Гүйцэтгэлийн хамгийн чухал шинж чанаруудын нэгэрчим хүч хадгалах батерейнууднь тэдний цэнэгийн гүйцэтгэл юм. Өөр өөр нөхцөлд батерейны цэнэг алдалтын шинж чанарыг тодорхойлохын тулд зайны цэнэгийн муруйг хэмжих шаардлагатай бөгөөд энэ нь ихэвчлэн цэнэгийн цэнэгийн цаг хугацааны өөрчлөлтийг харуулсан муруй юм. Янз бүрийн гадагшлуулах нөхцлүүд нь гадагшлуулах стратегиар тодорхойлогддог бөгөөд өөр өөр стратеги нь гадагшлуулах янз бүрийн муруйг үүсгэдэг. Цэнэглэх стратегид ихэвчлэн цэнэгийн арга, цэнэгийн гүйдэл, төгсгөлийн хүчдэл, орчны температур орно.
Цутгах арга
Батерейг цэнэглэх гурван арга байдаг: тогтмол гүйдлийн цэнэггүйдэл, тогтмол эсэргүүцлийн цэнэггүйдэл, тогтмол цэнэгийн цэнэггүйдэл. Ердийн урсацын муруйг Зураг 1-5-д үзүүлсэн бөгөөд энэ гурван цэнэгийн горимын дагуу цэнэгийн гүйдэл, хүчдэл, цэнэгийн цэнэгийн цэнэгийн өөрчлөлтийг харуулсан болно.
Тогтмол{0}}эсэргүүцэл цэнэггүй байх үед батерейны ажиллах хүчдэл болон цэнэгийн гүйдэл цаг хугацааны явцад аажмаар буурдаг. Үүний нэгэн адил, тогтмол{2}}гүйдлийн цэнэгийн үед цэнэгийн гүйдэл үргэлжлэх үед ажиллах хүчдэл мөн буурдаг. Удаан хугацаагаар цэнэггүй болох үед ажиллах хүчдэлийн энэхүү бууралт нь батерейны дотоод эсэргүүцэл нэмэгдсэнтэй холбоотой юм. Цаашилбал, цахилгаан хэрэгсэл, цахилгаан тээврийн хэрэгсэл болон бусад хэрэглээнд батерейны хүчийг ашиглах нь нэмэгдэж байгаа тул тогтмол-цахилгаан цэнэг алдагдах нь түгээмэл болж байна. Тогтмол -цахилгаан цэнэггүй болох үед батерейны хүчдэл тасралтгүй буурч, цэнэг алдагдах тусам цэнэгийн гүйдэл тасралтгүй нэмэгддэг.
Цэнэглэх гүйдэл
Батерейг ажиллуулах явцад түүний гаргаж буй гүйдлийг цэнэгийн гүйдэл гэж нэрлэдэг. Цэнэглэх гүйдлийг ихэвчлэн цэнэгийн хурд гэж нэрлэдэг бөгөөд ихэвчлэн цагийн хурд (мөн цагийн хурд гэж нэрлэдэг) болон үржүүлэгчийг ашиглан илэрхийлдэг.
Цэнэглэх хурд гэдэг нь цэнэггүй болох хугацаанд хэмжигдэх батерейг цэнэглэх хурдыг хэлнэ. Тодруулбал, энэ нь тодорхой цэнэгийн гүйдлийг ашиглан батерейны хүчин чадлыг бүрэн гаргахад шаардагдах хугацаа бөгөөд ихэвчлэн цагаар (h) илэрхийлэгддэг. Жишээлбэл, 10 ам{3}}цаг (A·h) хүчин чадалтай батерейны хувьд 2А гүйдлээр цэнэггүй болсон тохиолдолд харгалзах цэнэгийн цэнэгийн хурд нь 5 цаг (10А·ц/2А=5цаг) бөгөөд энэ нь батерейг 5 цагийн хурдтайгаар цэнэглэж байна гэсэн үг.
