Uma das características de desempenho mais importantes dobaterias de armazenamento de energiaé o seu desempenho de descarga. Para caracterizar o comportamento de descarga da bateria sob diferentes condições, é necessário medir a curva de descarga da bateria, que geralmente é uma curva que mostra a mudança da tensão de descarga ao longo do tempo. Diferentes condições de descarga são caracterizadas por estratégias de descarga, e diferentes estratégias de descarga resultarão em diferentes curvas de descarga. As estratégias de descarga normalmente incluem método de descarga, corrente de descarga, tensão de terminação e temperatura ambiente.
Método de descarga
Existem três maneiras de descarregar uma bateria: descarga de corrente constante, descarga de resistência constante e descarga de energia constante. Curvas de descarga típicas são mostradas na Figura 1-5, que ilustra as mudanças na corrente de descarga, tensão e potência durante o tempo de descarga sob esses três modos de descarga.
Durante a descarga-de resistência constante, a tensão operacional e a corrente de descarga da bateria diminuem gradualmente com o tempo. Da mesma forma, sob descarga de corrente-constante, a tensão operacional também diminui à medida que o processo de descarga continua. Esta diminuição da tensão de operação com o tempo de descarga prolongado se deve ao aumento da resistência interna da bateria. Além disso, com o uso crescente da energia da bateria em ferramentas elétricas, veículos elétricos e outras aplicações, a descarga constante-de energia está se tornando mais prevalente. Durante a descarga-de energia constante, a tensão da bateria diminui continuamente enquanto a corrente de descarga aumenta continuamente à medida que a descarga avança.
Corrente de descarga
Durante a operação da bateria, a corrente que ela emite é chamada de corrente de descarga. A corrente de descarga também é comumente chamada de taxa de descarga e é frequentemente expressa usando a taxa horária (também conhecida como taxa horária) e o multiplicador.
A taxa de descarga refere-se à taxa na qual uma bateria é descarregada, medida em tempo de descarga. Especificamente, é o tempo necessário para liberar totalmente a capacidade da bateria usando uma corrente de descarga específica, geralmente expressa em horas (h). Por exemplo, para uma bateria com capacidade nominal de 10 amp-horas (A·h), se for descarregada com uma corrente de 2A, a taxa de descarga correspondente será de 5 horas (10A·h/2A{8}}h), o que significa que a bateria está descarregando a uma taxa de 5 horas.
A taxa de descarga refere-se ao valor atual, expresso como um múltiplo da capacidade nominal da bateria, quando a capacidade total da bateria é totalmente liberada dentro de um tempo específico. Por exemplo, descarga 2C significa que a corrente de descarga é o dobro da capacidade nominal da bateria, geralmente representada por 2C (onde C representa a capacidade nominal da bateria). Para uma bateria com capacidade nominal de 10A·h, descarga de 2C (há aqui uma questão dimensional, ou seja, as unidades de capacidade e corrente não são iguais, mas este é um uso comum, portanto não será alterado) significa que a corrente de descarga é 2 x 10=20 (A), correspondendo a uma taxa de descarga de 0,5h. Diferentes tipos e designs de baterias têm diferentes adaptabilidades às condições de descarga: algumas são mais adequadas para descargas de baixa-corrente, enquanto outras funcionam melhor em altas correntes. Geralmente, taxas de descarga menores ou iguais a 0,5°C são chamadas de taxas baixas; aquelas entre 0,5°C e 3,5°C são chamadas de taxas médias; aquelas entre 3,5°C e 7°C são chamadas de taxas altas; e aquelas que excedem 7C são chamadas de taxas ultra-altas.
Tensão de terminação
Durante a descarga da bateria, o valor da tensão inicial é definido como a tensão operacional inicial; quando a tensão cai para um limite onde a descarga adicional não é mais adequada, esse ponto de tensão é chamado de tensão de terminação. O valor específico desta tensão de terminação é geralmente definido pelo testador com base nos requisitos reais de teste e na experiência anterior.
