Jak teplota ovlivňuje kapacitu baterie?

Provozní podmínky olověných akumulátorů, ať už jako součást záložních zdrojů používaných v automatizačních a telemechanických systémech pro druhy dopravy, telekomunikačních zařízení, zabezpečovacích a protipožárních systémů a dalších zařízení, umožňují jejich různé umístění a instalaci přímo na provozním místě. samotné zařízení.. Pokud jsou olověné baterie umístěny uvnitř ve speciálně vybavených bateriových místnostech s topnými, ventilačními a klimatizačními systémy, pak se jejich provozní podmínky zpravidla jen málo liší od podmínek předepsaných výrobcem. Zvláštní pozornost si zaslouží provozní podmínky baterií v externích skříních, kde není prakticky žádný rozdíl s okolní teplotou. V tomto případě nejsou vždy splněny požadavky na režim nabíjení baterie, často jsou provozovány při nízkých a dokonce i mínusových teplotách. To zase omezuje nejen dostupnou vybíjecí kapacitu baterií, ale také často vede k jejich neustálému podbíjení.

Všechny technické charakteristiky olověných akumulátorů, včetně projektované životnosti, jsou stanoveny pro referenční teplotu 20° (obvykle pro evropské výrobce) nebo 25°C (hlavně pro výrobce v jihovýchodní Asii), v závislosti na sérii baterií a výrobci. Udržet tuto teplotu po celou dobu životnosti je velmi obtížné, proto se doporučená provozní teplota bez použití teplotního korekčního koeficientu pohybuje mezi 10-30°C. Mnoho typů baterií v této řadě nevyžaduje regulaci nabíjecího napětí pomocí teplotního koeficientu.

Závislost kapacity baterie na teplotě

Jak je uvedeno výše, provozní podmínky baterie v externích skříních se výrazně liší od podmínek doporučených výrobcem. V zimě v nich v závislosti na regionu může teplota klesnout i pod -50°C. Proto jsou za těchto podmínek baterie nabíjeny zpravidla zvýšeným napětím na bázi 0,003 V/°C, odlišným od doporučeného výrobcem.

Při provozu olověných akumulátorů při nízkých teplotách je omezena jejich přípustná vybíjecí kapacita.

U uzavřených olověných baterií („AGM“ a „GEL“) jsou v tabulce uvedeny přibližné údaje o závislosti kapacity v procentech z okolní teploty.

Přibližný graf závislosti dodávaného výkonu (Cap.) jako procento jmenovitého výkonu na teplotě (°C) je uveden na Obr. 1. Pokud předpokládáme, že 100% kapacita baterie odpovídá teplotě 25°C, pak graf ukazuje, že s poklesem teploty jiným než 25°C se uvolněná kapacita baterií snižuje a s nárůstem naopak klesá. zvyšuje se.

Toto chování olověného akumulátoru se vysvětluje inverzní závislostí jeho vnitřního odporu na teplotě. Hodnota odporu se zvyšuje především v důsledku zhoršování vodivosti elektrolytu a také s vybíjením baterie. Je to dáno tím, že při záporných teplotách klesá rychlost difúze iontů elektrolytu (a jeho koncentrace v pórech aktivní hmoty), vodivost samotné aktivní hmoty a separátoru. V tomto případě se elektrická vodivost jako celek snižuje.

S nárůstem vnitřního odporu se zvyšuje polarizace a vytvářejí se podmínky pro tvorbu jemně krystalických hustých usazenin síranu olovnatého, způsobujících pasivaci záporné elektrody.

Pokud si vzpomeneme na Ohmův zákon pro úplný obvod (I= ε/R+r), který stanoví vztah mezi proudovou silou, elektromotorickou silou (EMF) a vnějším a vnitřním odporem v obvodu, můžeme vidět, že čím vyšší je vnitřní odpor (zejména elektrolytu) a zvyšuje se s klesající teplotou, čím menší je proud dodávaný baterií, a tedy i kapacita baterie samotné.

Dynamika poklesu napětí baterie při vybíjení závisí na změně EMF prvku, dynamice růstu jeho vnitřního odporu a také na velikosti vybíjecího proudu. Jinými slovy, čím nižší je teplota baterie a čím vyšší je vybíjecí proud, tím rychleji bude klesat napětí na jejích svorkách a tím menší bude odebraná kapacita. Dochází k efektu tzv. „zdánlivé“ ztráty kapacity, kdy je přísun nezreagovaných účinných látek ještě dostatečný a vybíjení musí být zastaveno z důvodu nepřijatelného poklesu napětí na svorkách baterie.

