Salah satu karakteristik kinerja terpenting daribaterai penyimpan energiadalah kinerja pelepasannya. Untuk mengkarakterisasi perilaku pengosongan baterai dalam kondisi yang berbeda, perlu dilakukan pengukuran kurva pengosongan baterai, yang biasanya berupa kurva yang menunjukkan perubahan tegangan pengosongan seiring waktu. Kondisi pembuangan yang berbeda dicirikan oleh strategi pembuangan, dan strategi pembuangan yang berbeda akan menghasilkan kurva pembuangan yang berbeda. Strategi pelepasan biasanya mencakup metode pelepasan, arus pelepasan, tegangan terminasi, dan suhu sekitar.
Metode pelepasan
Ada tiga cara baterai dapat dikosongkan: pelepasan arus konstan, pelepasan resistansi konstan, dan pelepasan daya konstan. Kurva pelepasan tipikal ditunjukkan pada Gambar 1-5, yang mengilustrasikan perubahan arus pelepasan, tegangan, dan daya terhadap waktu pelepasan pada ketiga mode pelepasan ini.
Selama pengosongan-resistansi konstan, tegangan pengoperasian baterai dan arus pengosongan baterai secara bertahap menurun seiring waktu. Demikian pula, pada pengosongan arus-konstan, tegangan pengoperasian juga menurun seiring dengan berlanjutnya proses pengosongan. Penurunan tegangan pengoperasian dengan waktu pengosongan yang lama disebabkan oleh peningkatan resistansi internal baterai. Selain itu, dengan meningkatnya penggunaan daya baterai pada perkakas listrik, kendaraan listrik, dan aplikasi lainnya, pelepasan daya-yang konstan menjadi lebih umum. Selama pengosongan daya-yang konstan, tegangan baterai terus menurun sementara arus pengosongan terus meningkat seiring dengan berlangsungnya pengosongan.
Arus pelepasan
Selama pengoperasian baterai, arus yang dihasilkannya disebut arus pelepasan. Arus pelepasan juga biasa disebut sebagai laju pelepasan, dan sering kali dinyatakan dengan laju per jam (juga dikenal sebagai laju per jam) dan pengali.
Laju pengosongan mengacu pada laju pengosongan baterai, yang diukur dalam waktu pengosongan. Secara khusus, ini adalah waktu yang diperlukan untuk melepaskan sepenuhnya kapasitas baterai menggunakan arus pengosongan tertentu, biasanya dinyatakan dalam jam (h). Misalnya, untuk baterai dengan kapasitas tetapan 10 amp-jam (A·h), jika daya habis dengan arus 2A, laju pengosongan yang sesuai adalah 5 jam (10A·h/2A=5h), artinya baterai habis dengan kecepatan 5 jam.
Tingkat pengosongan mengacu pada nilai saat ini, yang dinyatakan sebagai kelipatan dari kapasitas terukur baterai, ketika kapasitas penuh baterai dilepaskan sepenuhnya dalam waktu tertentu. Misalnya, pengosongan 2C berarti arus pengosongan adalah dua kali kapasitas pengenal baterai, biasanya diwakili oleh 2C (dengan C mewakili kapasitas pengenal baterai). Untuk baterai dengan kapasitas pengenal 10A·h, pengosongan 2C (ada masalah dimensi di sini, yaitu satuan kapasitas dan arus tidak sama, tetapi ini adalah penggunaan umum, jadi tidak akan diubah) berarti arus pengosongan adalah 2 x 10=20 (A), sesuai dengan laju pengosongan 0,5 jam. Berbagai jenis dan desain baterai memiliki kemampuan beradaptasi yang berbeda terhadap kondisi pengosongan daya: beberapa lebih cocok untuk pengosongan arus rendah, sementara baterai lainnya berperforma lebih baik pada arus tinggi. Secara umum, tingkat debit yang kurang dari atau sama dengan 0,5C disebut tingkat rendah; suhu antara 0,5C dan 3,5C disebut tarif menengah; suhu antara 3,5C dan 7C disebut tingkat tinggi; dan suhu yang melebihi 7C disebut tingkat{20}sangat tinggi.
Tegangan terminasi
Selama pengosongan baterai, nilai tegangan awal didefinisikan sebagai tegangan operasi awal; ketika tegangan turun ke ambang batas di mana pelepasan lebih lanjut tidak lagi sesuai, titik tegangan ini disebut tegangan terminasi. Nilai spesifik tegangan terminasi ini biasanya ditentukan oleh penguji berdasarkan persyaratan pengujian aktual dan pengalaman masa lalu.
