أداء التفريغ لبطاريات تخزين الطاقة

واحدة من أهم خصائص الأداءبطاريات تخزين الطاقةهو أداء التفريغ. لتوصيف سلوك تفريغ البطارية في ظل ظروف مختلفة، من الضروري قياس منحنى تفريغ البطارية، والذي عادة ما يكون منحنى يوضح تغير جهد التفريغ مع مرور الوقت. تتميز ظروف التفريغ المختلفة باستراتيجيات التفريغ، وستؤدي استراتيجيات التفريغ المختلفة إلى منحنيات تفريغ مختلفة. تتضمن استراتيجيات التفريغ عادةً طريقة التفريغ، وتيار التفريغ، وجهد الإنهاء، ودرجة الحرارة المحيطة.

طريقة التفريغ

هناك ثلاث طرق يمكن للبطارية تفريغها: التفريغ المستمر للتيار، والتفريغ المستمر للمقاومة، والتفريغ المستمر للطاقة. تظهر منحنيات التفريغ النموذجية في الشكل 1-5، الذي يوضح التغيرات في تيار التفريغ، والجهد، والطاقة خلال وقت التفريغ في ظل أوضاع التفريغ الثلاثة هذه.

أثناء تفريغ المقاومة الثابتة-، ينخفض ​​جهد تشغيل البطارية وتيار التفريغ تدريجيًا بمرور الوقت. وبالمثل، في ظل التفريغ الحالي-الثابت، ينخفض ​​جهد التشغيل أيضًا مع استمرار عملية التفريغ. يرجع هذا الانخفاض في جهد التشغيل مع وقت التفريغ الطويل إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية. علاوة على ذلك، مع الاستخدام المتزايد لطاقة البطارية في أدوات الطاقة والمركبات الكهربائية والتطبيقات الأخرى، أصبح التفريغ المستمر للطاقة-أكثر انتشارًا. أثناء التفريغ المستمر للطاقة-، ينخفض ​​جهد البطارية بشكل مستمر بينما يزيد تيار التفريغ باستمرار مع تقدم التفريغ.

تيار التفريغ

أثناء تشغيل البطارية، يسمى التيار الذي تخرجه بتيار التفريغ. يشار إلى تيار التفريغ أيضًا بمعدل التفريغ، وغالبًا ما يتم التعبير عنه باستخدام معدل الساعة (المعروف أيضًا باسم معدل الساعة) والمضاعف.

يشير معدل التفريغ إلى معدل تفريغ البطارية، ويتم قياسه في وقت التفريغ. على وجه التحديد، هو الوقت اللازم لتحرير سعة البطارية بالكامل باستخدام تيار تفريغ محدد، يتم التعبير عنه عادةً بالساعات (ح). على سبيل المثال، بالنسبة للبطارية ذات السعة المقدرة 10 أمبير-ساعة (A·h)، إذا تم تفريغها بتيار 2A، فإن معدل التفريغ المقابل هو 5 ساعات (10A·h/2A=5h)، مما يعني أن البطارية يتم تفريغها بمعدل 5 ساعات.

يشير معدل التفريغ إلى القيمة الحالية، معبرًا عنها بمضاعفات السعة المقدرة للبطارية، عندما يتم تحرير السعة الكاملة للبطارية بالكامل خلال فترة زمنية محددة. على سبيل المثال، يعني التفريغ 2C أن تيار التفريغ هو ضعف السعة المقدرة للبطارية، وعادةً ما يتم تمثيله بـ 2C (حيث تمثل C السعة المقدرة للبطارية). بالنسبة للبطارية ذات السعة المقدرة 10A·h، فإن تفريغ 2C (توجد مشكلة في الأبعاد هنا، أي أن وحدات السعة والتيار ليست متماثلة، ولكن هذا استخدام شائع، لذلك لن يتم تغييره) يعني أن تيار التفريغ هو 2 × 10=20 (A)، وهو ما يتوافق مع معدل تفريغ قدره 0.5h. تتميز أنواع البطاريات وتصميماتها المختلفة بقدرة مختلفة على التكيف مع ظروف التفريغ: فبعضها أكثر ملاءمة لتفريغ التيار المنخفض-، بينما يعمل البعض الآخر بشكل أفضل عند التيارات العالية. بشكل عام، تسمى معدلات التفريغ الأقل من أو تساوي 0.5 درجة مئوية بالمعدلات المنخفضة؛ وتسمى تلك التي تتراوح بين 0.5 درجة مئوية و3.5 درجة مئوية بالمعدلات المتوسطة؛ وتسمى تلك التي تتراوح بين 3.5 درجة مئوية و7 درجات مئوية بمعدلات عالية؛ وتلك التي تتجاوز 7 درجات مئوية تسمى بالمعدلات العالية جدًا.

