Một trong những đặc tính hiệu suất quan trọng nhất củapin lưu trữ năng lượnglà hiệu suất xả của họ. Để mô tả đặc tính phóng điện của pin trong các điều kiện khác nhau, cần đo đường cong phóng điện của pin, thường là đường cong biểu thị sự thay đổi điện áp phóng điện theo thời gian. Các điều kiện xả khác nhau được đặc trưng bởi các chiến lược xả và các chiến lược xả khác nhau sẽ dẫn đến các đường cong xả khác nhau. Chiến lược phóng điện thường bao gồm phương pháp phóng điện, dòng phóng điện, điện áp kết thúc và nhiệt độ môi trường.
Phương pháp xả
Có ba cách để pin có thể xả: xả dòng không đổi, xả điện trở không đổi và xả điện không đổi. Các đường cong phóng điện điển hình được thể hiện trong Hình 1-5, minh họa những thay đổi về dòng phóng điện, điện áp và công suất theo thời gian phóng điện trong ba chế độ phóng điện này.
Trong quá trình phóng điện trở-liên tục, điện áp hoạt động và dòng phóng điện của pin giảm dần theo thời gian. Tương tự, khi dòng điện phóng điện-không đổi, điện áp hoạt động cũng giảm khi quá trình phóng điện tiếp tục. Sự giảm điện áp hoạt động với thời gian phóng điện kéo dài là do điện trở trong của pin tăng lên. Hơn nữa, với việc sử dụng năng lượng pin ngày càng tăng trong các dụng cụ điện, xe điện và các ứng dụng khác, việc xả điện liên tục-ngày càng trở nên phổ biến. Trong quá trình xả điện liên tục-, điện áp của pin liên tục giảm trong khi dòng phóng điện liên tục tăng khi quá trình phóng điện diễn ra.
Dòng xả
Trong quá trình hoạt động của pin, dòng điện phát ra được gọi là dòng phóng điện. Dòng phóng điện cũng thường được gọi là tốc độ phóng điện và thường được biểu thị bằng tốc độ theo giờ (còn được gọi là tốc độ theo giờ) và hệ số nhân.
Tốc độ xả đề cập đến tốc độ xả pin, được đo bằng thời gian xả. Cụ thể, đó là thời gian cần thiết để giải phóng hết dung lượng của pin bằng một dòng xả cụ thể, thường được biểu thị bằng giờ (h). Ví dụ: đối với pin có công suất định mức là 10 amp-giờ (A·h), nếu pin được xả với dòng điện 2A thì tốc độ xả tương ứng là 5 giờ (10A·h/2A=5h), nghĩa là pin đang xả với tốc độ 5 giờ.
Tốc độ xả đề cập đến giá trị hiện tại, được biểu thị bằng bội số của dung lượng định mức của pin, khi hết dung lượng của pin trong một thời gian cụ thể. Ví dụ: phóng điện 2C có nghĩa là dòng phóng điện gấp đôi công suất định mức của pin, thường được biểu thị bằng 2C (trong đó C đại diện cho công suất định mức của pin). Đối với pin có công suất định mức 10A·h, dòng xả 2C (ở đây có vấn đề về chiều, tức là đơn vị của công suất và dòng điện không giống nhau, nhưng đây là cách sử dụng thông thường nên sẽ không thay đổi) có nghĩa là dòng xả là 2 x 10=20 (A), tương ứng với tốc độ xả là 0,5h. Các loại và thiết kế pin khác nhau có khả năng thích ứng khác nhau với các điều kiện phóng điện: một số pin phù hợp hơn với dòng điện{12}}thấp, trong khi một số khác hoạt động tốt hơn ở dòng điện cao. Nói chung, tốc độ xả nhỏ hơn hoặc bằng 0,5C được gọi là tốc độ thấp; nhiệt độ từ 0,5C đến 3,5C gọi là nhiệt độ trung bình; nhiệt độ từ 3,5C đến 7C được gọi là tỷ lệ cao; và những nhiệt độ vượt quá 7C được gọi là tỷ lệ{20}cực cao.