Tegangan terminasi yang disetel bervariasi tergantung pada kondisi pengosongan yang berbeda dan dampaknya terhadap kapasitas dan masa pakai baterai. Tegangan terminasi yang lebih rendah biasanya digunakan dalam lingkungan bersuhu rendah atau dalam kondisi pengosongan arus tinggi, sedangkan tegangan terminasi yang lebih tinggi biasanya diatur dalam kondisi pengosongan arus rendah. Hal ini karena polarisasi antara elektroda baterai meningkat secara signifikan selama pengosongan-suhu rendah atau arus-tinggi, yang mengakibatkan pemanfaatan bahan aktif tidak lengkap dan penurunan tegangan lebih cepat. Oleh karena itu, menurunkan tegangan terminasi secara tepat membantu melepaskan lebih banyak energi. Sebaliknya, bila menggunakan pelepasan arus{9}}rendah, komponen aktif dalam baterai digunakan secara lebih maksimal. Dalam hal ini, meningkatkan tegangan terminasi untuk membatasi pengosongan yang dalam dapat secara efektif memperpanjang masa pakai baterai secara keseluruhan.
Suhu lingkungan
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-6, suhu lingkungan mempunyai dampak yang signifikan terhadap kurva debit. Pada suhu yang lebih tinggi, kurva debit menunjukkan tren yang relatif landai; Namun, seiring menurunnya suhu, perubahan ini menjadi semakin drastis. Alasan mendasarnya adalah pada suhu rendah, laju migrasi ion menurun, menyebabkan peningkatan resistansi internal ohmik. Dalam kasus ekstrim, jika suhu terlalu rendah, elektrolit dapat membeku, sehingga menghambat proses pengosongan baterai secara normal. Selain itu, pada suhu yang lebih rendah, polarisasi elektrokimia dan polarisasi konsentrasi meningkat, sehingga semakin mempercepat laju peluruhan kurva pelepasan.
Gambar 1-6 Kurva pengosongan baterai timbal-asam pada suhu lingkungan berbeda
Kapasitas dan kapasitas spesifik
Kapasitas baterai mengacu pada jumlah listrik yang dapat diperoleh dari baterai dalam kondisi pengosongan tertentu. Satuannya biasanya dinyatakan dalam ampere-jam (Ah). Tergantung pada situasi aktual, kapasitas baterai dapat dibagi lagi menjadi kapasitas teoritis, kapasitas aktual, dan kapasitas terukur.
Kapasitas teoritis (Co) mengacu pada jumlah listrik yang dapat disediakan dalam kondisi ideal ketika bahan aktif berpartisipasi penuh dalam reaksi elektrokimia baterai. Nilai ini dihitung berdasarkan massa bahan aktif, mengikuti hukum Faraday. Hukum Faraday menyatakan bahwa terdapat hubungan berbanding lurus antara massa bahan yang berpartisipasi dalam reaksi di elektroda dan jumlah muatan yang ditransfer; ketika 1 mol bahan aktif ikut serta dalam proses elektrokimia baterai, ia dapat melepaskan muatan yang setara dengan 26,8 A·h atau 1 farad (F). Oleh karena itu, ada rumus perhitungan berikut:
Dalam rumusnya, m adalah massa zat aktif ketika bereaksi sempurna; n adalah jumlah elektron yang diperoleh atau hilang selama reaksi aliran; dan M adalah massa molar zat aktif.
Dalam rumusnya, K disebut ekuivalen elektrokimia zat aktif.
Seperti ditunjukkan dalam persamaan (1.5), kapasitas teoritis suatu elektroda berhubungan dengan massa bahan aktif dan ekuivalen elektrokimia. Dengan massa bahan aktif yang sama, semakin kecil ekuivalen elektrokimianya, semakin besar kapasitas teoritisnya. Setara elektrokimia dari beberapa bahan elektroda ditunjukkan pada Tabel 1-3.
Tabel 1-3 Setara Elektrokimia Beberapa Bahan Elektroda
| Bahan Elektroda Negatif | Kepadatan (g/cm³) | Kapasitas Spesifik (mA·h/g) | Bahan Elektroda Positif | Kepadatan (g/cm³) | Kapasitas Spesifik (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| mg | 0.74 | 0.454 | Yang lalu | 7.4 | 2.31 |
| Al | 2.699 | 0.335 | JADI₂ | 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 |
| hal | 11.34 | 3.87 | I₂ | 4.94 | 4.73 |
Selain itu, konsep kapasitas aktual dan kapasitas terukur sering digunakan. Kapasitas sebenarnya mengacu pada jumlah total listrik yang dapat disediakan baterai dalam kondisi pengosongan tertentu. Kapasitas aktual tidak hanya dibatasi oleh nilai maksimum teoritis tetapi juga oleh kondisi debit tertentu.
Sebaliknya, kapasitas terukur adalah standar yang ditetapkan untuk baterai selama proses desain dan produksi; yaitu, kapasitas keluaran minimum yang harus dicapai baterai dalam kondisi pengosongan tertentu, yang juga dikenal sebagai kapasitas nominal.