إنهاء الجهد

أثناء تفريغ البطارية، يتم تعريف قيمة الجهد الأولي على أنها جهد التشغيل الأولي؛ عندما ينخفض ​​الجهد إلى عتبة حيث لا يعد التفريغ الإضافي مناسبًا، تسمى نقطة الجهد هذه بجهد الإنهاء. عادةً ما يتم تعيين القيمة المحددة لجهد الإنهاء هذا بواسطة جهاز الاختبار بناءً على متطلبات الاختبار الفعلية والخبرة السابقة.

يختلف جهد الإنهاء المحدد وفقًا لظروف التفريغ المختلفة وتأثيرها على سعة البطارية وعمرها. عادةً ما يتم استخدام الفولتية الطرفية المنخفضة في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة- أو في ظل ظروف تفريغ التيار-العالية، في حين يتم تعيين الفولتية الأعلى عادة في ظل ظروف التفريغ الحالية-المنخفضة. وذلك لأن الاستقطاب بين أقطاب البطارية يزداد بشكل ملحوظ أثناء درجة الحرارة المنخفضة-أو تفريغ التيار العالي-، مما يؤدي إلى عدم اكتمال استخدام المواد النشطة وانخفاض الجهد بشكل أسرع. ولذلك، فإن خفض جهد الإنهاء بشكل مناسب يساعد على إطلاق المزيد من الطاقة. وعلى العكس من ذلك، عند استخدام تفريغ تيار منخفض-، يتم استخدام المكونات النشطة في البطارية بشكل كامل. في هذه الحالة، فإن زيادة جهد الإنهاء للحد من التفريغ العميق يمكن أن يؤدي بشكل فعال إلى إطالة العمر الإجمالي للبطارية.

درجة الحرارة المحيطة

وكما هو مبين في الشكل 1-6، فإن درجة الحرارة المحيطة لها تأثير كبير على منحنى التفريغ. في درجات الحرارة المرتفعة، يُظهر منحنى التفريغ اتجاهًا لطيفًا نسبيًا؛ ومع ذلك، مع انخفاض درجة الحرارة، يصبح هذا التغيير جذريًا بشكل متزايد. السبب الأساسي هو أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، ينخفض ​​معدل هجرة الأيونات، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية الأومية. في الحالات القصوى، إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، فقد يتجمد المنحل بالكهرباء، مما يعيق عملية التفريغ الطبيعية للبطارية. علاوة على ذلك، في درجات الحرارة المنخفضة، يتم تعزيز الاستقطاب الكهروكيميائي واستقطاب التركيز بشكل مماثل، مما يزيد من تسريع معدل اضمحلال منحنى التفريغ.

الشكل 1-6 منحنيات تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية عند درجات حرارة محيطة مختلفة

القدرة والقدرة المحددة

تشير سعة البطارية إلى كمية الكهرباء التي يمكن الحصول عليها من البطارية في ظل ظروف تفريغ معينة. يتم التعبير عن الوحدة عادةً بوحدة الأمبير-ساعة (Ah). اعتمادًا على الوضع الفعلي، يمكن تقسيم سعة البطارية إلى سعة نظرية وقدرة فعلية وقدرة مقدرة.

