Una dełe carateristiche de prestasion pi inportanti debaterie pa ła conservasion de energiaxe ła so prestasion de scarico. Pa caraterixare el conportamento de scarica deła bataria in condisión difarenti, xe necesario mixurare ła curva de scarica deła bataria, che xe de sołito na curva che mostra el canbiamento deła tension de scarica nel tenpo. Diverse condisión de scarico łe xe caraterixàe da stratejie de scarico, e diverse stratejie de scarico łe portarà a diverse curve de scarico. Łe stratejie de scarico de sołito łe include el metodo de scarico, ła corente de scarico, ła tension de terminasión e ła tenperadura anbiente.
Metodo de scarico
Ghe xe tre modi in cui na bataria ła pol scaricarse: scarica de corente costante, scarica de resistensa costante e scarica de potensa costante. Łe curve de scarico tipiche łe xe mostràe neła Figura 1-5, che ła mostra i canbiamenti neła corente de scarico, tension e potensa nel tenpo de scarico soto sti tre modi de scarico.
Durante ła scarica de resistensa costante, ła tension de funsionamento e ła corente de scarica deła bataria łe diminuise gradualmente nel tenpo. Inte ła stesa maniera, soto na scarica de corente costante, ła tension de funsionamento ła sbasa anca co el proceso de scarica el va vanti. Sta diminusion deła tension de funsionamento co un tenpo de scarica prołongà ła xe dovua a l’aumento deła resistensa interna deła bataria. Inoltre, co l’uxo senpre pi grando deła bateria nei atresi ełètrici, nei veicołi ełètrici e in altre aplicasión, ła scariga de potensa costante ła xe drìo deventar senpre pì difondesta. Durante ła scarica de potensa costante, ła tension deła bataria ła sbasa senpre, mentre ła corente de scarica ła crése senpre co ła scarica ła va vanti.
Corente de scarico
Durante el funsionamento deła bataria, ła corente che ła fa vegner fora ła xe ciamada corente de scarica. Ła corente de scarico ła xe anca comunemente ciamada taso de scarico, e ła xe speso espresa doparando el taso orario (conosùo anca come taso orario) e el moltiplicator.
El taso de scarico el se riferise ała vełocità co cui na bataria ła se scarica, mixurà in tenpo de scarico. In particołare, xe el tenpo necesario pa liberar conpletamente ła capasità deła bataria doparando na corente de scarico spesifega, de sołito espresa in ore (h). Par exénpio, pa na bataria co na capasità nominałe de 10 amp-ore (A·h), se ła vien scaricada co na corente de 2A, ła corispondente vełocità de scarica ła xe de 5 ore (10A·h/2A=5h), el che vol dir che ła bataria ła se scarica a na vełocità de 5 ore.
El taso de scarico el se riferise al vałor de corente, espreso come un multiplo deła capasità nominàe deła bataria, co ła capasità conpleta deła bataria ła xe conpletamente rilascià entro un tenpo spesifego. Par exénpio, ła scariga de 2C vol dir che ła corente de scarica ła xe el dopio deła capasità nominałe deła bataria, de sołito rapresentà da 2C (dove C el rapresenta ła capasità nominałe deła bataria). Pa na bataria co na capasità nominałe de 10A·h, na scarica de 2C (ghe xe un problema dimensionałe qua, cioè łe unità de capasità e corente no łe xe łe stese, ma questo xe un uxo comune, quindi no ła sarà canbià) vol dir che ła corente de scarica ła xe de 2 x 10=20 (A), corispondente a na vełocità de scarica de 5.0.00. Diversi tipi e disegni de baterie i ga difarenti adatabiłità ałe condisión de scarico: alcune łe xe pì adate a scarico de basa -corente, mentre altre łe funsiona mejo a corenti alte. In generałe, i tassi de scarico inferiori o uguałi a 0,5C i xe ciamài tassi basi; quełi tra 0,5C e 3,5C i xe ciamài tassi medi; quełi tra i 3,5C e i 7C i xe ciamài tassi alti; e quei che supera i 7C i xe ciamài tassi ultra-alti.
Tension de terminasion
Durante ła scarica deła bataria, el vałor de tension inisiałe el xe definìo come ła tension de funsionamento inisiàl; co ła tension ła va zo a na sojèa indove che ła scarica no ła xe pì bona, sto ponto de tension el vien ciamà tension de terminasion. El vałor spesifego de sta tension de terminasión el vien de sołito stabiłio dal tester in base ai requixidi de prova e a l’esperiensa pasà.
