абдан маанилүү аткаруу мүнөздөмөлөрүнүн бириэнергия сактоочу батареяларалардын разряддык көрсөткүчү болуп саналат. Ар кандай шарттарда аккумулятордун разряддоо жүрүм-турумун мүнөздөш үчүн, аккумулятордун разряддын ийри сызыгын өлчөө керек, ал адатта убакыттын өтүшү менен разряддын чыңалуусунун өзгөрүшүн көрсөткөн ийри сызык. Ар кандай разряд шарттары разряд стратегиялары менен мүнөздөлөт жана ар кандай разряд стратегиялары ар кандай разряддын ийри сызыктарына алып келет. Разряд стратегиялары адатта разряд ыкмасын, разряд тогун, токтотуу чыңалуусун жана чөйрөнүн температурасын камтыйт.
Чыгаруу ыкмасы
Батареянын разрядынын үч жолу бар: туруктуу ток разряды, туруктуу каршылык разряды жана туруктуу кубат разряды. Типтүү разряддын ийри сызыктары 1-5-сүрөттө көрсөтүлгөн, бул үч разряд режиминде разряддын агымынын, чыңалуунун жана разряддын убактысы боюнча кубаттуулуктун өзгөрүшүн көрсөтөт.
Туруктуу{0}}каршылыктын разряды учурунда батареянын иштөө чыңалуусу жана разряд агымы убакыттын өтүшү менен акырындап төмөндөйт. Ошо сыяктуу эле, туруктуу -ток разрядда, разряд процесси уланган сайын жумушчу чыңалуу да төмөндөйт. Узакка созулган зарядсыздануу убактысы менен иштөө чыңалуусунун мындай төмөндөшү аккумулятордун ички каршылыгынын жогорулашына байланыштуу. Андан тышкары, электр шаймандарында, электр унааларында жана башка колдонмолордо батареянын кубатын колдонуу көбөйгөндүктөн, туруктуу-кубаттын разряды кеңири жайылууда. Туруктуу -кубат разрядында батареянын чыңалуусу тынымсыз төмөндөйт, ал эми разряддын агымы разряддын жүрүшү менен тынымсыз жогорулайт.
Разряд агымы
Батареянын иштөө учурунда ал чыгарган ток разряддык ток деп аталат. Разряд агымы, адатта, разряддын ылдамдыгы деп аталат жана көп учурда сааттык чен (ошондой эле сааттык чен деп аталат) жана мультипликатордун жардамы менен көрсөтүлөт.
Разряддын ылдамдыгы батареянын разряддоо убактысы менен ченелген разряддын ылдамдыгын билдирет. Тактап айтканда, бул белгилүү бир разряд агымын колдонуп, батареянын сыйымдуулугун толук бошотуу үчүн талап кылынган убакыт, адатта саат (саат) менен көрсөтүлөт. Мисалы, номиналдык кубаттуулугу 10 ам-саат (A·h) болгон батарея үчүн, эгерде ал 2А ток менен зарядсызданса, тиешелүү разряд ылдамдыгы 5 саатты (10А·саат/2А=5с) түзөт, демек, батарея 5 сааттык ылдамдыкта кубатталып жатат.
Заряддоо ылдамдыгы батареянын толук кубаттуулугу белгилүү бир убакыттын ичинде толугу менен бошотулганда, батареянын номиналдык сыйымдуулугунун эселенген өлчөмү катары туюнтулган учурдагы мааниге тиешелүү. Мисалы, 2C разряд разряд агымы батареянын номиналдык сыйымдуулугунан эки эсе көп экенин билдирет, адатта 2C менен көрсөтүлөт (мында C батареянын номиналдык сыйымдуулугун билдирет). Номиналдуу кубаттуулугу 10А·са болгон аккумулятор үчүн 2С разряды (бул жерде өлчөмдүү маселе бар, б.а., кубаттуулуктун жана токтун бирдиктери бирдей эмес, бирок бул жалпы колдонуу, ошондуктан ал өзгөртүлбөйт) разряд агымы 2 х 10=20 (A), 0,5 сааттык разрядка туура келгендигин билдирет. Батареялардын ар кандай түрлөрү жана конструкциялары разряд шарттарына ар кандай ыңгайлашууга жөндөмдүү: айрымдары аз{12}}ток разрядга ылайыктуу, ал эми башкалары жогорку токтарда жакшыраак иштешет. Негизинен 0,5Сден аз же ага барабар разряддын ылдамдыгы төмөн деп аталат; 0,5С жана 3,5С ортосундагылар орточо чен деп аталат; 3,5C жана 7C ортосундагылар жогорку көрсөткүчтөр деп аталат; ал эми 7С ашкандар ультра жогорку көрсөткүчтөр деп аталат.