Цэнэглэх хурд гэдэг нь батерейны бүрэн хүчин чадлыг тодорхой хугацаанд бүрэн суллах үед батерейны нэрлэсэн хүчин чадлын үржвэрээр илэрхийлэгдэх одоогийн утгыг хэлнэ. Жишээлбэл, 2С цэнэггүйдэл гэдэг нь цэнэгийн гүйдэл нь батерейны нэрлэсэн хүчин чадлаас хоёр дахин их байна гэсэн үг бөгөөд ихэвчлэн 2С-ээр илэрхийлэгддэг (C нь батерейны нэрлэсэн хүчин чадлыг илэрхийлдэг). 10А·цаг нэрлэсэн хүчин чадалтай батерейны хувьд 2С цэнэггүйдэл (энд хэмжээст асуудал байна, өөрөөр хэлбэл, хүчин чадал ба гүйдлийн нэгжүүд нь ижил биш, гэхдээ энэ нь нийтлэг хэрэглээ тул үүнийг өөрчлөхгүй) цэнэгийн гүйдэл нь 2 x 10=20 (A) гэсэн үг бөгөөд энэ нь 0.5 цагийн цэнэгийн хурдтай тохирч байна. Батерейны төрөл, загвар нь цэнэгийн цэнэгийн нөхцөлд өөр өөр дасан зохицох чадвартай байдаг: зарим нь бага гүйдлийн цэнэгт- тохиромжтой байдаг бол зарим нь өндөр гүйдэлд илүү сайн ажилладаг. Ерөнхийдөө 0.5С-ээс бага буюу түүнтэй тэнцэх цэнэгийн хэмжээг бага гэж нэрлэдэг; 0.5С-аас 3.5С-ийн хоорондох температурыг дунд зэрэг гэж нэрлэдэг; 3.5С-аас 7С-ийн хоорондох температурыг өндөр гэж нэрлэдэг; мөн 7С-ээс дээш температурыг хэт өндөр хэм- гэж нэрлэдэг.
Төгсгөлийн хүчдэл
Зайг цэнэггүй болгох үед анхны хүчдэлийн утгыг эхлэх ажиллагааны хүчдэл гэж тодорхойлдог; Хүчдэл нь цаашдын цэнэггүй болох босго хүртэл буурах үед энэ хүчдэлийн цэгийг төгсгөлийн хүчдэл гэж нэрлэдэг. Энэхүү төгсгөлийн хүчдэлийн тодорхой утгыг ихэвчлэн туршилтын бодит шаардлага болон өнгөрсөн туршлага дээр үндэслэн шалгагч тогтоодог.
Тогтоосон дуусгах хүчдэл нь цэнэгийн янз бүрийн нөхцөл, тэдгээрийн батерейны хүчин чадал, ашиглалтын хугацаанд үзүүлэх нөлөөллөөс хамаарч өөр өөр байдаг. Доод төгсгөлийн хүчдэлийг ихэвчлэн бага{1}}температуртай орчинд эсвэл өндөр-гүйдлийн цэнэгийн нөхцөлд ашигладаг бол өндөр төгсгөлийн хүчдэлийг ихэвчлэн бага-гүйдлийн цэнэгийн нөхцөлд тохируулдаг. Учир нь бага{5}}температур эсвэл өндөр гүйдлийн цэнэгийн үед батерейны электродуудын хоорондох туйлшрал ихээхэн нэмэгдэж, идэвхтэй материалыг бүрэн ашиглахгүй, хүчдэл хурдан унадаг. Тиймээс төгсгөлийн хүчдэлийг зохих ёсоор бууруулах нь илүү их энерги гаргахад тусалдаг. Эсрэгээр, бага-гүйдлийн цэнэгийг ашиглах үед батерейны идэвхтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг илүү бүрэн ашигладаг. Энэ тохиолдолд гүн цэнэгийг хязгаарлахын тулд төгсгөлийн хүчдэлийг нэмэгдүүлэх нь батерейны ашиглалтын хугацааг үр дүнтэйгээр уртасгах боломжтой.