تشير السعة النظرية (Co) إلى كمية الكهرباء التي يمكن توفيرها في ظل ظروف مثالية عندما تشارك المادة النشطة بشكل كامل في التفاعل الكهروكيميائي للبطارية. يتم حساب هذه القيمة على أساس كتلة المادة الفعالة، وفقًا لقانون فاراداي. ينص قانون فاراداي على وجود علاقة تناسب طردية بين كتلة المادة المشاركة في التفاعل عند القطب وكمية الشحنة التي ينقلها؛ عندما يشارك 1 مول من المادة النشطة في العملية الكهروكيميائية للبطارية، فإنها يمكن أن تطلق شحنة تعادل 26.8 A·h أو 1 فاراد (F). لذلك، توجد صيغة الحساب التالية:

في الصيغة، m هي كتلة المادة الفعالة عندما تتفاعل بشكل كامل؛ n هو عدد الإلكترونات المكتسبة أو المفقودة أثناء تفاعل التدفق؛ وM هي الكتلة المولية للمادة الفعالة.

في الصيغة، يسمى K المعادل الكهروكيميائي للمادة الفعالة.

وكما هو مبين في المعادلة (1.5)، ترتبط السعة النظرية للقطب الكهربائي بكتلة المادة الفعالة والمكافئ الكهروكيميائي. وبنفس كتلة المادة الفعالة، كلما كان المكافئ الكهروكيميائي أصغر، زادت القدرة النظرية. يتم عرض المعادلات الكهروكيميائية لبعض مواد الأقطاب الكهربائية في الجدول 1-3.

جدول 1-3 المكافئات الكهروكيميائية لبعض مواد الأقطاب الكهربائية

بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم استخدام مفاهيم القدرة الفعلية والقدرة المقدرة. تشير السعة الفعلية إلى إجمالي كمية الكهرباء التي يمكن أن توفرها البطارية في ظل ظروف تفريغ محددة. السعة الفعلية محدودة ليس فقط بالقيمة القصوى النظرية ولكن أيضًا بظروف التفريغ المحددة.

من ناحية أخرى، تعد السعة المقدرة مجموعة قياسية للبطارية أثناء عملية التصميم والتصنيع؛ أي الحد الأدنى لسعة الإخراج التي يجب أن تحققها البطارية في ظل ظروف تفريغ محددة، والمعروفة أيضًا بالسعة الاسمية.

عند مقارنة أنواع مختلفة من البطاريات ضمن نفس السلسلة، يتم عادةً استخدام سعة محددة للتقييم. على وجه التحديد، تشير السعة المحددة إلى كمية الكهرباء التي يمكن أن توفرها البطارية لكل وحدة كتلة أو حجم، أي السعة النوعية للكتلة (Ah/kg) والسعة النوعية الحجمية (Ah/L). من المهم ملاحظة أنه عند حساب كتلة وحجم البطارية، بالإضافة إلى النظر في مواد القطب الكهربائي والكهارل، يجب أيضًا أخذ المكونات الأخرى للبطارية في الاعتبار، مثل الغلاف والفاصل والمكونات الموصلة ذات الصلة. خاصة بالنسبة لبطاريات التخزين وخلايا الوقود، يشمل إجمالي الكتلة والحجم أيضًا جميع المعدات المساعدة الضرورية، مثل خزانات تخزين السوائل، وأجهزة التنشيط (لبطاريات التخزين)، أو أنظمة تخزين وإمداد المواد النشطة، وأنظمة التحكم، ووحدات التسخين، وما إلى ذلك (لخلايا الوقود).

ومن خلال طرح مفهوم السعة المحددة، يمكننا مقارنة أداء البطاريات بمختلف أنواعها وأحجامها. وتنقسم سعة البطارية إلى القدرة النظرية والقدرة الفعلية؛ وبالمقابل، فإن للقدرة المحددة أيضًا جوانب نظرية وفعلية.

الطاقة والطاقة المحددة

تشير طاقة البطارية إلى إجمالي الطاقة الكهربائية التي تنتجها البطارية عند أداء العمل في ظل ظروف تفريغ محددة، ويتم التعبير عنها بشكل عام بالواط-ساعة (W·h). طاقة البطارية لديها أيضًا طاقة نظرية وطاقة فعلية.

بافتراض أن البطارية تظل في حالة توازن أثناء التفريغ وأن جهد تفريغها ثابت يساوي قوتها الدافعة الكهربائية، وكذلك بافتراض أن جميع المواد النشطة تشارك في التفاعل الكيميائي، فإن الطاقة التي توفرها البطارية يجب أن تكون مساوية للطاقة القصوى النظرية Wo.