Ła tension de terminasion ła canbia a seconda dełe diverse condisión de scarico e del so inpato suła capasità e ła durada deła bataria. Łe tension de terminasión pì basse łe vien doparàe de sołito in anbienti a tenperadura basa o in condisión de scarica de corente alta, mentre łe tension de terminasión pì alte łe vien doparàe de sołito in condisión de scarica de corente basa. Questo parché ła połarixasion tra i eletrodi deła bataria ła crése in modo significativo durante na tenperadura basa o co ła scariga de corente alta, co el risultato de un utiłixo inconpleto de materiałi ativi e de na caduta de tension pì vełose. Par cui, sbasar in modo adato ła tension de terminasion el juta a rilasciar pì energia. Al contrario, co se dopara na descarga de corente basa, i conponenti ativi deła bataria i vien doparài mejo. In ‘sto caxo, aumentar ła tension de terminasión pa limitar ła scarica profonda pol slongàr ła vita deła bataria.
Tenperadura anbiente
Come mostrà in Figura 1-6, ła tenperadura anbiente ła ga un inpato inportante suła curva de scarico. A tenperadure pi alte, ła curva de scarico ła mostra na tendensa rełativamente dełicata; tutavia, co ła tenperadura ła sbasa, sto canbiamento el deventa senpre pì drastico. El motivo fondamentałe xe che a tenperadure basse, el taso de migrasion dei ioni el sbasa, portando a un aumento deła resistensa interna ohmica. In caxi estremi, se ła tenperadura ła xe masa basa, l’eletròlito el pol congełar, ostacołando cusì el normałe proceso de scarica deła bataria. Inoltre, a tenperadure pì basse, ła połarixasion eletrochimica e ła połarixasion deła consentrasion łe xe corispondentemente aumentàe, cełerando ulteriormente el taso de decadimento deła curva de scarico.
Figura 1-6 Curve de scarico dełe baterie a piombo-acido a diverse tenperadure ambientałi
Capacità e capasità specifiche .
Ła capasità deła bataria ła se riferise a ła quantità de eletricità che ła pol esar otegnùa da na bataria in serte condisión de scarica. L'unità è solitamente espresa come ampere-ora (Ah). A seconda deła situasion reałe, ła capasità deła bataria ła pol esar divixa in capasità teorica, capasità reałe e capasità nominałe.
Ła capasità teorica (Co) ła se riferise a ła quantità de eletricità che ła pol esar fornìa in condisión ideałi quando el materiałe ativo el partesipa pienamente ała reasion ełetrochimica deła bataria. Sto vałor el xe calcołà in base a ła masa del materiałe ativo, seguendo ła leje de Faraday. La lege de Faraday la dixe che ghe xe na rełasion proporsionałe direta tra ła masa del materiałe che partesipa a ła reasion al ełetrodo e ła quantità de carga che el trasferise; quando 1 mol de materia attiva partecipa al processo eletrochimico de la bataria, può rilasciare una carica equivalente a 26,8 A·h o 1 farad (F). Donca, ghe xe ła seguente formuła de càlcoło:
Inte ła formuła, m ła xe ła masa deła sostansa ativa quando che ła reajise conpletamente; n xe el numero de ełetroni guadagnài o persi durante ła reasion de fluso; e M è la massa molare de la sostanza attiva.
Inte ła formuła, K el xe ciamà l’ecuivałente ełetrochimego deła sostansa ativa.
Come mostrà ne l’ecuasion (1.5), ła capasità teorica de un ełetrodo ła xe rełasionà a ła masa del materiałe ativo e a l’ecuivałente ełetrochimego. Co ła stesa masa de materiałe ativo, pì picoło l’ecuivałente eletrochimico, pì granda ła xe ła capasità teorica. I ecuivałenti eletrochimici de serti materiałi dei eletrodi i xe mostrà inte ła tabeła 1-3.
Tòła 1-3 Ecuivałenti eletrochimici de serti materiałi eletrodici
| Materiałe de eletrodo negativo | Densità (g/cm3) | Capacità spesifega (mA·h/g) | Materiałe de ełetrodo poxitivo | Densità (g/cm3) | Capacità spesifega (mA·h/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 |
In pì, i conceti de capasità reałe e capasità nominałe i vien speso doparai. Ła capasità reał ła se riferise a ła quantità totałe de eletricità che na bataria ła pol fornìr in condisión de scarico specifiche. Ła capasità reał ła xe limitada no soło dal vałor masimo teorico ma anca dałe condisión specifiche de scarico.
Ła capasità nominałe, invese, ła xe un insieme stàndar pa ła bataria durante el proceso de progetasion e produsion; cioè ła capasità minima de uscita che ła bataria ła dovarìa otegnar in condisión de scarigo spesifegae, conosùa anca come capasità nominałe.