A tensão de terminação definida varia dependendo das diferentes condições de descarga e do seu impacto na capacidade e vida útil da bateria. Tensões de terminação mais baixas são normalmente usadas em ambientes de-baixa temperatura ou sob condições de descarga de-alta corrente, enquanto tensões de terminação mais altas são geralmente definidas sob condições de descarga de-baixa corrente. Isso ocorre porque a polarização entre os eletrodos da bateria aumenta significativamente durante descargas de baixa-temperatura ou alta-corrente, resultando na utilização incompleta de materiais ativos e em uma queda de tensão mais rápida. Portanto, reduzir adequadamente a tensão de terminação ajuda a liberar mais energia. Por outro lado, ao usar descarga de baixa-corrente, os componentes ativos da bateria são utilizados de forma mais completa. Neste caso, aumentar a tensão de terminação para limitar a descarga profunda pode efetivamente prolongar a vida útil geral da bateria.
Temperatura ambiente
Conforme mostrado na Figura 1-6, a temperatura ambiente tem um impacto significativo na curva de descarga. Em temperaturas mais elevadas, a curva de descarga apresenta uma tendência relativamente suave; no entanto, à medida que a temperatura diminui, esta mudança torna-se cada vez mais drástica. A razão fundamental é que a baixas temperaturas, a taxa de migração dos íons diminui, levando a um aumento na resistência interna ôhmica. Em casos extremos, se a temperatura for muito baixa, o eletrólito poderá congelar, dificultando o processo normal de descarga da bateria. Além disso, em temperaturas mais baixas, a polarização eletroquímica e a polarização de concentração são correspondentemente aumentadas, acelerando ainda mais a taxa de decaimento da curva de descarga.
Figura 1-6 Curvas de descarga de baterias de chumbo-ácido em diferentes temperaturas ambientes
Capacidade e capacidade específica
A capacidade da bateria refere-se à quantidade de eletricidade que pode ser obtida de uma bateria sob certas condições de descarga. A unidade geralmente é expressa como ampere-hora (Ah). Dependendo da situação real, a capacidade da bateria pode ser dividida em capacidade teórica, capacidade real e capacidade nominal.
A capacidade teórica (Co) refere-se à quantidade de eletricidade que pode ser fornecida em condições ideais quando o material ativo participa plenamente da reação eletroquímica da bateria. Este valor é calculado com base na massa do material ativo, seguindo a lei de Faraday. A lei de Faraday afirma que existe uma relação proporcional direta entre a massa do material que participa da reação no eletrodo e a quantidade de carga que ele transfere; quando 1 mol de material ativo participa do processo eletroquímico da bateria, ele pode liberar uma carga equivalente a 26,8 A·h ou 1 farad (F). Portanto, existe a seguinte fórmula de cálculo:
Na fórmula, m é a massa da substância ativa quando reage completamente; n é o número de elétrons ganhos ou perdidos durante a reação de fluxo; e M é a massa molar da substância ativa.
Na fórmula, K é denominado equivalente eletroquímico da substância ativa.
Conforme mostrado na equação (1.5), a capacidade teórica de um eletrodo está relacionada à massa do material ativo e ao equivalente eletroquímico. Com a mesma massa de material ativo, quanto menor for o equivalente eletroquímico, maior será a capacidade teórica. Os equivalentes eletroquímicos de alguns materiais de eletrodo são mostrados na Tabela 1-3.
Tabela 1-3 Equivalentes Eletroquímicos de Alguns Materiais de Eletrodo
| Material de eletrodo negativo | Densidade (g/cm³) | Capacidade Específica (mA·h/g) | Material de eletrodo positivo | Densidade (g/cm³) | Capacidade Específica (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| mg | 0.74 | 0.454 | Atrás | 7.4 | 2.31 |
| Al | 2.699 | 0.335 | SO₂ | 1.37 | 2.38 |
| Fé | 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 |
Além disso, os conceitos de capacidade real e capacidade nominal são frequentemente utilizados. A capacidade real refere-se à quantidade total de eletricidade que uma bateria pode fornecer sob condições específicas de descarga. A capacidade real é limitada não apenas pelo valor máximo teórico, mas também pelas condições específicas de descarga.