الطاقة النظرية للبطارية هي أقصى-عمل غير حجمي تقوم به البطارية تحت درجة حرارة ثابتة، وضغط ثابت، وظروف تفريغ قابلة للعكس.

تشير الطاقة الفعلية (W) إلى الطاقة التي توفرها البطارية فعليًا في ظل ظروف تفريغ معينة. يتم اشتقاقها عدديًا عن طريق ضرب السعة الفعلية بمتوسط ​​جهد التشغيل. نظرًا لأن المواد النشطة داخل البطارية لا يمكن الاستفادة منها بالكامل، وعادةً ما يكون جهد تشغيلها أقل من القوة الدافعة الكهربائية النظرية، فإن الطاقة الفعلية تكون دائمًا أقل من الطاقة النظرية.

تشير الطاقة المحددة إلى الطاقة التي تطلقها البطارية لكل وحدة كتلة أو وحدة حجم. يتم تعريف الطاقة الناتجة لكل وحدة كتلة من البطارية على أنها طاقة محددة للكتلة، ويتم قياسها عادةً بالواط-ساعة لكل كيلوغرام (Wh/kg). يتم تعريف الطاقة الناتجة لكل وحدة حجم من البطارية على أنها طاقة حجمية محددة، ويتم التعبير عنها عادةً بالواط-ساعة لكل لتر (Wh/L). علاوة على ذلك، يمكن تقسيم مفهوم الطاقة المحددة إلى نظرية (W) وفعلية (W)، حيث يمكن حساب الطاقة النوعية للكتلة النظرية باستخدام المعادلة (1.9):

في الصيغة، K+ هو المعادل الكهروكيميائي لمادة القطب الموجب؛ K- هو المعادل الكهروكيميائي لمادة القطب السالب؛ وE هي القوة الدافعة الكهربائية للبطارية.

القوة والقوة المحددة

تشير طاقة البطارية إلى خرج الطاقة للبطارية لكل وحدة زمنية في ظل ظروف تفريغ محددة، ووحدة قياسها هي واط (W) أو كيلووات (kW). عندما يتم أخذ هذه الطاقة الناتجة في الاعتبار فيما يتعلق بكتلة البطارية أو حجمها، يتم الحصول على مفهوم الطاقة المحددة. على وجه التحديد، تقيس الطاقة النوعية للكتلة عدد واطات الطاقة التي يمكن أن توفرها وحدة كتلة البطارية، ووحدتها هي واط/كجم؛ بينما تعكس الطاقة النوعية الحجمية الطاقة المولدة بواسطة وحدة حجم البطارية، والوحدة المقابلة لها هي W/L.

تشير الطاقة والطاقة المحددة إلى معدل تفريغ البطارية. تعني طاقة البطارية الأعلى أن البطارية يمكن أن تفرغ عند تيار مرتفع أو بمعدلات عالية. على سبيل المثال، يمكن لبطارية الزنك-الفضة أن تحقق طاقة محددة تزيد عن 100 واط/كجم عند التفريغ بكثافة تيار متوسطة، مما يشير إلى مقاومة داخلية منخفضة وأداء تفريغ جيد بمعدل -عالي. في المقابل، يمكن لبطارية الخلايا الجافة المصنوعة من الزنك- والمنغنيز تحقيق طاقة محددة تبلغ 10 واط/كجم فقط عند التشغيل بكثافة تيار منخفضة، مما يشير إلى مقاومة داخلية عالية وأداء تفريغ ضعيف-بمعدل مرتفع. على غرار طاقة البطارية، تتمتع الطاقة أيضًا بقدرة نظرية وقوة فعلية.

يمكن التعبير عن الطاقة النظرية للبطارية على النحو التالي:

في الصيغة، t هو الوقت؛ Co هي السعة النظرية للبطارية؛ وأنا الحالي.

يجب أن تكون الطاقة الفعلية للبطارية:

في الصيغة، أنا²يمثل R الطاقة التي تستهلكها المقاومة الداخلية للبطارية. هذه القوة عديمة الفائدة للحمل المطبق؛ يتم تحويلها بشكل أساسي إلى طاقة حرارية ويتم إطلاقها كحرارة.

دورة الحياة

بالنسبة للبطاريات، تعد دورة الحياة، أو دورة الاستخدام، أحد المؤشرات الرئيسية لتقييم أداء البطارية. تعتبر كل دورة تفريغ شحن-كاملة فترة زمنية للبطارية.