Аяктоо чыңалуу
Батареянын разряды учурунда баштапкы чыңалуунун мааниси старттык иштөө чыңалуусу катары аныкталат; чыңалуу андан ары разрядга ылайыктуу болбой турган чекке чейин төмөндөгөндө, бул чыңалуу чекити токтотуу чыңалуу деп аталат. Бул токтотуу чыңалуунун өзгөчө мааниси, адатта, сыноочу тарабынан чыныгы сыноо талаптарынын жана өткөн тажрыйбанын негизинде белгиленет.
Белгиленген токтотуу чыңалуу ар кандай разряд шарттарына жана алардын батареянын сыйымдуулугуна жана иштөө мөөнөтүнө тийгизген таасирине жараша өзгөрөт. Төмөнкү токтотуу чыңалуулары, адатта, төмөнкү -температуралуу шарттарда же жогорку{2}}учурдагы разряд шарттарында колдонулат, ал эми жогорку токтотуу чыңалуулары, адатта, төмөнкү- учурдагы разряд шарттарында коюлат. Себеби, батареянын электроддорунун ортосундагы поляризация төмөнкү -температурада же жогорку{6}}ток разрядда олуттуу жогорулап, активдүү материалдардын толук пайдаланылбай калышына жана чыңалуунун тезирээк төмөндөшүнө алып келет. Ошондуктан, токтотуу чыңалуусун тийиштүү түрдө төмөндөтүү көбүрөөк энергияны чыгарууга жардам берет. Тескерисинче, -аз разрядды колдонгондо, батареянын активдүү компоненттери толугураак колдонулат. Бул учурда, терең разрядды чектөө үчүн токтотуу чыңалуусун жогорулатуу батареянын жалпы иштөө мөөнөтүн натыйжалуу узартат.
Айлана-чөйрөнүн температурасы
1-6-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, чөйрөнүн температурасы разряддын ийри сызыгына олуттуу таасирин тийгизет. Жогорку температурада разряддын ийри сызыгы салыштырмалуу жумшак тенденцияны көрсөтөт; бирок, температура төмөндөгөн сайын, бул өзгөрүү барган сайын кескин болуп калат. Негизги себеби төмөнкү температурада иондордун миграция ылдамдыгы төмөндөп, омдук ички каршылыктын жогорулашына алып келет. Өзгөчө учурларда, температура өтө төмөн болсо, электролит катып калышы мүмкүн, бул батареянын нормалдуу разряд процессине тоскоол болот. Андан тышкары, төмөнкү температурада электрохимиялык поляризация жана концентрациялуу поляризация тиешелүү түрдө күчөтүлүп, разряд ийри сызыгынын ажыроо ылдамдыгын андан ары тездетет.
1-сүрөт-6 Коргошун-кислота аккумуляторлорунун чөйрөнүн ар кандай температураларында разряддын ийри сызыгы
Кубаттуулук жана өзгөчө кубаттуулук
Батареянын сыйымдуулугу белгилүү разряд шарттарында батареядан алынуучу электр энергиясынын көлөмүн билдирет. Бирдик адатта ампер-саат (Ах) катары көрсөтүлөт. Иш жүзүндөгү кырдаалга жараша батарейканын сыйымдуулугу андан ары теориялык кубаттуулукка, иш жүзүндөгү кубаттуулукка жана номиналдык кубаттуулукка бөлүнөт.
Теориялык кубаттуулук (Co) деп активдүү материал аккумулятордун электрохимиялык реакциясына толук катышканда идеалдуу шарттарда бериле турган электр энергиясынын көлөмүн билдирет. Бул маани Фарадей мыйзамына ылайык активдүү материалдын массасынын негизинде эсептелет. Фарадей закону электроддогу реакцияга катышкан материалдын массасы менен ал өткөргөн заряддын өлчөмүнүн ортосунда түз пропорционалдык байланыш бар экенин айтат; 1 моль активдүү материал аккумулятордун электрохимиялык процессине катышканда, ал 26,8 A·h же 1 фарадга (F) барабар зарядды чыгара алат. Ошентип, төмөнкү эсептөө формуласы бар:
Формулада м – толук реакцияга киргендеги активдүү заттын массасы; n – агым реакциясы учурунда алынган же жоголгон электрондордун саны; жана М - активдүү заттын молярдык массасы.