Điện áp kết thúc
Trong quá trình xả pin, giá trị điện áp ban đầu được xác định là điện áp hoạt động khởi động; khi điện áp giảm xuống ngưỡng mà việc phóng điện tiếp theo không còn phù hợp nữa thì điểm điện áp này được gọi là điện áp kết thúc. Giá trị cụ thể của điện áp kết thúc này thường được người kiểm tra đặt dựa trên yêu cầu thử nghiệm thực tế và kinh nghiệm trước đây.
Điện áp kết thúc được đặt thay đổi tùy thuộc vào các điều kiện phóng điện khác nhau cũng như tác động của chúng đến dung lượng và tuổi thọ của pin. Điện áp cuối thấp hơn thường được sử dụng trong môi trường có nhiệt độ-thấp hoặc trong điều kiện phóng điện-cao, trong khi điện áp cuối cao hơn thường được đặt trong điều kiện phóng điện-thấp. Điều này là do độ phân cực giữa các điện cực của pin tăng đáng kể khi phóng điện ở-nhiệt độ thấp hoặc dòng điện-cao, dẫn đến việc sử dụng không hết các vật liệu hoạt động và sụt áp nhanh hơn. Vì vậy, việc giảm điện áp kết thúc một cách thích hợp sẽ giúp giải phóng nhiều năng lượng hơn. Ngược lại, khi sử dụng dòng điện-thấp, các thành phần hoạt động trong pin sẽ được sử dụng đầy đủ hơn. Trong trường hợp này, việc tăng điện áp kết thúc để hạn chế phóng điện sâu có thể kéo dài tuổi thọ tổng thể của pin một cách hiệu quả.
Nhiệt độ môi trường xung quanh
Như được hiển thị trong Hình 1-6, nhiệt độ môi trường có tác động đáng kể đến đường cong phóng điện. Ở nhiệt độ cao hơn, đường cong phóng điện có xu hướng tương đối nhẹ nhàng; tuy nhiên, khi nhiệt độ giảm, sự thay đổi này ngày càng trở nên mạnh mẽ. Nguyên nhân cơ bản là ở nhiệt độ thấp, tốc độ di chuyển của các ion giảm, dẫn đến điện trở trong tăng. Trong trường hợp cực đoan, nếu nhiệt độ quá thấp, chất điện phân có thể đóng băng, cản trở quá trình phóng điện bình thường của pin. Hơn nữa, ở nhiệt độ thấp hơn, độ phân cực điện hóa và độ phân cực nồng độ được tăng cường tương ứng, làm tăng thêm tốc độ phân rã của đường cong phóng điện.
Hình 1-6 Đường cong phóng điện của pin axit chì ở các nhiệt độ môi trường khác nhau
Công suất và công suất cụ thể
Dung lượng pin đề cập đến lượng điện có thể thu được từ pin trong những điều kiện xả nhất định. Đơn vị thường được biểu thị bằng ampe-giờ (Ah). Tùy thuộc vào tình hình thực tế, dung lượng pin có thể được chia thành dung lượng lý thuyết, dung lượng thực tế và dung lượng định mức.
Công suất lý thuyết (Co) đề cập đến lượng điện có thể được cung cấp trong điều kiện lý tưởng khi vật liệu hoạt động tham gia đầy đủ vào phản ứng điện hóa của pin. Giá trị này được tính dựa trên khối lượng của vật liệu hoạt động, tuân theo định luật Faraday. Định luật Faraday phát biểu rằng có một mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa khối lượng của vật liệu tham gia phản ứng ở điện cực và lượng điện tích mà nó chuyển giao; khi 1 mol vật liệu hoạt động tham gia vào quá trình điện hóa của pin, nó có thể giải phóng điện tích tương đương 26,8 A·h hoặc 1 farad (F). Do đó tồn tại công thức tính toán sau:
Trong công thức m là khối lượng hoạt chất khi phản ứng hoàn toàn; n là số electron thu được hoặc bị mất đi trong phản ứng dòng chảy; và M là khối lượng mol của hoạt chất.