في ظل ظروف الشحن-التفريغ المحددة، يتم تحديد عدد الدورات التي يمكن للبطارية تحملها قبل أن تنخفض سعتها إلى قيمة محددة معينة على أنها دورة الحياة أو دورة الاستخدام. كلما زاد عمر الدورة، كان أداء دورة البطارية أفضل. تتميز الأنواع المختلفة من البطاريات بعمر دورة مختلف؛ على سبيل المثال، يمكن لبطاريات النيكل- والكادميوم تحقيق آلاف الدورات، بينما تتمتع بطاريات الزنك-الفضة بعدد دورات أقل نسبيًا، بل إن بعضها أقل من مائة. ومن الجدير بالذكر أنه حتى البطاريات من نفس النوع يمكن أن يكون لها دورة حياة مختلفة بسبب الاختلافات في بنيتها الداخلية.

تتأثر دورة حياة البطارية بمجموعة متنوعة من العوامل. بالإضافة إلى الاستخدام السليم والصيانة، تنطبق أيضًا الجوانب الرئيسية التالية: ① أثناء دورات تفريغ الشحن-، تنخفض مساحة سطح المادة النشطة تدريجيًا، مما يؤدي إلى زيادة كثافة تيار التشغيل وتكثيف الاستقطاب؛ ② قد يتم فصل المكونات النشطة الموجودة على الأقطاب الكهربائية أو نقلها؛ ③ أثناء تشغيل البطارية، قد تتآكل بعض مواد الأقطاب الكهربائية؛ ④ قد تتسبب التشعبات التي تتشكل على الأقطاب الكهربائية أثناء ركوب الدراجات في حدوث دوائر قصيرة داخل البطارية؛ ⑤ قد يكون الفاصل تالفًا؛ ⑥ يتغير الشكل البلوري للمادة الفعالة أثناء دورات تفريغ الشحن المتكرر-، مما يقلل من نشاطها.

أداء التخزين

يشير أداء تخزين البطارية إلى درجة فقدان الطاقة الطبيعية داخل البطارية عندما تكون في حالة دائرة مفتوحة-في ظل ظروف بيئية معينة (مثل درجة الحرارة والرطوبة). تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم التفريغ الذاتي-. إذا كانت نسبة فقدان الطاقة أثناء التخزين صغيرة، فهذا يشير إلى أن البطارية تتمتع بأداء تخزيني ممتاز.

عندما تكون البطارية في حالة دائرة مفتوحة-على الرغم من عدم إمدادها بالطاقة الكهربائية إلى الخارج، إلا أنها تظل تخضع لعملية-التفريغ الذاتي. ترجع هذه الظاهرة أساسًا إلى عدم الاستقرار الديناميكي الحراري للأقطاب الكهربائية في بيئة الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية بين الأقطاب الكهربائية. حتى في ظل الظروف الجافة، إذا لم يكن الختم محكمًا بدرجة كافية، فإن تسرب العوامل الخارجية مثل الهواء أو الرطوبة يمكن أن يؤدي إلى تأثير التفريغ الذاتي-داخل البطارية.

يمكن أيضًا التعبير عن معدل التفريغ الذاتي- بعدد الأيام التي تستغرقها سعة البطارية في الانخفاض إلى قيمة محددة عند تخزينها، والمعروفة باسم مدة الصلاحية. هناك مدة صلاحية جافة ومدة صلاحية رطبة. على سبيل المثال، يمكن تخزين بطارية التخزين، دون إضافة المنحل بالكهرباء قبل الاستخدام، لفترة طويلة؛ يمكن أن تتمتع هذه البطارية بعمر افتراضي طويل وجاف. يسمى التخزين بالكهرباء بالتخزين الرطب. يؤدي التخزين الرطب إلى تأثير تفريغ ذاتي-أقوى وفترة صلاحية رطبة أقصر نسبيًا. على سبيل المثال، يمكن أن تتمتع بطارية الفضة الزنك- بفترة صلاحية جافة تتراوح من 5 إلى 8 سنوات، في حين أن فترة صلاحيتها الرطبة تكون عادةً بضعة أشهر فقط.