Errendimenduaren ezaugarri garrantzitsuenetako batenergia biltegiratzeko bateriakberen deskarga-errendimendua da. Bateriaren deskarga-jokaera baldintza ezberdinetan ezaugarritzeko, bateriaren deskarga-kurba neurtu behar da, hau da, denboran zehar deskarga-tentsioaren aldaketa erakusten duen kurba izan ohi da. Deskarga-baldintza desberdinak isurketa-estrategiek bereizten dituzte, eta isurketa-estrategiek deskarga-kurba desberdinak izango dituzte. Deskarga-estrategiek normalean deskarga metodoa, deskarga-korrontea, amaiera-tentsioa eta giro-tenperatura barne hartzen dituzte.
Deskarga metodoa
Bateria bat deskargatzeko hiru modu daude: korronte etengabeko deskarga, etengabeko erresistentzia deskarga eta etengabeko potentzia deskarga. Deskarga-kurba tipikoak 1-5 irudian erakusten dira, hiru deskarga-modu hauetan deskarga-korronte, tentsio eta potentzia-aldaketak deskargatzeko denboran zehar.
-Erresistentzia etengabeko deskargan, bateriaren funtzionamendu-tentsioa eta deskarga-korrontea pixkanaka gutxitzen dira denborarekin. Era berean, -korronte konstanteko deskargapean, funtzionamendu-tentsioa ere gutxitzen da deskarga prozesuak aurrera egin ahala. Deskarga-denbora luzearekin funtzionamendu-tentsioaren jaitsiera hau bateriaren barne-erresistentzia handitzearen ondorioz gertatzen da. Gainera, erreminta elektrikoetan, ibilgailu elektrikoetan eta beste aplikazio batzuetan bateriaren energia gero eta gehiago erabiltzearekin batera, etengabeko-potentzia deskargatzen ari da. Potentzia etengabeko-deskargan, bateriaren tentsioa etengabe jaisten da, deskarga-korrontea etengabe handitzen den bitartean deskargak aurrera egin ahala.
Deskarga-korrontea
Bateriaren funtzionamenduan, ateratzen duen korronteari deskarga-korrontea deitzen zaio. Deskarga-korrontea deskarga-tasa ere deitzen zaio normalean, eta sarritan ordu-tasa (orduko-tasa bezala ere ezaguna) eta biderkatzailea erabiliz adierazten da.
Deskarga-tasa bateria bat deskargatzen den abiadurari dagokio, deskarga-denboran neurtuta. Zehazki, bateriaren ahalmena guztiz askatzeko behar den denbora da deskarga-korronte zehatz bat erabiliz, normalean ordutan (h) adierazita. Adibidez, 10 amp-orduko (A·h) ahalmen nominala duen bateriarentzat, 2A-ko korrontearekin deskargatzen bada, dagokion deskarga-abiadura 5 ordukoa da (10A·h/2A=5h), hau da, bateria 5 orduko abiaduran deskargatzen ari da.
Deskarga-tasa uneko balioari dagokio, bateriaren ahalmen nominalaren multiplo gisa adierazita, bateriaren ahalmen osoa denbora zehatz batean guztiz askatzen denean. Esate baterako, 2C-ko deskargak esan nahi du deskarga-korrontea bateriaren ahalmen nominalaren bikoitza dela, normalean 2C-k adierazita (non C-k bateriaren ahalmen nominala adierazten duen). 10A·h-ko ahalmen nominala duen bateria baterako, 2C deskargak (dimentsio-arazo bat dago hemen, hau da, edukiera eta korronte-unitateak ez dira berdinak, baina erabilera arrunta da, beraz, ez da aldatuko) deskarga-korrontea 2 x 10=20 (A) dela esan nahi du, 0,5 h-ko deskarga-tasa bati dagokiona. Baterien mota eta diseinu ezberdinek deskarga-baldintzetara moldagarritasun desberdinak dituzte: batzuk egokiak dira-korronte baxuko deskargarako, eta beste batzuk, berriz, korronte handietan hobeto funtzionatzen dute. Orokorrean, 0,5C baino txikiagoak edo berdinak diren deskarga-tasa baxuak deitzen dira; 0,5C eta 3,5C artekoei tasa ertaina deitzen zaie; 3,5C eta 7C artekoei tasa altuak deitzen zaie; eta 7C gainditzen dituztenei tasa ultra-altuak deritze.