Trong công thức, K được gọi là đương lượng điện hóa của hoạt chất.
Như thể hiện trong phương trình (1.5), điện dung lý thuyết của điện cực có liên quan đến khối lượng của vật liệu hoạt động và đương lượng điện hóa. Với cùng một khối lượng hoạt chất, đương lượng điện hóa càng nhỏ thì công suất lý thuyết càng lớn. Đương lượng điện hóa của một số vật liệu làm điện cực được trình bày trong Bảng 1-3.
Bảng 1-3 Tương đương điện hóa của một số vật liệu điện cực
| Vật liệu điện cực âm | Mật độ (g/cm³) | Công suất riêng (mA·h/g) | Vật liệu điện cực dương | Mật độ (g/cm³) | Công suất riêng (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Lý | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | Trước kia | 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 |
| Đĩa 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 |
Ngoài ra, khái niệm công suất thực tế và công suất định mức cũng thường được sử dụng. Công suất thực tế đề cập đến tổng lượng điện mà pin có thể cung cấp trong các điều kiện xả cụ thể. Công suất thực tế không chỉ bị giới hạn bởi giá trị tối đa theo lý thuyết mà còn bởi các điều kiện xả cụ thể.
Mặt khác, công suất định mức là tiêu chuẩn được đặt ra cho pin trong quá trình thiết kế và sản xuất; nghĩa là công suất đầu ra tối thiểu mà pin phải đạt được trong các điều kiện xả quy định, còn được gọi là công suất danh nghĩa.
Khi so sánh các loại pin khác nhau trong cùng một dòng, dung lượng cụ thể thường được sử dụng để đánh giá. Cụ thể, công suất riêng đề cập đến lượng điện mà pin có thể cung cấp trên một đơn vị khối lượng hoặc thể tích, tức là công suất riêng theo khối lượng (Ah/kg) và công suất riêng theo thể tích (Ah/L). Điều quan trọng cần lưu ý là khi tính toán khối lượng và thể tích của pin, ngoài việc xem xét vật liệu điện cực và chất điện phân, các thành phần khác của pin cũng phải được tính đến, chẳng hạn như vỏ, dải phân cách và các bộ phận dẫn điện liên quan. Đặc biệt đối với pin lưu trữ và pin nhiên liệu, tổng khối lượng và thể tích còn bao gồm tất cả các thiết bị phụ trợ cần thiết, chẳng hạn như bồn chứa chất lỏng, thiết bị kích hoạt (đối với pin lưu trữ), hoặc hệ thống lưu trữ và cung cấp vật liệu hoạt động, hệ thống điều khiển, bộ gia nhiệt, v.v. (đối với pin nhiên liệu).
Bằng cách đưa ra khái niệm về dung lượng cụ thể, chúng ta có thể so sánh hiệu suất của các loại pin thuộc các loại và kích cỡ khác nhau. Dung lượng pin được chia thành dung lượng lý thuyết và dung lượng thực tế; tương ứng, năng lực cụ thể cũng có mặt lý luận và mặt thực tế.
Năng lượng và năng lượng riêng
Năng lượng của pin đề cập đến tổng năng lượng điện đầu ra của pin khi thực hiện công việc trong các điều kiện phóng điện cụ thể, thường được biểu thị bằng watt{0}}giờ (W·h). Năng lượng của pin cũng có năng lượng lý thuyết và năng lượng thực tế.
Giả sử pin vẫn ở trạng thái cân bằng trong quá trình phóng điện và điện áp phóng điện của nó không đổi bằng suất điện động của nó, đồng thời giả sử tất cả các vật liệu hoạt động đều tham gia vào phản ứng hóa học, thì năng lượng do pin cung cấp phải bằng năng lượng tối đa theo lý thuyết của nó Wo.