Quando se confronta diversi tipi de baterie inte ła stesa serie, de sołito se dopara na capasità spesifega pa ła vałutasion. In modo spesifego, ła capasità spesifega ła se riferise a ła quantità de eletricità che na bataria ła pol fornir par unità de masa o vołume, cioè ła capasità spesifega de masa (Ah/kg) e ła capasità spesifega volumetrica (Ah/L). Xe inportante notar che quando se fa el calcoło deła masa e del vołume de na bataria, oltre a tegner conto dei materiałi dei eletrodi e de l’elettrolito, bisogna tegner conto anca de altri conponenti deła bataria, come ła invołucro, el separatore e i conponenti condutivi rełativi. Soratuto pa łe batèrie e łe cełułe a combustibiłe, ła masa e el vołume totałi i include anca tute łe atresature auxiłiari nesesarie, come i serbatoi pa ła conservasion dei liquidi, i dispoxitivi de ativasion (pa łe batèrie de imagazinasion), o i sistemi de conservasion e fornimento de materiałi ativi, i sistemi de controło, łe unità de riscaldamento, ecc. (pa łe cełułe a combustibiłe).
Introdotando el conceto de capasità spesifega, podemo confrontar łe prestasion dełe batèrie de difarenti tipi e dimension. Ła capasità deła bataria ła xe divixa in capasità teorica e capasità reałe; corrispondentemente, la capacità specifica ha anche aspetti teorici e reali.
Energia e energia specifica
L’energia deła bataria ła se riferise a l’energia ełètrica totałe che ła bataria ła produxe quando che ła fa laóri in condisión de scarica specifiche, de sołito espresa in watt-ore (W·h). L’energia deła bataria ła ga anca na energia teorica e na energia reałe.
Suponendo che ła bataria ła resta in equiłibrio durante ła scariga e che ła so tension de scarica ła sia costante uguałe a ła so forsa ełetromotora, e anca se pensando che tuti i materiałi ativi i partesipa a ła reasion chimica, alora l’energia fornìa dała bataria ła dovarìa esar uguałe a ła so energia masima teorica Wo.
L’energia teorica de na bataria ła xe el laoro masimo sensa vołume fato dała bataria soto tenperadura costante, presion costante e condision de scarica reversibiłe.
L’energia reał (W) ła se riferise a l’energia fornìa da na bataria in serte condisión de scarica. El xe derivà numericamente moltiplicando ła capasità reałe pa ła tension media de funsionamento. Sicome i materiałi ativi drénto ła bataria no i pol esar doparài del tuto, e ła so tension de funsionamento ła xe de sołito pì basa deła forsa ełetromotiva teorica, l’energia reałe ła xe senpre manco de l’energia teorica.
L’energia spesifega ła se riferise a l’energia rilasciada da na bataria par unità de masa o unità de vołume. L’energia de produsion par unità de masa deła bataria ła xe definìa come energia spesifega de masa, de sołito mixurà in watt-ore par chiłogramo (Wh/kg). L’energia in uscita par unità de vołume deła bataria ła xe definìa come energia spesifega, de sołito espresa in watt-ore par litro (Wh/L). Inoltre, el conceto de energia spesifega el pol esar divixo in teoria (W) e reałe (W), indove che l’energia spesifega de masa teorica ła pol esar calcołada doparando l’ecuasion (1.9):
Inte ła formuła, K+ el xe l’ecuivałente eletrochimego del materiałe de l’elettrodo poxitivo; K- è l'equivalente eletrochimico del materiale del eletrodo negativo; e E ła xe ła forsa ełetromotora deła bataria.
Potenza e potenza specifica .
Ła potensa deła bataria ła se riferise a ła produsion de energia de na bataria par unità de tenpo soto spesifeghe condisión de scarica, e ła so unità de mixura ła xe el watt (W) o el chiłowatt (kW). Co sta potensa de uscita ła vien considerada in rełasion ała masa o al vołume deła bataria, se otien el conceto de potensa spesifega. In particołare, ła potensa spesifega deła masa ła mixura quanti watt de potensa che na bataria ła pol dar, e ła so unità ła xe W/kg; mentre la potenza specifica volumetrica riflete la potenza generata da un'unità de volume de bateria, e la sua unità corispondente è W/L.
