; Co è la capacità teorica della batteria; e io sono la corrente.
La potenza effettiva della batteria dovrebbe essere:
Nella formula I2R rappresenta la potenza consumata dalla resistenza interna della batteria. Questa potenza è inutile per il carico applicato; viene essenzialmente convertito in energia termica e rilasciato come calore.
Ciclo di vita
Per le batterie, la durata del ciclo o il ciclo di utilizzo è uno degli indicatori chiave per valutare le prestazioni della batteria. Ogni ciclo completo di carica-scarica è considerato un periodo di tempo per una batteria.
In condizioni specifiche di carica{0}}scarica, il numero di cicli che una batteria può sopportare prima che la sua capacità scenda a un determinato valore specificato viene definito come ciclo di vita o ciclo di utilizzo. Maggiore è il ciclo di vita, migliori saranno le prestazioni del ciclo della batteria. Diversi tipi di batterie presentano cicli di vita diversi; ad esempio, le batterie al nichel-cadmio possono raggiungere migliaia di cicli, mentre le batterie allo zinco-argento hanno un numero relativamente inferiore di cicli, alcune anche meno di cento. Vale la pena notare che anche le batterie dello stesso tipo possono avere cicli di vita diversi a causa delle differenze nella loro struttura interna.
La durata del ciclo di una batteria è influenzata da una varietà di fattori. Oltre all'uso e alla manutenzione corretti, si applicano anche i seguenti aspetti chiave: ① Durante i cicli di carica-scarica, la superficie del materiale attivo diminuisce gradualmente, portando ad un aumento della densità di corrente operativa e ad un'intensificazione della polarizzazione; ② I componenti attivi sugli elettrodi potrebbero staccarsi o trasferirsi; ③ Durante il funzionamento a batteria, alcuni materiali degli elettrodi potrebbero essere corrosi; ④ I dendriti formati sugli elettrodi durante il ciclo possono causare cortocircuiti all'interno della batteria; ⑤ Il separatore potrebbe essere danneggiato; ⑥ La morfologia cristallina del materiale attivo cambia durante cicli ripetuti di carica-scarica, riducendone così l'attività.
Prestazioni di archiviazione
Le prestazioni di conservazione della batteria si riferiscono al grado di perdita naturale di energia all'interno della batteria quando si trova in uno stato di circuito aperto-in condizioni ambientali specifiche (come temperatura e umidità). Questo fenomeno è noto anche come auto-scarica. Se la percentuale di perdita di energia durante lo stoccaggio è piccola, ciò indica che la batteria ha eccellenti prestazioni di stoccaggio.
Quando una batteria si trova in uno stato di circuito-aperto, anche se non fornisce energia elettrica verso l'esterno, subisce comunque un processo di autoscarica-. Questo fenomeno è dovuto principalmente all'instabilità termodinamica degli elettrodi nell'ambiente elettrolitico, che porta a reazioni redox spontanee tra gli elettrodi. Anche in condizioni asciutte, se la tenuta non è sufficientemente ermetica, l'infiltrazione di fattori esterni come aria o umidità può comunque innescare un effetto di autoscaricamento all'interno della batteria.
Il tasso di autoscaricamento-può anche essere espresso come il numero di giorni necessari affinché la capacità della batteria diminuisca fino a un valore specificato quando conservata, noto come durata di conservazione. Esistono durate di conservazione a secco e durata di conservazione a umido. Ad esempio, un accumulatore, senza aggiungere elettrolito prima dell'uso, può essere conservato a lungo; una batteria di questo tipo può avere una lunga durata di conservazione a secco. La conservazione con elettrolita è detta conservazione a umido; lo stoccaggio in ambienti umidi comporta un effetto di autoscarica-più forte e una durata di conservazione in ambienti umidi relativamente più breve. Ad esempio, una batteria allo zinco-argento può avere una durata di conservazione a secco di 5–8 anni, mentre la sua durata di conservazione a umido è in genere solo di pochi mesi.