Năng lượng lý thuyết của pin là công không{0}}thể tích tối đa mà pin thực hiện trong điều kiện nhiệt độ không đổi, áp suất không đổi và các điều kiện phóng điện thuận nghịch.
Năng lượng thực tế (W) đề cập đến năng lượng thực sự được cung cấp bởi pin trong các điều kiện xả nhất định. Nó được tính bằng số bằng cách nhân công suất thực tế với điện áp hoạt động trung bình. Bởi vì các vật liệu hoạt động bên trong pin không thể được sử dụng hết và điện áp hoạt động của nó thường thấp hơn suất điện động lý thuyết nên năng lượng thực tế luôn nhỏ hơn năng lượng lý thuyết.
Năng lượng riêng là năng lượng được giải phóng bởi pin trên một đơn vị khối lượng hoặc đơn vị thể tích. Năng lượng đầu ra trên một đơn vị khối lượng của pin được xác định là năng lượng riêng theo khối lượng, thường được đo bằng watt{1}}giờ trên kilogam (Wh/kg). Năng lượng đầu ra trên mỗi đơn vị thể tích pin được xác định là năng lượng riêng theo thể tích, thường được biểu thị bằng watt-giờ trên lít (Wh/L). Hơn nữa, khái niệm năng lượng riêng có thể được chia nhỏ thành lý thuyết (W) và thực tế (W), trong đó năng lượng riêng của khối lượng lý thuyết có thể được tính bằng phương trình (1.9):
Trong công thức, K+ là đương lượng điện hóa của vật liệu điện cực dương; K- là đương lượng điện hóa của vật liệu điện cực âm; và E là suất điện động của pin.
Công suất và công suất riêng
Năng lượng pin đề cập đến năng lượng đầu ra của pin trên một đơn vị thời gian trong các điều kiện xả cụ thể và đơn vị đo của nó là watt (W) hoặc kilowatt (kW). Khi công suất đầu ra này được xem xét trong mối liên hệ với khối lượng hoặc thể tích của pin thì sẽ thu được khái niệm về công suất cụ thể. Cụ thể, công suất riêng khối lượng đo xem một đơn vị khối lượng pin có thể cung cấp bao nhiêu watt điện và đơn vị của nó là W/kg; trong khi công suất riêng theo thể tích phản ánh công suất được tạo ra bởi một đơn vị thể tích pin và đơn vị tương ứng của nó là W/L.
Công suất và công suất riêng cho biết tốc độ xả của pin. Công suất pin cao hơn có nghĩa là pin có thể xả ở dòng điện cao hoặc tốc độ cao. Ví dụ: pin kẽm-bạc có thể đạt được công suất cụ thể trên 100 W/kg khi phóng điện ở mật độ dòng điện trung bình, cho thấy điện trở trong thấp và hiệu suất phóng điện-cao tốt. Ngược lại, pin khô mangan-kẽm chỉ có thể đạt được công suất cụ thể là 10 W/kg khi hoạt động ở mật độ dòng điện thấp, cho thấy điện trở trong cao và hiệu suất phóng điện có tốc độ-cao kém. Tương tự như năng lượng của pin, nguồn điện cũng có công suất lý thuyết và công suất thực tế.
Công suất lý thuyết của pin có thể được biểu thị như sau:
Trong công thức, t là thời gian; Co là dung lượng lý thuyết của pin; và tôi là hiện tại.
Công suất thực tế của pin phải là:
Trong công thức, tôi2R đại diện cho năng lượng tiêu thụ bởi điện trở trong của pin. Sức mạnh này vô dụng đối với tải được áp dụng; về cơ bản nó được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và giải phóng dưới dạng nhiệt.
Vòng đời
Đối với pin, vòng đời hay chu kỳ sử dụng là một trong những chỉ số chính để đánh giá hiệu suất của pin. Mỗi chu kỳ sạc đầy{1}}được coi là một khoảng thời gian của pin.