Ła potensa e ła potensa spesifega łe indica ła vełocità de scarica de na bataria. Na potensa deła bataria pi alta vol dir che ła bataria ła pol scaricarse a na corente alta o a na alta vełocità. Par exénpio, na bataria de zinco-arzento ła pol vér na potensa spesifega de pì de 100 W/kg co ła vien scaricà a na densità de corente media, indicando na basa resistensa interna e na bona prestasion de scarica a alto. Al contrario, na bataria a cełuła seca de zinco-manganexe ła pol soło otegner na potensa spesifega de 10 W/kg co ła funsiona co na densità de corente basa, indicando na alta resistensa interna e na scarsa prestasion de scarico a alto-taso. Come l’energia deła bataria, ła potensa ła ga anca potensa teorica e potensa reałe.
Ła potensa teorica de na bataria ła pol esar espresa come:
Inte ła formuła, t xe el tenpo; Co è la capacità teorica de la bateria; e I è la corrente.
Ła potensa reał deła bataria ła dovarìa esar:
Inte ła formuła, mi2R rappresenta la potenza consumata dalla resistenza interna della batteria. Sta potensa ła xe inutiłe pa ła carga aplicada; el vien esensialmente convertìo in energia de całor e rilascià come całor.
Vita del ciclo
Pa łe batèrie, ła vita del ciclo, o el ciclo de utiłixo, xe uno dei indicatori ciave pa vałutàr ła prestasion deła bataria. Ogni ciclo de carga-conpleto el xe considerà un periodo de tenpo pa na bataria.
In condisión specifiche de carga-descarico, el numero de cicli che na bataria ła pol sopórtar prima che ła so capasità ła cala a un serto vałor spesifegà el xe definìo come ła so vita del ciclo o el so ciclo de utiłixo. Pì longa ła xe ła vita del ciclo, mèjo ła xe ła prestasion del ciclo deła bataria. Diversi tipi de baterie i ga diverse vite del ciclo; par exénpio, łe batèrie de nichel-cadmio łe pol otegnar mijaia de cicli, mentre łe batèrie de zinco-arzento łe ga rełativamente manco cicli, alcune anca manco de sento. Xe da tegner conto che anca łe batèrie del steso tipo łe pol vér un ciclo difarente par via de łe difarense neła so strutura interna.
Ła vita del ciclo de na bataria ła xe influensà da tanti fatori. In pì de l’uxo e de ła manutension, i seventi aspeti ciave i se aplica anca: 1 Durante i cicli de carga-descarga, ła superfisie del materiałe ativo ła se sbasa pian pian, portando a un aumento deła densità deła corente de funsionamento e a na połarixasion intensiva; I conponenti ativi sui eletrodi i pol stacarse o trasferirse; Durante el funsionamento deła bataria, serti materiałi dei eletrodi i pol esar coroxi; I dendriti formài sui eletrodi durante el ciclo i pol causar corti circuiti rento ła bataria; El separador el pol esar danegià; Ła morfołogia cristałina del materiałe ativo ła canbia durante cicli de carga-scarica ripetui, sbasando cusì ła so atività.
Prestasion de stocajo
Ła prestasion de stocajo deła bataria ła se riferise al grado de perdita de energia naturałe rento ła bataria co ła xe in un stato de sircuito verto in condisión anbientałi specifiche (come ła tenperadura e l’umidità). Sto fenomeno el xe conosùo anca come auto-scarico. Se ła proporsion de perdita de energia durante ła conservasion ła xe picoła, vol dir che ła bataria ła ga un ecełente rendimento de conservasion.
Co na bataria ła xe in un stato de sircuito verto, anca se no ła fornise energia ełètrica a l’esterno, ła ga comunque un proceso de auto-scarico. Sto fenòmeno el xe dovùo soratuto a l’instabiłità termodinamica dei ełetrodi inte l’anbiente ełetrołitico, che ła porta a reasion redox spontanee tra i ełetrodi. Anca in condisión seche, se ła guarnision no ła xe bastansa streta, l’infiltrasion de fatori esterni come l’aria o l’umidità ła pol comunque scatenar un efeto de auto-scarica rento ła bataria.
El taso de auto-scarico el pol anca esar espreso come el numero de giorni che ghe vol pa ła capasità deła bataria pa sbasarse a un vałor spesifegà quando che ła xe conservà, conosùo come durada de conservasion. Ghe xe durata de conservasion seca e durata de conservasion umida. Par exenpio, na bataria de stocajo, sensa zontar eletrolito prima de doparar, ła pol esar conservà par tanto tenpo; na bataria del xenere ła pol vér na longa durada. El conservasion co eletrolito el xe ciamà conservasion umida; ła conservasión in bagnà ła porta a un efeto de auto-scarico pi forte e a na vita de conservasión bagnà rełativamente pi curta. Par exénpio, na bataria de zinco-arzento ła pol vér na durada de 5-8 ani, mentre ła so durada bagnada ła xe de sołito soło che qualche mese.