elektromotorisk kraft
◆Urladdningsprestanda för energilagringsbatterier
När den externa kretsen är öppen, vilket betyder att ingen ström flyter genom batteriet, definieras potentialskillnaden mellan de positiva och negativa elektroderna som batteriets elektromotoriska kraft (EMF), vanligtvis betecknad med symbolen E. Värdet på EMF är en av indikatorerna som reflekterar mängden elektrisk energi sombatterisystemkan mata ut. Enligt termodynamiska principer har vi...
I formeln representerar AG förändringen i Gibbs fria energi; n representerar elektronöverföringsnumret; E representerar cellens elektromotoriska kraft; och F representerar Faraday-konstanten.
Ekvation (1.2) visar att storleken på batteriets elektromotoriska kraft främst beror på de inneboende egenskaperna hos de ämnen som är inblandade i den kemiska reaktionen, reaktionsförhållandena (som temperatur) under batteridrift och aktiviteten hos reaktanterna och produkterna, och påverkas inte av batteriets geometri eller storlek.
Öppen kretsspänning
Den öppna-kretsspänningen för ett batteri hänvisar till potentialskillnaden mellan de positiva och negativa polerna när den externa kretsen är bortkopplad från batteriet. Det är viktigt att notera att eftersom de positiva och negativa terminalerna kanske inte har nått termodynamisk jämvikt i elektrolytlösningen är den öppna kretsspänningen vanligtvis något lägre än dess elektromotoriska kraft (EMF). EMF är ett teoretiskt värde som beräknas baserat på termodynamiska formler, medan den öppna-kretsspänningen är ett verkligt värde som erhålls genom direkt experimentell mätning; de två är mycket nära i värde. För att exakt bestämma den öppna-kretsspänningen bör ingen ström flyta genom mätinstrumentet under mätningsprocessen; en hög-voltmeter används vanligtvis för detta test.
Vidare används begreppet nominell spänning även i produktionsforskning. Nominell spänning är en lämplig approximation av spänningen hos ett batteri, även känd som märkspänning, och används för att identifiera batteritypen. Till exempel är öppen-spänningen för ett bly-syrabatteri nära 2,1V och dess nominella spänning är inställd på 2,0V; den nominella spänningen för ett zink-manganbatteri är 1,5V; och den nominella spänningen för ett kadmium-nickelbatteri och ett nickel-metallhydridbatteri är 1,2V.
Inre motstånd
Det interna motståndet hos ett batteri, vanligtvis kallat internt motstånd (Rinre), hänvisar till motståndet som uppstår när ström flyter genom batteriet. Denna inre resistans består huvudsakligen av två delar: den ena är den ohmska inre resistansen som orsakas av materialets egenskaper; den andra är den ytterligare polarisationsresistansen som genereras av polarisationsfenomenet på elektrodytan under den elektrokemiska reaktionen.
Det ohmska motståndet (R0) påverkas av elektrolytens egenskaper, membranegenskaper och elektrodmaterial. Den ohmska resistansen hos en elektrolytlösning är nära relaterad till dess specifika sammansättning, koncentrationsnivå och omgivningstemperatur. I allmänhet väljs elektrolytkoncentrationen för batterier inom området för högsta konduktivitet. Motståndet som orsakas av membranmikroporerna mot migration av elektrolytjoner kallas membranresistens, dvs motståndet som joner möter när de passerar genom membranets mikroporer. Membranets ohmska resistans är relaterad till faktorer som typen av elektrolyt, membranmaterialet, porositet och graden av portortuositet. Fastfasresistansen på elektroderna inkluderar resistansen hos de aktiva materialpartiklarna själva, kontaktresistansen mellan partiklar, kontaktresistansen mellan det aktiva materialet och det ledande ramverket och summan av resistanserna för det ledande ramverket, ledande samlingsskenor och terminaler. Under urladdning kan det aktiva materialets sammansättning och morfologi förändras, vilket resulterar i betydande förändringar i resistens. För att minska fastfasmotståndet tillsätts ofta ledande komponenter, som acetylensvart-grafit, till det aktiva materialet för att öka dess ledningsförmåga. Det ohmska inre motståndet hos ett batteri är också relaterat till faktorer som dess storlek, montering och struktur. Ju mer kompakt enheten är och ju mindre elektrodavståndet är, desto lägre är det ohmska inre motståndet.
Polarisationsresistans (R) avser den inre resistans som genereras i en kemisk kraftkälla på grund av polarisering under elektrokemiska reaktioner vid de positiva och negativa elektroderna. Polarisationsresistans inkluderar summan av resistanser orsakade av elektrokemisk polarisation och koncentrationspolarisation. Dess storlek påverkas av egenskaperna hos de aktiva materialen, elektrodstrukturen och batteritillverkningsprocessen, och är särskilt nära relaterad till batteriets drifttillstånd. Därför ändras polarisationsresistansen i enlighet med variationer i urladdningsläge och urladdningstid.
Driftspänning
Driftspänningen för ett batteri, även känd som belastningsspänning eller urladdningsspänning, hänvisar till potentialskillnaden mellan batteriets positiva och negativa poler när ström flyter genom en extern krets. När ström flyter genom batteriet, för att övervinna resistansen som orsakas av polarisationsresistans och ohmsk resistans, är det faktiska uppmätta driftsspänningsvärdet alltid lägre än öppen kretsspänningen under tomgångsförhållanden.
Som framgår av ekvation (1.3), desto större är batteriets inre resistans, desto lägre är batteriets driftsspänning och desto mindre blir den faktiska energiuttaget. Självklart bör batteriets inre motstånd vara så litet som möjligt.