Орчны температур
1-6-р зурагт үзүүлснээр орчны температур нь гадагшлуулах муруйд ихээхэн нөлөөлдөг. Илүү өндөр температурт урсах муруй нь харьцангуй зөөлөн хандлагыг харуулдаг; гэхдээ температур буурах тусам энэ өөрчлөлт улам бүр хүчтэй болдог. Үүний үндсэн шалтгаан нь бага температурт ионуудын шилжилтийн хурд буурч, омын дотоод эсэргүүцэл нэмэгдэхэд хүргэдэг. Хэт их тохиолдолд, хэрэв температур хэт бага байвал электролит нь хөлдөж, улмаар батерейны хэвийн цэнэггүй байдалд саад учруулж болзошгүй юм. Цаашилбал, бага температурт цахилгаан химийн туйлшрал ба концентрацийн туйлшрал зэрэг нь нэмэгдэж, цэнэгийн муруйн задралын хурдыг улам бүр нэмэгдүүлнэ.
Зураг 1-6 Орчны янз бүрийн температурт хар тугалганы хүчлийн батерейны цэнэгийн муруй
Хүчин чадал ба тусгай хүчин чадал
Зайны хүчин чадал гэдэг нь тодорхой цэнэггүй нөхцөлд батерейгаас авч болох цахилгааны хэмжээг хэлнэ. Нэгжийг ихэвчлэн ампер-цаг (Ah) хэлбэрээр илэрхийлдэг. Бодит нөхцөл байдлаас хамааран зайны багтаамжийг онолын хүчин чадал, бодит хүчин чадал, нэрлэсэн хүчин чадал гэж хувааж болно.
Онолын хүчин чадал (Co) нь идэвхтэй материал нь батерейны цахилгаан химийн урвалд бүрэн оролцох үед хамгийн тохиромжтой нөхцөлд өгч болох цахилгааны хэмжээг хэлнэ. Энэ утгыг Фарадейгийн хуулийн дагуу идэвхтэй материалын масс дээр үндэслэн тооцдог. Фарадейгийн хуульд электрод дахь урвалд оролцож буй материалын масс болон түүний шилжүүлсэн цэнэгийн хэмжээ хоёрын хооронд шууд пропорциональ хамаарал байдаг гэж заасан; 1 моль идэвхтэй бодис нь батерейны цахилгаан химийн процесст оролцох үед 26.8 A·h буюу 1 фарад (F)-тэй тэнцэх цэнэгийг ялгаруулж чадна. Тиймээс дараахь тооцооллын томъёо байна.
Томъёонд m нь бүрэн урвалд орох үед идэвхтэй бодисын масс; n - урсгалын урвалын явцад олж авсан эсвэл алдсан электронуудын тоо; ба M нь идэвхтэй бодисын молийн масс юм.
Томъёонд K нь идэвхтэй бодисын электрохимийн эквивалент гэж нэрлэгддэг.
Тэгшитгэл (1.5)-д үзүүлснээр электродын онолын хүчин чадал нь идэвхтэй материалын масс ба цахилгаан химийн эквиваленттай холбоотой. Идэвхтэй материалын ижил масстай бол цахилгаан химийн эквивалент бага байх тусам онолын хүчин чадал их болно. Зарим электродын материалын цахилгаан химийн эквивалентыг 1-3-р хүснэгтэд үзүүлэв.
Хүснэгт 1-3 Зарим электродын материалын цахилгаан химийн эквивалент
| Сөрөг электродын материал | Нягт (г/см³) | Тусгай хүчин чадал (mA·h/g) | Эерэг электродын материал | Нягт (г/см³) | Тусгай хүчин чадал (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Ли | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | AgO | 7.4 | 2.31 |
| Ал | 2.699 | 0.335 | SO₂ | 1.37 | 2.38 |
| Fe | 7.85 | 1.04 | MnO₂ | 5.0 | 3.24 |
| Zn | 7.1 | 1.22 | NiOOOH | 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 |
Үүнээс гадна бодит хүчин чадал, нэрлэсэн хүчин чадал гэсэн ойлголтыг ихэвчлэн ашигладаг. Бодит хүчин чадал гэдэг нь тодорхой цэнэггүй нөхцөлд батерейг хангаж чадах нийт цахилгаан эрчим хүчийг хэлнэ. Бодит хүчин чадал нь зөвхөн онолын хамгийн их утгаар хязгаарлагдахаас гадна гадагшлуулах тодорхой нөхцлөөр хязгаарлагддаг.