Trong các điều kiện phóng điện-cụ thể, số chu kỳ mà pin có thể chịu được trước khi dung lượng pin giảm xuống một giá trị được chỉ định nhất định được xác định là vòng đời hoặc chu kỳ sử dụng của pin. Tuổi thọ của chu kỳ càng dài thì hiệu suất chu kỳ của pin càng tốt. Các loại pin khác nhau có tuổi thọ chu kỳ khác nhau; ví dụ: pin niken-cadmium có thể đạt được hàng nghìn chu kỳ, trong khi pin kẽm-bạc có chu kỳ tương đối ít hơn, một số thậm chí còn ít hơn một trăm. Điều đáng chú ý là ngay cả pin cùng loại cũng có thể có vòng đời khác nhau do sự khác biệt về cấu trúc bên trong của chúng.
Tuổi thọ của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Ngoài việc sử dụng và bảo trì đúng cách, các khía cạnh chính sau đây cũng được áp dụng: ① Trong chu kỳ-phóng điện, diện tích bề mặt của vật liệu hoạt động giảm dần, dẫn đến tăng mật độ dòng điện hoạt động và độ phân cực tăng cường; ② Các thành phần hoạt động trên điện cực có thể tách ra hoặc dịch chuyển; ③ Trong quá trình vận hành pin, một số vật liệu điện cực có thể bị ăn mòn; ④ Các sợi nhánh hình thành trên các điện cực trong quá trình đạp xe có thể gây đoản mạch bên trong pin; ⑤ Dải phân cách có thể bị hỏng; ⑥ Hình thái tinh thể của vật liệu hoạt động thay đổi trong các chu kỳ phóng điện-lặp đi lặp lại, do đó làm giảm hoạt động của nó.
Hiệu suất lưu trữ
Hiệu suất lưu trữ pin đề cập đến mức độ thất thoát năng lượng tự nhiên bên trong pin khi pin ở trạng thái mạch hở-trong các điều kiện môi trường cụ thể (chẳng hạn như nhiệt độ và độ ẩm). Hiện tượng này còn được gọi là hiện tượng tự phóng điện. Nếu tỷ lệ tổn thất năng lượng trong quá trình lưu trữ nhỏ, điều đó cho thấy pin có hiệu suất lưu trữ tuyệt vời.
Khi pin ở trạng thái-hở mạch, mặc dù không cung cấp năng lượng điện ra bên ngoài nhưng pin vẫn trải qua quá trình-tự phóng điện. Hiện tượng này chủ yếu là do sự mất ổn định nhiệt động của các điện cực trong môi trường điện phân dẫn đến phản ứng oxi hóa khử tự phát giữa các điện cực. Ngay cả trong điều kiện khô ráo, nếu miếng đệm không đủ chặt thì sự xâm nhập của các yếu tố bên ngoài như không khí hoặc hơi ẩm vẫn có thể gây ra hiệu ứng tự phóng điện bên trong pin.
Tốc độ tự xả-cũng có thể được biểu thị bằng số ngày cần thiết để dung lượng của pin giảm xuống một giá trị xác định khi được bảo quản, được gọi là thời hạn sử dụng. Có thời hạn sử dụng khô và thời hạn sử dụng ướt. Ví dụ, một cục pin dự trữ, không cần bổ sung chất điện phân trước khi sử dụng, có thể bảo quản được lâu dài; loại pin như vậy có thể có thời hạn sử dụng lâu dài. Bảo quản bằng chất điện phân gọi là bảo quản ướt; bảo quản ướt mang lại hiệu ứng tự xả-mạnh hơn và thời hạn sử dụng ướt tương đối ngắn hơn. Ví dụ: pin bạc-kẽm có thể có thời hạn sử dụng ở trạng thái khô là 5–8 năm, trong khi thời hạn sử dụng ở trạng thái ướt thường chỉ là vài tháng.