Формулада К активдүү заттын электрохимиялык эквиваленти деп аталат.
(1.5) теңдемеде көрсөтүлгөндөй, электроддун теориялык кубаттуулугу активдүү материалдын массасына жана электрохимиялык эквивалентке байланыштуу. Активдүү материалдын бирдей массасы менен электрохимиялык эквивалент канчалык аз болсо, теориялык кубаттуулук ошончолук чоң болот. Кээ бир электроддук материалдардын электрохимиялык эквиваленттери 1-3-таблицада көрсөтүлгөн.
Таблица 1-3 Кээ бир электроддук материалдардын электрохимиялык эквиваленттери
| Терс электрод материалы | Тыгыздыгы (г/см³) | Салыштырмалуу сыйымдуулук (mA·h/g) | Позитивдүү электрод материалы | Тыгыздыгы (г/см³) | Салыштырмалуу сыйымдуулук (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 | 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 |
Мындан тышкары, иш жүзүндө кубаттуулугу жана номиналдык кубаттуулугу түшүнүктөрү көп колдонулат. Иш жүзүндөгү кубаттуулугу батареянын белгилүү разряд шарттарында камсыз кыла ала турган электр энергиясынын жалпы көлөмүн билдирет. Иш жүзүндөгү кубаттуулук теориялык максималдуу маани менен гана чектелбестен, разряддын конкреттүү шарттары менен да чектелет.
Номиналдуу кубаттуулугу, экинчи жагынан, долбоорлоо жана өндүрүш процессинде батарея үчүн стандарттуу топтому болуп саналат; башкача айтканда, номиналдык кубаттуулук катары белгилүү болгон белгиленген разряд шарттарында батарейка жетиши керек болгон минималдуу чыгаруу кубаттуулугу.
Бир катардагы батарейкалардын ар кандай түрлөрүн салыштырганда, баалоо үчүн адатта белгилүү бир кубаттуулук колдонулат. Тактап айтканда, өзгөчө сыйымдуулук батареянын масса же көлөм бирдигине бере турган электр энергиясынын көлөмүн билдирет, б.а., массанын өзгөчө сыйымдуулугу (Ач/кг) жана көлөмдүк өзгөчө сыйымдуулугу (Ah/L). Батареянын массасын жана көлөмүн эсептөөдө электрод материалдарын жана электролитти эске алуудан тышкары, батареянын башка компоненттери да эске алынышы керек экенин белгилей кетүү маанилүү, мисалы, корпус, сепаратор жана тиешелүү өткөргүч компоненттер. Айрыкча аккумулятордук батареялар жана күйүүчү май клеткалары үчүн жалпы масса жана көлөм ошондой эле бардык зарыл болгон көмөкчү жабдууларды камтыйт, мисалы, суюктуктарды сактоо үчүн резервуарлар, активдештирүү түзүлүштөрү (батареяларды сактоо үчүн), же активдүү материалдарды сактоо жана камсыздоо системалары, башкаруу системалары, жылытуу агрегаттары ж.б. (отун элементтери үчүн).
Белгилүү кубаттуулук түшүнүгүн киргизүү менен, биз ар кандай типтеги жана өлчөмдөрдөгү батарейкалардын иштешин салыштыра алабыз. Батареянын сыйымдуулугу теориялык кубаттуулукка жана иш жүзүндөгү кубаттуулукка бөлүнөт; тийиштуу турде конкреттуу кубаттуулуктун да теориялык жана актуалдуу аспектилери бар.
Энергия жана өзгөчө энергия
Батареянын энергиясы белгилүү бир разряд шарттарында ишти аткарууда батарея чыгарган жалпы электр энергиясын билдирет, адатта ватт-саат (Вт·саат) менен көрсөтүлөт. Батареянын энергиясы да теориялык энергияга жана реалдуу энергияга ээ.
Батарея разряд учурунда тең салмактуулукта кала берет жана анын разряд чыңалуусу анын электр кыймылдаткыч күчүнө барабар, ошондой эле бардык активдүү материалдар химиялык реакцияга катышат деп ойлосок, анда батарея берген энергия анын теориялык максималдуу энергиясына Wo барабар болушу керек.