Saat membandingkan berbagai jenis baterai dalam seri yang sama, kapasitas spesifik biasanya digunakan untuk evaluasi. Secara khusus, kapasitas spesifik mengacu pada jumlah listrik yang dapat disediakan oleh baterai per satuan massa atau volume, yaitu kapasitas spesifik massa (Ah/kg) dan kapasitas spesifik volumetrik (Ah/L). Penting untuk diperhatikan bahwa saat menghitung massa dan volume baterai, selain mempertimbangkan bahan elektroda dan elektrolit, komponen baterai lainnya juga harus diperhitungkan, seperti casing, pemisah, dan komponen konduktif terkait. Khusus untuk baterai penyimpan dan sel bahan bakar, massa dan volume totalnya juga mencakup semua peralatan bantu yang diperlukan, seperti tangki untuk menyimpan cairan, perangkat aktivasi (untuk baterai penyimpan), atau sistem penyimpanan dan suplai bahan aktif, sistem kendali, unit pemanas, dll (untuk sel bahan bakar).
Dengan memperkenalkan konsep kapasitas spesifik, kita dapat membandingkan kinerja baterai dari berbagai jenis dan ukuran. Kapasitas baterai dibagi menjadi kapasitas teoritis dan kapasitas aktual; Sejalan dengan itu, kapasitas khusus juga memiliki aspek teoretis dan aktual.
Energi dan energi spesifik
Energi baterai mengacu pada total energi listrik yang dihasilkan baterai saat melakukan pekerjaan dalam kondisi pengosongan daya tertentu, umumnya dinyatakan dalam watt-jam (W·h). Energi baterai juga mempunyai energi teoritis dan energi aktual.
Dengan asumsi baterai tetap dalam kesetimbangan selama pengosongan dan tegangan pelepasannya konstan sama dengan gaya gerak listriknya, dan juga dengan asumsi semua bahan aktif ikut serta dalam reaksi kimia, maka energi yang disediakan oleh baterai harus sama dengan energi maksimum teoretisnya Wo.
Energi teoritis baterai adalah kerja non-volume maksimum yang dilakukan oleh baterai pada suhu konstan, tekanan konstan, dan kondisi pengosongan yang dapat dibalik.
Energi aktual (W) mengacu pada energi sebenarnya yang disediakan oleh baterai dalam kondisi pengosongan tertentu. Hal ini diperoleh secara numerik dengan mengalikan kapasitas aktual dengan tegangan operasi rata-rata. Karena bahan aktif di dalam baterai tidak dapat dimanfaatkan sepenuhnya, dan tegangan operasinya biasanya lebih rendah dari gaya gerak listrik teoritis, energi aktual selalu lebih kecil dari energi teoritis.
Energi spesifik mengacu pada energi yang dilepaskan oleh baterai per satuan massa atau satuan volume. Keluaran energi per satuan massa baterai didefinisikan sebagai energi spesifik massa, biasanya diukur dalam watt-jam per kilogram (Wh/kg). Keluaran energi per satuan volume baterai didefinisikan sebagai energi spesifik volumetrik, biasanya dinyatakan dalam watt-jam per liter (Wh/L). Selanjutnya konsep energi spesifik massa dapat dibagi lagi menjadi teoritis (W) dan aktual (W), dimana energi spesifik massa teoritis dapat dihitung menggunakan persamaan (1.9):
Dalam rumusnya, K+ adalah ekuivalen elektrokimia dari bahan elektroda positif; K- adalah ekuivalen elektrokimia dari bahan elektroda negatif; dan E adalah gaya gerak listrik baterai.
Kekuasaan dan kekuasaan spesifik
Daya baterai mengacu pada keluaran energi baterai per satuan waktu dalam kondisi pengosongan tertentu, dan satuan ukurannya adalah watt (W) atau kilowatt (kW). Ketika daya keluaran ini dipertimbangkan dalam kaitannya dengan massa atau volume baterai, maka diperoleh konsep daya spesifik. Secara khusus, daya spesifik massa mengukur berapa watt daya yang dapat disediakan oleh satuan massa baterai, dan satuannya adalah W/kg; sedangkan daya spesifik volumetrik mencerminkan daya yang dihasilkan oleh satuan volume baterai, dan satuannya adalah W/L.