Amaiera-tentsioa
Bateria deskargatzean, hasierako tentsioaren balioa hasierako funtzionamendu-tentsio gisa definitzen da; tentsioa deskarga gehiago egokia ez den atalase batera jaisten denean, tentsio-puntu horri amaiera-tentsioa deitzen zaio. Amaiera-tentsio honen balio espezifikoa probatzaileak ezarri ohi du benetako proba-baldintzetan eta iraganeko esperientzian oinarrituta.
Ezarritako amaierako tentsioa deskarga-baldintzen eta bateriaren edukieran eta iraupenean duten eraginaren arabera aldatzen da. Amaiera-tentsio baxuagoak -tenperatura baxuko inguruneetan edo -korronte handiko deskarga-baldintzetan erabiltzen dira normalean, eta amaiera-tentsio altuagoak -korronte baxuko deskarga baldintzetan ezartzen dira. Hori gertatzen da bateriaren elektrodoen arteko polarizazioa nabarmen handitzen delako-tenperatura baxuan edo-korronte handiko deskargan, eta ondorioz, material aktiboen erabilera osatugabea eta tentsio jaitsiera azkarragoa da. Beraz, amaierako tentsioa behar bezala jaistea energia gehiago askatzen laguntzen du. Alderantziz, -korronte baxuko deskarga erabiltzean, bateriako osagai aktiboak hobeto erabiltzen dira. Kasu honetan, amaierako tentsioa handitzeak deskarga sakona mugatzeko bateriaren iraupen orokorra modu eraginkorrean luzatu dezake.
Giro-tenperatura
1-6 irudian ikusten den bezala, giro-tenperaturak eragin handia du isurketa-kurban. Tenperatura altuagoetan, isurketa-kurbak joera nahiko leuna erakusten du; hala ere, tenperatura jaitsi ahala, aldaketa hori gero eta zorrotzagoa da. Oinarrizko arrazoia tenperatura baxuetan ioien migrazio-tasa gutxitzen dela da, barne-erresistentzia ohmikoa handitzen dela. Muturreko kasuetan, tenperatura baxuegia bada, elektrolitoa izoztu egin daiteke, eta horrela bateriaren deskarga-prozesu normala oztopatzen du. Gainera, tenperatura baxuagoetan, polarizazio elektrokimikoa eta kontzentrazio-polarizazioa hobetzen dira, deskarga-kurbaren desintegrazio-abiadura gehiago bizkortuz.
1. irudia-6 berun-azido baterien deskarga-kurbak giro-tenperatura desberdinetan
Edukiera eta gaitasun espezifikoa
Bateriaren edukiera deskarga-baldintza jakin batzuetan bateria batetik lor daitekeen elektrizitate kopuruari dagokio. Unitatea ampere-ordu (Ah) gisa adierazi ohi da. Benetako egoeraren arabera, bateriaren edukiera ahalmen teorikoan, benetako ahalmenean eta ahalmen nominaletan bana daiteke.
Ahalmen teorikoa (Co) material aktiboa bateriaren erreakzio elektrokimikoan guztiz parte hartzen duenean baldintza idealetan eman daitekeen elektrizitate-kantitatea adierazten du. Balio hori material aktiboaren masaren arabera kalkulatzen da, Faradayren legea jarraituz. Faradayren legeak dio zuzeneko erlazio proportzional bat dagoela elektrodoan erreakzioan parte hartzen duen materialaren masaren eta transferitzen duen karga kopuruaren artean; 1 mol material aktibo bateriaren prozesu elektrokimikoan parte hartzen duenean, 26,8 A·h edo 1 farad (F) baliokide den karga askatu dezake. Beraz, honako kalkulu formula hau dago:
Formulan, m substantzia aktiboaren masa da guztiz erreakzionatzen duenean; n fluxu-erreakzioan irabazi edo galdutako elektroi kopurua da; eta M substantzia aktiboaren masa molarra da.