Батареянын теориялык энергиясы – бул батареянын туруктуу температурада, туруктуу басымда жана кайра зарядсыздануу шарттарында аткарган -көлөмдүк эмес максималдуу жумушу.
Иш жүзүндөгү энергия (Вт) белгилүү разряд шарттарында батарея тарабынан иш жүзүндө берилген энергияны билдирет. Анык кубаттуулукту орточо жумушчу чыңалууга көбөйтүү жолу менен сандык түрдө чыгарылат. Батареянын ичиндеги активдүү материалдар толугу менен колдонулушу мүмкүн болбогондуктан жана анын иштөө чыңалуусу, адатта, теориялык электр кыймылдаткыч күчтөн төмөн болгондуктан, иш жүзүндөгү энергия ар дайым теориялык энергиядан аз болот.
Салыштырмалуу энергия бирдиги массага же көлөм бирдигине батарея чыгарган энергияны билдирет. Батареянын массасынын бирдигине өндүрүлгөн энергия массанын өзгөчө энергиясы катары аныкталат, адатта бир килограммга ватт-саат (Вт/кг) менен өлчөнөт. Батареянын көлөмүнүн бирдигине өндүрүлгөн энергия көлөмдүк өзгөчө энергия катары аныкталат, адатта литрине ватт-саат (Вт/л) менен көрсөтүлөт. Мындан тышкары, өзгөчө энергия түшүнүгү андан ары теориялык (Вт) жана иш жүзүндөгү (Вт) болуп бөлүнүшү мүмкүн, мында теориялык массанын салыштырма энергиясы (1.9) теңдеменин жардамы менен эсептелиши мүмкүн:
Формулада К+ оң электрод материалынын электрохимиялык эквиваленти; К- – терс электрод материалынын электрохимиялык эквиваленти; жана E - батареянын электр кыймылдаткыч күчү.
Күч жана өзгөчө күч
Батареянын кубаттуулугу белгилүү бир разряд шарттарында батареянын убакыт бирдигиндеги энергия чыгаруусун билдирет жана анын өлчөө бирдиги ватт (Вт) же киловатт (кВт) болуп саналат. Бул чыгаруу кубаттуулугу батареянын массасына же көлөмүнө карата каралса, өзгөчө кубаттуулук түшүнүгү алынат. Тактап айтканда, массанын өзгөчө кубаттуулугу батареянын бирдиги массасы канча ватт кубаттуулукту камсыздай алаарын өлчөйт жана анын бирдиги Вт/кг; ал эми көлөмдүк өзгөчө кубаттуулук батареянын көлөмүнүн бирдигинен түзүлгөн кубаттуулукту чагылдырат жана анын тиешелүү бирдиги В/Л.
Кубат жана өзгөчө кубаттуулук батареянын разряд ылдамдыгын көрсөтөт. Батареянын кубаттуулугу жогору болсо, батарея жогорку ток же жогорку ылдамдыкта зарядсызданышы мүмкүн дегенди билдирет. Мисалы, цинк{2}}күмүш батареясы орточо токтун тыгыздыгы менен разряддаганда 100 Вт/кгдан ашык белгилүү бир кубаттуулукка жетише алат, бул ички каршылыктын төмөндүгүн жана жогорку{4}}разряддын жакшы көрсөткүчүн көрсөтөт. Ал эми, цинк{6}}марганецтүү кургак клетка батареясы токтун аз тыгыздыгында иштегенде 10 Вт/кг гана белгилүү бир кубаттуулукка жете алат, бул жогорку ички каршылыкты жана жогорку{8}}разряддын начардыгын көрсөтөт. Батареянын энергиясына окшоп, кубат да теориялык күчкө жана реалдуу күчкө ээ.
Батареянын теориялык күчү төмөнкүчө чагылдырууга болот:
Формулада t – убакыт; Co - батареянын теориялык кубаттуулугу; а мен токмун.
Батареянын чыныгы кубаттуулугу төмөнкүдөй болушу керек:
Формулада И2R батареянын ички каршылыгы менен керектелген кубаттуулукту билдирет. Бул күч колдонулган жүк пайдасыз болуп саналат; ал негизинен жылуулук энергиясына айландырылат жана жылуулук катары бөлүнүп чыгат.