A capacidade nominal, por outro lado, é um padrão definido para a bateria durante o processo de projeto e fabricação; isto é, a capacidade mínima de saída que a bateria deve atingir sob condições de descarga especificadas, também conhecida como capacidade nominal.
Ao comparar diferentes tipos de baterias da mesma série, a capacidade específica é normalmente usada para avaliação. Especificamente, capacidade específica refere-se à quantidade de eletricidade que uma bateria pode fornecer por unidade de massa ou volume, ou seja, capacidade específica de massa (Ah/kg) e capacidade específica volumétrica (Ah/L). É importante observar que no cálculo da massa e do volume de uma bateria, além de considerar os materiais do eletrodo e do eletrólito, outros componentes da bateria também devem ser levados em consideração, como o invólucro, o separador e os componentes condutores relacionados. Especialmente para baterias de armazenamento e células de combustível, a massa e o volume total também incluem todos os equipamentos auxiliares necessários, tais como tanques para armazenamento de líquidos, dispositivos de ativação (para baterias de armazenamento), ou sistemas de armazenamento e fornecimento de material ativo, sistemas de controle, unidades de aquecimento, etc.
Ao introduzir o conceito de capacidade específica, podemos comparar o desempenho de baterias de diferentes tipos e tamanhos. A capacidade da bateria é dividida em capacidade teórica e capacidade real; correspondentemente, a capacidade específica também tem aspectos teóricos e reais.
Energia e energia específica
A energia da bateria refere-se à energia elétrica total produzida pela bateria ao realizar trabalho sob condições de descarga específicas, geralmente expressa em watt-horas (W·h). A energia da bateria também possui uma energia teórica e uma energia real.
Supondo que a bateria permaneça em equilíbrio durante a descarga e sua tensão de descarga seja constante igual à sua força eletromotriz, e também assumindo que todos os materiais ativos participam da reação química, então a energia fornecida pela bateria deve ser igual à sua energia máxima teórica Wo.
A energia teórica de uma bateria é o trabalho máximo sem volume realizado pela bateria sob temperatura constante, pressão constante e condições de descarga reversível.
A energia real (W) refere-se à energia realmente fornecida por uma bateria sob certas condições de descarga. É derivado numericamente multiplicando a capacidade real pela tensão média de operação. Como os materiais ativos dentro da bateria não podem ser totalmente utilizados e sua tensão operacional é geralmente inferior à força eletromotriz teórica, a energia real é sempre menor que a energia teórica.
Energia específica refere-se à energia liberada por uma bateria por unidade de massa ou unidade de volume. A produção de energia por unidade de massa da bateria é definida como energia específica de massa, normalmente medida em watts-horas por quilograma (Wh/kg). A produção de energia por unidade de volume da bateria é definida como energia volumétrica específica, normalmente expressa em watts-hora por litro (Wh/L). Além disso, o conceito de energia específica pode ser subdividido em teórico (W) e real (W), onde a energia específica de massa teórica pode ser calculada usando a equação (1.9):
Na fórmula, K+ é o equivalente eletroquímico do material do eletrodo positivo; K- é o equivalente eletroquímico do material do eletrodo negativo; e E é a força eletromotriz da bateria.
Potência e potência específica
A potência da bateria refere-se à produção de energia de uma bateria por unidade de tempo sob condições específicas de descarga, e sua unidade de medida é watt (W) ou quilowatt (kW). Quando esta potência de saída é considerada em relação à massa ou volume da bateria, obtém-se o conceito de potência específica. Especificamente, a potência específica de massa mede quantos watts de potência uma unidade de massa de bateria pode fornecer, e sua unidade é W/kg; enquanto a potência específica volumétrica reflete a potência gerada por uma unidade de volume de bateria, e sua unidade correspondente é W/L.
A potência e a potência específica indicam a taxa de descarga de uma bateria. Uma maior potência da bateria significa que a bateria pode descarregar em altas correntes ou taxas altas. Por exemplo, uma bateria de zinco-prata pode atingir uma potência específica de mais de 100 W/kg ao descarregar em uma densidade de corrente média, indicando baixa resistência interna e bom desempenho de descarga-de alta taxa. Em contraste, uma bateria de célula seca de zinco-manganês só pode atingir uma potência específica de 10 W/kg quando opera em uma densidade de corrente baixa, indicando alta resistência interna e baixo desempenho de descarga-de alta taxa. Semelhante à energia da bateria, a energia também possui potência teórica e potência real.