Daya dan daya spesifik menunjukkan tingkat pengosongan baterai. Daya baterai yang lebih tinggi berarti baterai dapat habis dengan arus yang tinggi atau kecepatan yang tinggi. Misalnya, baterai seng-perak dapat mencapai daya spesifik lebih dari 100 W/kg saat pemakaiannya pada kepadatan arus sedang, yang menunjukkan resistansi internal yang rendah dan kinerja pengosongan laju-tinggi yang baik. Sebaliknya, baterai sel kering seng-mangan hanya dapat mencapai daya spesifik sebesar 10 W/kg ketika beroperasi pada kepadatan arus rendah, yang menunjukkan resistansi internal yang tinggi dan kinerja pengosongan laju-tinggi yang buruk. Mirip dengan energi baterai, daya juga memiliki daya teoretis dan daya aktual.
Kekuatan teoritis baterai dapat dinyatakan sebagai:
Dalam rumusnya, t adalah waktu; Co adalah kapasitas teoritis baterai; dan aku adalah arusnya.
Kekuatan sebenarnya dari baterai seharusnya:
Dalam rumusnya, I2R mewakili daya yang dikonsumsi oleh resistansi internal baterai. Kekuatan ini tidak berguna untuk beban yang diberikan; itu pada dasarnya diubah menjadi energi panas dan dilepaskan sebagai panas.
Siklus hidup
Untuk baterai, siklus hidup, atau siklus penggunaan, merupakan salah satu indikator utama untuk mengevaluasi kinerja baterai. Setiap siklus pengisian-pengosongan penuh dianggap sebagai periode waktu untuk baterai.
Dalam kondisi pengisian daya-pengosongan tertentu, jumlah siklus yang dapat ditahan baterai sebelum kapasitasnya turun ke nilai tertentu ditentukan sebagai siklus hidup atau siklus penggunaannya. Semakin lama masa pakai baterai, semakin baik kinerja siklus baterai. Berbagai jenis baterai menunjukkan masa pakai siklus yang berbeda; misalnya, baterai nikel-kadmium dapat mencapai ribuan siklus, sedangkan baterai seng-perak memiliki siklus yang relatif lebih sedikit, bahkan ada yang kurang dari seratus. Perlu dicatat bahwa bahkan baterai dengan jenis yang sama dapat memiliki siklus hidup yang berbeda karena perbedaan struktur internalnya.
Siklus hidup baterai dipengaruhi oleh berbagai faktor. Selain penggunaan dan pemeliharaan yang benar, aspek-aspek utama berikut juga berlaku: ① Selama siklus pengisian-pengosongan, luas permukaan bahan aktif secara bertahap berkurang, menyebabkan peningkatan kepadatan arus pengoperasian dan peningkatan polarisasi; ② Komponen aktif pada elektroda dapat terlepas atau berpindah; ③ Selama pengoperasian baterai, beberapa bahan elektroda mungkin terkorosi; ④ Dendrit yang terbentuk pada elektroda selama siklus dapat menyebabkan korsleting di dalam baterai; ⑤ Pemisah mungkin rusak; ⑥ Morfologi kristal bahan aktif berubah selama siklus pelepasan muatan-berulang, sehingga mengurangi aktivitasnya.
Kinerja penyimpanan
Performa penyimpanan baterai mengacu pada tingkat hilangnya energi alami di dalam baterai saat baterai berada dalam keadaan-terbuka dalam kondisi lingkungan tertentu (seperti suhu dan kelembapan). Fenomena ini juga dikenal sebagai-pelepasan diri. Jika proporsi kehilangan energi selama penyimpanan kecil, hal ini menunjukkan bahwa baterai memiliki kinerja penyimpanan yang sangat baik.
Saat baterai berada dalam keadaan-rangkaian terbuka, meskipun tidak menyuplai energi listrik ke luar, baterai tetap mengalami proses-pengosongan otomatis. Fenomena ini terutama disebabkan oleh ketidakstabilan termodinamika elektroda dalam lingkungan elektrolit, yang menyebabkan reaksi redoks spontan antar elektroda. Bahkan dalam kondisi kering, jika segelnya tidak cukup rapat, infiltrasi faktor eksternal seperti udara atau kelembapan masih dapat memicu efek-pengosongan otomatis di dalam baterai.
Laju-pengosongan otomatis juga dapat dinyatakan sebagai jumlah hari yang diperlukan agar kapasitas baterai turun ke nilai tertentu saat disimpan, yang dikenal sebagai umur simpan. Ada umur simpan kering dan umur simpan basah. Misalnya baterai penyimpan, tanpa menambahkan elektrolit sebelum digunakan, dapat disimpan dalam waktu lama; baterai seperti itu dapat memiliki umur simpan kering yang lama. Penyimpanan dengan elektrolit disebut penyimpanan basah; penyimpanan basah menghasilkan efek-pelepasan sendiri yang lebih kuat dan umur simpan basah yang relatif lebih pendek. Misalnya, baterai seng-perak dapat memiliki umur simpan kering selama 5–8 tahun, sedangkan umur simpan basah biasanya hanya beberapa bulan.