Цикл өмүрү
Батареялардын иштөө мөөнөтү же колдонуу цикли үчүн батареянын иштешин баалоо үчүн негизги көрсөткүчтөрдүн бири болуп саналат. Ар бир толук кубаттоо -разряддоо цикли батареянын убакыт аралыгы болуп эсептелет.
Белгилүү бир кубаттоо -зарядсыздык шарттарында, батареянын кубаттуулугу белгилүү бир мааниге түшкөнгө чейин туруштук бере ала турган циклдердин саны анын циклинин иштөө мөөнөтү же колдонуу цикли катары аныкталат. Циклдин иштөө мөөнөтү канчалык узак болсо, батареянын цикл көрсөткүчү ошончолук жакшы болот. Батареялардын ар кандай түрлөрү ар кандай цикл өмүрүн көрсөтөт; мисалы, никель-кадмий батареялары миңдеген циклге жете алат, ал эми цинк{4}}күмүш батареяларынын циклдери салыштырмалуу азыраак, кээ бирлери жүздөн да азыраак. Белгилей кетчү нерсе, ал тургай бир типтеги батарейкалар да ички түзүлүшүндөгү айырмачылыктардан улам ар кандай циклге ээ болушу мүмкүн.
Батареянын иштөө мөөнөтүнө ар кандай факторлор таасир этет. Туура колдонуу жана тейлөөдөн тышкары, төмөнкү негизги аспектилер да колдонулат: ① Заряддоо-разряддоо циклдеринде активдүү материалдын бетинин аянты акырындык менен азайып, жумушчу токтун тыгыздыгынын жогорулашына жана поляризациянын күчөшүнө алып келет; ② Электроддордогу активдүү компоненттер ажырап же өтүшү мүмкүн; ③ Батарея иштеп жатканда, кээ бир электрод материалдары дат басып калышы мүмкүн; ④ Велосипед учурунда электроддордо пайда болгон дендриттер батареянын ичинде кыска туташууга алып келиши мүмкүн; ⑤ Сепаратор бузулушу мүмкүн; ⑥ Активдүү материалдын кристаллдык морфологиясы кайталанма заряд-разряддын циклдеринде өзгөрүп, анын активдүүлүгүн азайтат.
Сактоо аткаруу
Батареяны сактоо көрсөткүчү белгилүү бир экологиялык шарттарда (мисалы, температура жана нымдуулук)-ачык чынжыр абалында болгондо, батареянын ичиндеги табигый энергияны жоготуу даражасын билдирет. Бул көрүнүш өзүн-разряд деп да аталат. Сактоо учурунда энергияны жоготуу үлүшү аз болсо, бул батареянын эң сонун сактоо көрсөткүчтөрү бар экенин көрсөтүп турат.
Батарея ачык-схема абалында болгондо, ал сырттан электр энергиясын бербесе да, ал дагы эле-өзүн-өзү зарядсыздандыруу процессинен өтөт. Бул кубулуш негизинен электролит чөйрөсүндөгү электроддордун термодинамикалык туруксуздугунан келип чыгып, электроддор арасында стихиялык-калыбына келтирүү реакцияларына алып келет. Кургак шарттарда да, пломба жетишерлик бекем болбосо, аба же ным сыяктуу тышкы факторлордун кириши дагы эле батареянын ичинде өзүн-өзү-разрядга алып келиши мүмкүн.
Өзүн-өзү{0}}боюу ылдамдыгын, ошондой эле батареянын сыйымдуулугу сактоо мөөнөтү деп аталган белгилүү бир мааниге чейин азайган күндөрдүн саны катары да көрсөтсө болот. Кургак жана нымдуу жарактуулук мөөнөтү бар. Мисалы, батареяны колдонуудан мурун электролит кошпостон, көпкө сактаса болот; мындай батарейканын узак кургак сактоо мөөнөтү болушу мүмкүн. Электролит менен сактоо нымдуу сактоо деп аталат; нымдуу сактоо күчтүүрөөк өзүн-өзү-ташып, нымдуу сактоо мөөнөтүн салыштырмалуу кыскараак кылат. Мисалы, цинк{6}}күмүш батареянын кургак жарактуулук мөөнөтү 5–8 жыл, ал эми нымдуу батареянын жарактуулук мөөнөтү адатта бир нече ай гана болот.