Нөгөө талаас нэрлэсэн хүчин чадал нь дизайн, үйлдвэрлэлийн явцад батерейны стандарт багц юм; өөрөөр хэлбэл, нэрлэсэн хүчин чадал гэж нэрлэгддэг батерейг цэнэглэх тодорхой нөхцөлд хүрэх ёстой хамгийн бага гаралтын хүчин чадал.
Нэг цувралын өөр өөр төрлийн батерейг харьцуулахдаа үнэлгээнд тусгай хүчин чадлыг ашигладаг. Тодруулбал, тусгай хүчин чадал гэдэг нь батерейны нэгж масс эсвэл эзэлхүүнээр хангаж чадах цахилгааны хэмжээг, өөрөөр хэлбэл массын хувийн багтаамж (Ah / кг) болон эзэлхүүний хувийн багтаамж (Ah / L) юм. Батерейны масс ба эзэлхүүнийг тооцоолохдоо электродын материал, электролитээс гадна зайны бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүд, тухайлбал бүрээс, тусгаарлагч болон холбогдох дамжуулагч хэсгүүдийг харгалзан үзэх шаардлагатай гэдгийг анхаарах нь чухал юм. Ялангуяа хадгалах зай, түлшний эсийн хувьд нийт масс, эзэлхүүн нь шингэн хадгалах сав, идэвхжүүлэх төхөөрөмж (хадгалах батерейны хувьд) эсвэл идэвхтэй материалыг хадгалах, нийлүүлэх систем, хяналтын систем, халаалтын нэгж гэх мэт (түлшний эсийн хувьд) зэрэг шаардлагатай бүх туслах хэрэгслийг багтаасан болно.
Тодорхой хүчин чадлын тухай ойлголтыг нэвтрүүлснээр бид янз бүрийн төрөл, хэмжээтэй батерейны гүйцэтгэлийг харьцуулж болно. Зайны хүчин чадал нь онолын хүчин чадал, бодит хүчин чадалд хуваагддаг; Үүний дагуу тодорхой хүчин чадал нь онолын болон бодит талуудтай байдаг.
Эрчим хүч ба тодорхой энерги
Зайны энерги гэдэг нь цэнэгийн тодорхой нөхцлөөр ажил гүйцэтгэх үед батарейгаас гаргаж буй нийт цахилгаан энергийг хэлнэ, ерөнхийдөө ватт{0}}цаг (W·h)-ээр илэрхийлнэ. Зайны энерги нь онолын энерги болон бодит энергитэй байдаг.
Батерейг цэнэггүй болгох үед тэнцвэрт байдалд байх ба цэнэгийн хүчдэл нь цахилгаан хөдөлгөх хүчинтэй тэнцүү гэж үзвэл, мөн бүх идэвхтэй бодисууд химийн урвалд оролцдог гэж үзвэл батерейны энерги нь онолын хамгийн их энерги Wo-тэй тэнцүү байх ёстой.
Батерейны онолын энерги нь тогтмол температур, тогтмол даралт, урвуу цэнэггүй цэнэгийн нөхцөлд-батарейн гүйцэтгэсэн эзэлхүүний бус хамгийн их ажил юм.
Бодит эрчим хүч (W) гэдэг нь тодорхой цэнэггүй нөхцөлд батерейгаас өгсөн эрчим хүчийг хэлнэ. Бодит хүчин чадлыг ажлын дундаж хүчдэлээр үржүүлэх замаар тоон утгаараа гарна. Зайны доторх идэвхтэй материалыг бүрэн ашиглах боломжгүй, түүний ажиллах хүчдэл нь ихэвчлэн онолын цахилгаан хөдөлгөгч хүчнээс бага байдаг тул бодит энерги нь онолын энергиэс үргэлж бага байдаг.