Formulan, K substantzia aktiboaren baliokide elektrokimikoa deritzo.
(1.5) ekuazioan ikusten den bezala, elektrodo baten ahalmen teorikoa material aktiboaren masarekin eta baliokide elektrokimikoarekin erlazionatuta dago. Material aktiboaren masa berdinarekin, zenbat eta txikiagoa izan baliokide elektrokimikoa, orduan eta handiagoa izango da gaitasun teorikoa. Elektrodo-material batzuen baliokide elektrokimikoak 1-3 taulan ageri dira.
1-3 Taula Elektrodo-material batzuen baliokide elektrokimikoak
| Elektrodo negatiboaren materiala | Dentsitatea (g/cm³) | Ahalmen espezifikoa (mA·h/g) | Elektrodo positiboaren materiala | Dentsitatea (g/cm³) | Ahalmen espezifikoa (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | AgO | 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 |
Horrez gain, benetako ahalmenaren eta ahalmen nominalaren kontzeptuak erabili ohi dira. Benetako ahalmena bateria batek deskarga-baldintza zehatz batzuetan eman dezakeen elektrizitate-kopuru osoa adierazten du. Benetako edukiera balio maximo teorikoagatik ez ezik isurketa-baldintza espezifikoengatik ere mugatzen da.
Ahalmen nominala, berriz, diseinu eta fabrikazio prozesuan bateriaren multzo estandarra da; hau da, bateriak zehaztutako deskarga-baldintzetan lortu beharko lukeen gutxieneko irteera-ahalmena, ahalmen nominala deritzona.
Serie bereko bateria mota desberdinak alderatzean, gaitasun espezifikoa erabiltzen da normalean ebaluatzeko. Zehazki, gaitasun espezifikoak bateriak masa edo bolumen unitateko eman dezakeen elektrizitate-kantitateari egiten dio erreferentzia, hau da, masa-ahalmen espezifikoa (Ah/kg) eta ahalmen espezifiko bolumetrikoa (Ah/L). Garrantzitsua da kontuan izan bateria baten masa eta bolumena kalkulatzerakoan, elektrodoen materialak eta elektrolitoa kontuan hartzeaz gain, bateriaren beste osagai batzuk ere kontuan hartu behar direla, hala nola karkasa, bereizlea eta erlazionatutako osagai eroaleak. Bateriei eta erregai-pilei dagokienez, batez ere, masa eta bolumen osoak beharrezko ekipamendu osagarri guztiak ere barne hartzen ditu, hala nola, likidoak biltegiratzeko tankeak, aktibazio-gailuak (biltegiratzeko piletarako), edo material aktiboa biltegiratzeko eta hornitzeko sistemak, kontrol-sistemak, berokuntza-unitateak, etab. (erregai-piletarako).
Ahalmen espezifikoaren kontzeptua sartuz, mota eta tamaina ezberdinetako baterien errendimendua alderatu dezakegu. Bateriaren edukiera gaitasun teoriko eta benetako ahalmenetan banatzen da; horrenbestez, gaitasun espezifikoak alderdi teorikoak eta errealak ere baditu.
Energia eta energia espezifikoa
Bateriaren energia deskarga-baldintza zehatzetan lana egiten duenean bateriak ateratzen duen energia elektriko osoa adierazten du, orokorrean watt-ordutan (W·h) adierazita. Baterien energiak energia teoriko bat eta energia erreal bat ere baditu.
