מדדי ביצועים ומינוח קשור של סוללות אחסון אנרגיה

כוח חשמלי

◆ביצועי פריקה של סוללות אחסון אנרגיה

כאשר המעגל החיצוני פתוח, כלומר לא זורם זרם דרך הסוללה, הפרש הפוטנציאלים בין האלקטרודות החיוביות והשליליות מוגדר ככוח האלקטרו-מוטורי (EMF) של הסוללה, מסומן בדרך כלל בסמל E. הערך של EMF הוא אחד האינדיקטורים המשקפים את כמות האנרגיה החשמלית ש-מערכת סוללותיכול פלט. על פי עקרונות תרמודינמיים, יש לנו...

בנוסחה, AG מייצג את השינוי באנרגיה החופשית של גיבס; n מייצג את מספר העברת האלקטרונים; E מייצג את הכוח האלקטרומוטיבי של התא; ו-F מייצג את קבוע פאראדיי.

משוואה (1.2) מראה כי עוצמת הכוח האלקטרו-מוטיבי של הסוללה תלויה בעיקר בתכונות הטבועות של החומרים המעורבים בתגובה הכימית, בתנאי התגובה (כגון טמפרטורה) במהלך פעולת הסוללה, ובפעילות המגיבים והמוצרים, ואינה מושפעת מגיאומטריית הסוללה או מגודלה.

מתח מעגל פתוח

מתח המעגל הפתוח- של סוללה מתייחס להבדל הפוטנציאל בין המסוף החיובי והשלילי כאשר המעגל החיצוני מנותק מהסוללה. חשוב לציין שמכיוון שייתכן שהטרמינלים החיוביים והשליליים לא הגיעו לשיווי משקל תרמודינמי בתמיסת האלקטרוליטים, מתח המעגל הפתוח- בדרך כלל נמוך מעט מהכוח האלקטרו-מוטיבי (EMF) שלו. ה-EMF הוא ערך תיאורטי המחושב על סמך נוסחאות תרמודינמיות, בעוד שמתח המעגל הפתוח- הוא ערך ממשי המתקבל באמצעות מדידה ניסיונית ישירה; השניים קרובים מאוד בערכם. כדי לקבוע במדויק את מתח המעגל הפתוח-, אין זרם לזרום דרך מכשיר המדידה במהלך תהליך המדידה; בדרך כלל משתמשים במד מתח עם התנגדות- גבוהה לבדיקה זו.

יתר על כן, הרעיון של מתח נומינלי משמש גם במחקר ייצור. מתח נומינלי הוא קירוב מתאים למתח של סוללה, המכונה גם מתח מדורג, ומשמש לזיהוי סוג הסוללה. לדוגמה, מתח המעגל הפתוח- של סוללת חומצה עופרת- קרוב ל-2.1V, והמתח הנומינלי שלה מוגדר ל-2.0V; המתח הנומינלי של סוללת אבץ-מנגן הוא 1.5V; והמתח הנומינלי של סוללת קדמיום-ניקל וסוללת ניקל-מתכת הידריד הוא 1.2V.

התנגדות פנימית

ההתנגדות הפנימית של סוללה, המכונה בדרך כלל התנגדות פנימית (R_{פְּנִימִי}), מתייחס להתנגדות שנתקלת בה כאשר זרם זורם דרך הסוללה. התנגדות פנימית זו מורכבת בעיקר משני חלקים: האחד הוא ההתנגדות הפנימית האוהמית הנגרמת מתכונות החומר עצמו; השני הוא ההתנגדות הפנימית הנוספת של הקיטוב שנוצרת על ידי תופעת הקיטוב על פני האלקטרודה במהלך התגובה האלקטרוכימית.

ההתנגדות האוהמית (R₀) מושפע ממאפייני האלקטרוליט, תכונות הממברנה ומחומר האלקטרודה. ההתנגדות האוהמית של תמיסת אלקטרוליט קשורה קשר הדוק להרכב הספציפי שלה, רמת הריכוז ולטמפרטורת הסביבה. בדרך כלל, ריכוז האלקטרוליטים עבור סוללות נבחר בטווח המוליכות הגבוהה ביותר. ההתנגדות הנגרמת על ידי המיקרונקבוביות של הממברנה לנדידת יוני אלקטרוליט נקראת התנגדות ממברנה, כלומר, ההתנגדות בה נתקלים יונים כשהם עוברים דרך המיקרונקבוביות של הממברנה. ההתנגדות האוהמית של הממברנה קשורה לגורמים כגון סוג האלקטרוליט, חומר הממברנה, נקבוביות ומידת פיתול הנקבוביות. התנגדות הפאזה המוצקה על האלקטרודות כוללת את ההתנגדות של חלקיקי החומר הפעיל עצמם, את התנגדות המגע בין חלקיקים, את התנגדות המגע בין החומר הפעיל למסגרת המוליכה, ואת סכום ההתנגדויות של המסגרת המוליכה, הפסים המוליכים והטרמינלים. במהלך הפריקה, ההרכב והמורפולוגיה של החומר הפעיל עשויים להשתנות, וכתוצאה מכך שינויים משמעותיים בהתנגדות. כדי להפחית את ההתנגדות של-שלבים מוצקים, רכיבים מוליכים, כגון גרפיט שחור -אצטילן, מתווספים לעתים קרובות לחומר הפעיל כדי להגביר את המוליכות שלו. ההתנגדות הפנימית האוהמית של סוללה קשורה גם לגורמים כמו הגודל, הרכבה והמבנה שלה. ככל שהמכלול קומפקטי יותר וככל שמרווח האלקטרודות קטן יותר, ההתנגדות הפנימית האוהמית נמוכה יותר.

התנגדות קיטוב (R) מתייחסת להתנגדות הפנימית שנוצרת במקור כוח כימי עקב קיטוב במהלך תגובות אלקטרוכימיות באלקטרודות החיוביות והשליליות. התנגדות קיטוב כוללת את סכום ההתנגדויות הנגרמות מקיטוב אלקטרוכימי וקיטוב ריכוז. גודלו מושפע מתכונות החומרים הפעילים, מבנה האלקטרודות ותהליך ייצור הסוללה, והוא קשור באופן הדוק במיוחד למצב הפעולה של הסוללה. לכן, התנגדות הקיטוב משתנה בהתאם עם שינויים במצב הפריקה ובזמן הפריקה.

מתח הפעלה

מתח הפעולה של סוללה, הידוע גם כמתח העומס או מתח הפריקה, מתייחס להפרש הפוטנציאל בין המסוף החיובי והשלילי של הסוללה כאשר זרם זורם דרך מעגל חיצוני. כאשר זרם זורם דרך הסוללה, על מנת להתגבר על ההתנגדות הנגרמת על ידי התנגדות קיטוב והתנגדות אומה, ערך מתח הפעולה הנמדד בפועל תמיד נמוך ממתח המעגל הפתוח בתנאי-לא עומס.

כפי שניתן לראות ממשוואה (1.3), ככל שההתנגדות הפנימית של הסוללה גדולה יותר, מתח הפעולה של הסוללה נמוך יותר, ותפוקת האנרגיה בפועל קטנה יותר. ברור שההתנגדות הפנימית של הסוללה צריכה להיות קטנה ככל האפשר.