Тусгай энерги гэдэг нь батерейгаас нэгж масс эсвэл нэгж эзэлхүүнээр ялгарах энергийг хэлнэ. Батерейны нэгж массын эрчим хүчний гаралтыг жингийн хувийн энерги гэж тодорхойлдог бөгөөд үүнийг ихэвчлэн килограмм тутамд ватт{1}}цагаар (Вт.ц/кг) хэмждэг. Батерейны нэгж эзэлхүүн дэх эрчим хүчний гаралтыг эзлэхүүний хувийн энерги гэж тодорхойлдог бөгөөд үүнийг ихэвчлэн литр тутамд ватт-цагаар (Вт/л) илэрхийлдэг. Цаашилбал, хувийн энергийн тухай ойлголтыг онолын (W) ба бодит (W) гэж хувааж болох бөгөөд онолын массын хувийн энергийг тэгшитгэл (1.9) ашиглан тооцоолж болно:
Томъёонд K+ нь эерэг электродын материалын цахилгаан химийн эквивалент; K- нь сөрөг электродын материалын цахилгаан химийн эквивалент; ба E нь батерейны цахилгаан хөдөлгөгч хүч юм.
Хүч чадал ба тодорхой хүч
Батерейны хүч гэдэг нь тодорхой цэнэггүй нөхцөлд батерейны эрчим хүчний гаралтыг хэлдэг бөгөөд түүний хэмжих нэгж нь ватт (Вт) эсвэл киловатт (кВт) юм. Энэхүү гаралтын хүчийг батерейны масс эсвэл эзэлхүүнтэй холбон авч үзвэл тодорхой чадлын тухай ойлголтыг олж авна. Тодруулбал, массын тодорхой хүч чадал нь батерейны массын нэгж хэдэн ватт эрчим хүч гаргаж чадахыг хэмждэг бөгөөд түүний нэгж нь Вт / кг; эзэлхүүний хувийн хүч нь батерейны нэгж эзэлхүүнээс үүссэн хүчийг тусгадаг бөгөөд түүнд харгалзах нэгж нь Вт / л байна.
Эрчим хүч ба тодорхой хүч нь батерейны цэнэгийн хурдыг илэрхийлдэг. Батерейны хүч өндөр байх нь батерейг өндөр гүйдэл эсвэл өндөр хурдаар цэнэглэж чадна гэсэн үг юм. Жишээ нь, цайрын{2}}мөнгөн батерей нь дунд гүйдлийн нягтралтай цэнэг цэнэглэх үед 100 Вт/кг-аас дээш хүчин чадалтай бөгөөд энэ нь дотоод эсэргүүцэл багатай, өндөр цэнэгийн-харьцаа сайн байгааг харуулж байна. Үүний эсрэгээр, цайрын{6}}манганы хуурай эсийн батерей нь бага гүйдлийн нягттай ажиллах үед зөвхөн 10 Вт/кг тодорхой чадалд хүрч чаддаг бөгөөд энэ нь дотоод эсэргүүцэл өндөр, цэнэгийн цэнэгийн өндөр-байдлыг харуулж байна. Зайны энергитэй адил эрчим хүч нь онолын хүч болон бодит чадалтай байдаг.
Батерейны онолын хүчийг дараах байдлаар илэрхийлж болно.
Томъёонд t нь цаг хугацаа; Co - батерейны онолын хүчин чадал; мөн би бол одоогийн.
Батерейны бодит хүчин чадал нь дараахь байх ёстой.
Томъёонд И2R нь батерейны дотоод эсэргүүцлийн зарцуулсан хүчийг илэрхийлнэ. Энэ хүч нь хэрэглэсэн ачаалалд ашиггүй; Энэ нь үндсэндээ дулааны энерги болж хувирч, дулаан хэлбэрээр ялгардаг.
Амьдралын мөчлөг
Батерейны хувьд ашиглалтын хугацаа эсвэл ашиглалтын мөчлөг нь батерейны гүйцэтгэлийг үнэлэх гол үзүүлэлтүүдийн нэг юм. Бүрэн цэнэглэх{1}}цэнэглэх хугацаа бүрийг батерейны хугацаа гэж үзнэ.