Deskargan bateria orekan jarraitzen duela eta bere deskarga-tentsioa bere indar elektroeragilearen berdina dela suposatuz, eta, gainera, material aktibo guztiek erreakzio kimikoan parte hartzen dutela suposatuz, orduan bateriak ematen duen energia bere energia maximo teorikoaren berdina izan beharko litzateke.
Bateria baten energia teorikoa bateriak tenperatura konstanteetan, presio konstanteetan eta deskarga itzulgarriko baldintzetan egiten duen -bolumen gabeko gehienezko lana da.
Benetako energia (W) bateria batek deskarga baldintza jakin batzuetan benetan ematen duen energiari dagokio. Zenbakiz eratortzen da benetako ahalmena batez besteko funtzionamendu-tentsioarekin biderkatuz. Bateria barruan dauden material aktiboak ezin direnez guztiz erabili, eta bere funtzionamendu-tentsioa normalean indar elektroeragile teorikoa baino txikiagoa denez, benetako energia energia teorikoa baino txikiagoa da beti.
Energia espezifikoa pila batek masa-unitateko edo bolumen-unitateko askatzen duen energiari dagokio. Bateriaren masa-unitate bakoitzeko energia-irteera masa-energia espezifiko gisa definitzen da, normalean watt-kiloko (Wh/kg) ordutan neurtuta. Bateriaren bolumen-unitate bakoitzeko energia-irteera energia bolumetriko espezifiko gisa definitzen da, normalean litroko watt-ordutan (Wh/L) adierazita. Gainera, energia espezifikoaren kontzeptua teoriko (W) eta benetako (W)tan bana daiteke, non masa espezifikoko energia teorikoa (1.9) ekuazioa erabiliz kalkula daiteke:
Formulan, K+ elektrodo positiboaren materialaren baliokide elektrokimikoa da; K- elektrodo negatiboko materialaren baliokide elektrokimikoa da; eta E bateriaren indar elektroeragilea da.
Boterea eta botere espezifikoa
Bateriaren potentzia bateria baten energia-irteerari dagokio denbora-unitateko deskarga baldintza zehatzetan, eta bere neurketa-unitatea watt (W) edo kilowatt (kW) da. Irteerako potentzia hori bateriaren masa edo bolumenarekin erlazionatuta hartzen denean, potentzia espezifiko kontzeptua lortzen da. Zehazki, masa-potentzia espezifikoak bateria-masa unitate batek zenbat watt-potentzia eman dezakeen neurtzen du, eta bere unitatea W/kg da; potentzia bolumetrikoak, berriz, bateriaren bolumen-unitate batek sortutako potentzia islatzen du, eta horri dagokion unitatea W/L da.
Potentzia eta potentzia espezifikoak bateria baten deskarga-abiadura adierazten dute. Bateriaren potentzia handiagoak esan nahi du bateria deskargatu daitekeela korronte handietan edo tasa handietan. Adibidez, zink-zilarrezko bateria batek 100 W/kg-tik gorako potentzia espezifikoa lor dezake korronte dentsitate ertainean deskargatzen denean, barne-erresistentzia baxua eta deskarga-abiadura handiko -errendimendu ona adieraziz. Aitzitik, zink-manganesozko zelula lehorreko bateria batek 10 W/kg-ko potentzia espezifikoa soilik lor dezake korronte-dentsitate baxuan funtzionatzen duenean, barne-erresistentzia handia eta deskarga-abiadura altuko errendimendu eskasa adierazten du. Bateriaren energiaren antzera, potentziak potentzia teorikoa eta benetako potentzia ere baditu.
Bateria baten potentzia teorikoa honela adieraz daiteke:
Formulan, t denbora da; Co bateriaren ahalmen teorikoa da; eta ni da korrontea.
Bateriaren benetako potentzia hau izan behar da:
Formulan, I2R-k bateriaren barne-erresistentziak kontsumitzen duen potentzia adierazten du. Potentzia hori alferrikakoa da aplikatutako kargarako; funtsean, bero-energia bihurtzen da eta bero moduan askatzen da.