A potência teórica de uma bateria pode ser expressa como:
Na fórmula, t é o tempo; Co é a capacidade teórica da bateria; e eu sou a corrente.
A potência real da bateria deve ser:
Na fórmula, eu2R representa a energia consumida pela resistência interna da bateria. Esta potência é inútil para a carga aplicada; é essencialmente convertido em energia térmica e liberado como calor.
Ciclo de vida
Para baterias, o ciclo de vida, ou ciclo de uso, é um dos principais indicadores para avaliar o desempenho da bateria. Cada ciclo completo de carga-descarga é considerado um período de tempo para uma bateria.
Sob condições específicas de carga-descarga, o número de ciclos que uma bateria pode suportar antes que sua capacidade caia para um determinado valor especificado é definido como seu ciclo de vida ou ciclo de uso. Quanto maior o ciclo de vida, melhor será o desempenho do ciclo da bateria. Diferentes tipos de baterias apresentam diferentes ciclos de vida; por exemplo, as baterias de níquel-cádmio podem atingir milhares de ciclos, enquanto as baterias de zinco-prata têm relativamente menos ciclos, algumas até menos de cem. Vale ressaltar que mesmo baterias do mesmo tipo podem ter ciclos de vida diferentes devido a diferenças em sua estrutura interna.
O ciclo de vida de uma bateria é afetado por vários fatores. Além do uso e manutenção adequados, os seguintes aspectos principais também se aplicam: ① Durante os ciclos de carga-de descarga, a área de superfície do material ativo diminui gradualmente, levando a um aumento na densidade da corrente operacional e à polarização intensificada; ② Componentes ativos nos eletrodos podem se soltar ou ser transferidos; ③ Durante a operação da bateria, alguns materiais do eletrodo podem estar corroídos; ④ Os dendritos formados nos eletrodos durante o ciclo podem causar curto-circuitos dentro da bateria; ⑤ O separador pode estar danificado; ⑥ A morfologia cristalina do material ativo muda durante ciclos repetidos de carga-descarga, reduzindo assim sua atividade.
Desempenho de armazenamento
O desempenho do armazenamento da bateria refere-se ao grau de perda natural de energia dentro da bateria quando ela está em estado de circuito aberto-sob condições ambientais específicas (como temperatura e umidade). Esse fenômeno também é conhecido como auto-descarga. Se a proporção de perda de energia durante o armazenamento for pequena, isso indica que a bateria possui excelente desempenho de armazenamento.
Quando uma bateria está em estado de circuito-aberto, embora não esteja fornecendo energia elétrica para o exterior, ela ainda passa por um processo de auto-descarga. Este fenômeno se deve principalmente à instabilidade termodinâmica dos eletrodos no ambiente eletrolítico, levando a reações redox espontâneas entre os eletrodos. Mesmo em condições secas, se a vedação não estiver suficientemente apertada, a infiltração de fatores externos, como ar ou umidade, ainda poderá desencadear um efeito de auto-descarga dentro da bateria.
A taxa de auto-descarga também pode ser expressa como o número de dias que leva para a capacidade da bateria diminuir até um valor especificado quando armazenada, conhecido como prazo de validade. Existem prazos de validade secos e prazos de validade úmidos. Por exemplo, uma bateria de armazenamento, sem adição de eletrólito antes do uso, pode ser armazenada por muito tempo; essa bateria pode ter uma longa vida útil a seco. O armazenamento com eletrólito é denominado armazenamento úmido; o armazenamento úmido resulta em um efeito de auto{4}descarga mais forte e uma vida útil úmida relativamente mais curta. Por exemplo, uma bateria de zinco-prata pode ter uma vida útil seca de 5 a 8 anos, enquanto sua vida útil úmida é normalmente de apenas alguns meses.