Тодорхой цэнэглэх{0}}нөхцөлд батерейны хүчин чадал нь тодорхой заасан утга хүртэл буурахаас өмнө тэсвэрлэх циклийн тоог түүний ашиглалтын хугацаа эсвэл ашиглалтын мөчлөг гэж тодорхойлдог. Циклийн ашиглалтын хугацаа урт байх тусам батерейны мөчлөгийн гүйцэтгэл сайжирна. Янз бүрийн төрлийн батерейнууд өөр өөр мөчлөгийн насыг харуулдаг; жишээлбэл, никель{3}}кадми батерейнууд хэдэн мянган цикл хийх боломжтой бол цайрын{4}}мөнгөн батерейнууд харьцангуй цөөн, зарим нь зуу хүрэхгүй циклтэй байдаг. Нэг төрлийн батерейнууд ч гэсэн дотоод бүтцийн ялгаатай байдлаас шалтгаалан өөр өөр хугацаатай байдаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Батерейны ашиглалтын хугацаа нь янз бүрийн хүчин зүйлээс хамаардаг. Зохистой ашиглалт, засвар үйлчилгээнээс гадна дараах гол хүчин зүйлүүд бас хамаарна: ① Цэнэглэх{1}}цэнэглэх мөчлөгийн үед идэвхтэй материалын гадаргуугийн талбай аажмаар багасч, үйл ажиллагааны гүйдлийн нягтрал нэмэгдэж, туйлшрал эрчимждэг; ② Электродууд дээрх идэвхтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүд салж эсвэл шилжиж болно; ③ Зайг ажиллуулах явцад электродын зарим материал зэвэрч болзошгүй; ④ Унадаг дугуйн үед электродууд дээр үүссэн дендрит нь зайны дотор богино холболт үүсгэж болзошгүй; ⑤ Тусгаарлагч гэмтсэн байж болзошгүй; ⑥ Идэвхтэй материалын талст морфологи нь дахин цэнэглэгдэх-цахилгаануудын үед өөрчлөгдөж, улмаар идэвхийг нь бууруулдаг.
Хадгалалтын гүйцэтгэл
Батерейны хадгалалтын гүйцэтгэл нь хүрээлэн буй орчны тодорхой нөхцөлд (температур, чийгшил гэх мэт) нээлттэй-хэлхээний төлөвт байх үед батарей доторх байгалийн эрчим хүчний алдагдлын зэргийг хэлнэ. Энэ үзэгдлийг өөрөө-цацах гэж бас нэрлэдэг. Хадгалах явцад эрчим хүчний алдагдлын хувь хэмжээ бага байвал энэ нь батерей нь маш сайн хадгалах чадвартай болохыг харуулж байна.
Батерей нь нээлттэй-хэлхээний төлөвт байгаа хэдий ч гаднаас цахилгаан эрчим хүч нийлүүлдэггүй ч өөрөө- цэнэггүй болдог. Энэ үзэгдэл нь электролитийн орчин дахь электродын термодинамик тогтворгүй байдлаас голчлон электродуудын хооронд аяндаа исэлдэх урвалд хүргэдэг. Хуурай нөхцөлд ч битүүмжлэл нь хангалттай нягт биш байсан ч агаар, чийг зэрэг гадны хүчин зүйлсийн нэвчилт нь батерейны дотор- өөрөө цэнэггүй болох нөлөөг өдөөдөг.
Хадгалах хугацаа гэж нэрлэгддэг батерейны хүчин чадал тодорхой хэмжээнд хүртэл буурахад шаардагдах- өдрийн тоогоор мөн өөрийгөө цэнэглэх хурдыг илэрхийлж болно. Хуурай болон нойтон хадгалах хугацаа гэж байдаг. Жишээлбэл, хадгалах батерейг хэрэглэхээс өмнө электролит нэмэлгүйгээр удаан хугацаагаар хадгалах боломжтой; ийм батерейг удаан хугацаагаар хуурай байлгах боломжтой. Электролит бүхий хадгалалтыг нойтон агуулах гэж нэрлэдэг; нойтон хадгалах нь илүү хүчтэй-өөрийгөө гадагшлуулах нөлөө үзүүлж, нойтон хадгалах хугацааг харьцангуй богиносгодог. Жишээлбэл, цайрын{6}}мөнгөн батерей нь хуурай нөхцөлд 5-8 жил, чийгтэй үед хэдхэн сар хадгалагддаг.