Bizitza zikloa
Baterien kasuan, ziklo-bizitza edo erabilera-zikloa bateriaren errendimendua ebaluatzeko funtsezko adierazleetako bat da. Karga-deskarga-ziklo osoa bateria baten denbora-tartetzat hartzen da.
Karga--deskarga-baldintza espezifikoetan, bateria batek jasan ditzakeen ziklo-kopurua bere edukiera zehaztutako balio jakin batera jaitsi aurretik bere ziklo-bizitza edo erabilera-ziklo gisa definitzen da. Zenbat eta ziklo-bizitza luzeagoa izan, orduan eta hobeagoa da bateriaren ziklo-errendimendua. Baterien mota ezberdinek ziklo-bizitza desberdinak dituzte; adibidez, nikel-kadmiozko pilek milaka ziklo lor ditzakete, eta zink-zilarrezko pilek, berriz, nahiko ziklo gutxiago dituzte, batzuek ehun baino gutxiago ere. Azpimarratzekoa da mota bereko pilek ere ziklo-bizitza desberdinak izan ditzaketela barne-egituraren desberdintasunak direla eta.
Bateriaren bizitza zikloan hainbat faktorek eragiten dute. Erabilera eta mantentze egokiaz gain, funtsezko alderdi hauek ere aplikatzen dira: ① Karga--deskarga-zikloetan, material aktiboaren azalera pixkanaka murrizten da, funtzionamendu-korronte-dentsitatea handitu eta polarizazioa areagotu egiten da; ② Elektrodoetako osagai aktiboak askatu edo transferitu daitezke; ③ Bateriaren funtzionamenduan, elektrodoen material batzuk herdoilduta egon daitezke; ④ Bizikletan zehar elektrodoetan sortzen diren dendriteek zirkuitu laburrak eragin ditzakete bateriaren barruan; ⑤ Bereizlea kaltetuta egon daiteke; ⑥ Material aktiboaren kristal-morfologia karga--deskarga-ziklo errepikatuetan aldatzen da, eta, ondorioz, bere jarduera murrizten da.
Biltegiratze errendimendua
Bateriaren biltegiratze-errendimenduak ingurune-baldintza zehatz batzuetan (adibidez, tenperatura eta hezetasuna) zirkuitu irekiko-egoeran dagoen bateriaren energia-galera naturalaren mailari dagokio. Fenomeno hau auto-deskarga bezala ere ezagutzen da. Biltegiratzean energia-galeren proportzioa txikia bada, bateriak biltegiratzeko errendimendu bikaina duela adierazten du.
Bateria bat zirkuitu irekiko-egoeran dagoenean, kanpoaldera energia elektrikoa hornitzen ez badu ere, auto-deskarga prozesu bat jasaten du. Fenomeno hau elektrolitoen inguruneko elektrodoen ezegonkortasun termodinamikoari zor zaio batez ere, elektrodoen arteko erredox erreakzio espontaneoak eragiten dituena. Baldintza lehorrean ere, zigilua behar bezain estua ez bada, kanpoko faktoreen infiltrazioak, hala nola airea edo hezetasuna, hala ere, auto-deskarga efektua eragin dezake bateriaren barruan.
Norberaren -deskarga-tasa ere adieraz daiteke gordetzean bateriaren ahalmena zehaztutako balio batera murrizteko behar diren egun-kopuru gisa, balio-iraupena izenez ezagutzen dena. Iraupen lehorra eta hezea daude. Adibidez, biltegiratze-pila bat, erabili aurretik elektrolitorik gehitu gabe, denbora luzez gorde daiteke; halako bateria batek iraupen lehor luzea izan dezake. Elektrolitoarekin biltegiratzea biltegiratze hezea deritzo; hezean biltegiratzeak auto-deskarga-efektu indartsuagoa eta hezearen iraupen-bizitza nahiko laburragoa dakar. Adibidez, zink-zilarrezko bateria batek 5-8 urteko iraupen lehorra izan dezake, eta hezeak hilabete batzuk baino ez ditu izaten.