Bod tuhnutí elektrolytu

S klesající teplotou roste viskozita elektrolytu, což ztěžuje jeho průnik do pórů hlubokých vrstev aktivní hmoty desek. V tomto případě se povrchové vrstvy aktivní hmoty rychle přemění na PbS04 a krystaly PbS04 uzavřou póry aktivní hmoty, a proto chemická energie uložená v hlubokých vrstvách aktivní hmoty desek není zcela využita a kapacita vybíjení baterie klesá. Při poklesu teploty elektrolytu pod +25 °C se kapacita baterie při vybíjení proudem odpovídajícím 0,05 Cnom. sníží o 1 % za každý stupeň poklesu teploty a při vyšším vybíjecím proudu o větší množství.

Provoz baterie při nízkých teplotách pod nulou je navíc spojen s rizikem zamrznutí elektrolytu. Elektrolyt olověného akumulátoru je vodný roztok kyseliny sírové a přímo se účastní reakcí generujících proud. Vzhledem k tomu, že se při výboji spotřebovávají molekuly kyseliny sírové a vznikají molekuly vody, hustota elektrolytu postupně klesá.

Při posuzování výkonu baterie při teplotách pod nulou je nutné při ubírání projektované kapacity vzít v úvahu nejen jmenovitou (počáteční) hustotu jejího elektrolytu, ale také hustotu na konci vybíjení.

Počáteční hustota elektrolytu plně nabité baterie závisí na její konstrukci a technologii výroby. Například baterie s volným elektrolytem mohou mít v závislosti na modelu jmenovitou počáteční hustotu: 1,22; 1,24; 1,26 kg/l. Teploty mrazu elektrolytu těchto plně nabitých baterií jsou: -32; -42 a -54°C, to znamená baterii s elektrolytem o hustotě 1,24 kg/l nelze vybíjet při teplotách pod -40°C~-45°C z důvodu nebezpečí zamrznutí. Provoz baterie při teplotách pod bodem mrazu elektrolytu plně nabité baterie je proto nepřijatelný.

Rozsah zmrazování elektrolytu je přibližně stejný pro všechny typy olověných akumulátorů. Průměrný graf závislosti teploty tuhnutí elektrolytu na hustotě elektrolytu je uveden v rýže. 2.

Navíc v závislosti na teplotě by měla být omezena hloubka jeho vypouštění. Čím nižší je provozní teplota, tím nižší je přípustná hloubka výtlaku. Proto je při záporných teplotách nutné používat baterie s vyšší jmenovitou kapacitou.

Pokud je tedy zamýšleno provozovat olověné akumulátory při nízkých teplotách, je nutné při výpočtu a výběru akumulátoru počítat s rezervní kapacitou.

Omezení extrakce kapacity baterie při záporných teplotách je nucené zastavení vybíjení nebo odebrání určitého množství elektřiny z baterií. Ekonomičtějším a technologicky vyspělejším řešením je použití vyhřívaných bateriových skříní, zejména v oblastech s chladným klimatem. Za ideálních podmínek by v nich teplota neměla klesnout pod 5°C. Tím by se zabránilo nebezpečí zamrznutí elektrolytu a omezil by se bezpečnostní faktor jmenovité kapacity vzhledem k vybíjecí kapacitě. Ale i udržování teploty ve skříni v optimálním rozsahu značně usnadní výběr baterie a její provoz bude předvídatelnější.

Určitě každý zažil efekt poklesu kapacity baterie v chladném počasí – při teplotách pod nulou nemusí plné nabití baterie stačit ani na 1 hovor. Kam jde kontejner? Může elektřina zamrznout? Elektrické vedení nezamrzá, že? Girlandy na městském vánočním stromku nezmrznou ani ve velmi silném mrazu.

Odpověď na tuto otázku je jednoduchá: elektrický proud ve vodičích vzniká proudem elektronů. Elektrony se pod vlivem napětí pohybují směrově po krystalové mřížce kovů a čím nižší je teplota, tím nižší je odpor. Při ultranízkých teplotách je pozorován dokonce fenomén supravodivosti. Proud v bateriích vzniká tokem iontů, jejichž velikost je srovnatelná s velikostí molekul elektrodových materiálů a elektrolytu. Navíc, pokud se elektrické pole šíří rychlostí světla, pak elektrony driftují rychlostí 1-3 mm za sekundu a ionty „plavou“ v elektrolytu ještě pomaleji. Při záporných teplotách se zvyšuje viskozita elektrolytu, což nejen zpomaluje rychlost pohybu iontů, ale dokonce vede k tomu, že některé z iontů nikdy neplavou z jedné elektrody na druhou a „zamrznou“ na cestě . Je charakteristické, že jak teplota stoupá, ztracený náboj se obnovuje.

S rostoucí teplotou klesá viskozita rozpouštědla a tloušťka solvatačních slupek iontů a snižuje se i interiontová interakce. To vše vede ke zvýšení mobility iontů.

Normální teplota

Normální teplota baterie, při které se provádějí všechny laboratorní testy a doporučuje se provoz a skladování baterie, se považuje za 20±5 o C nad nulou. V tomto teplotním rozsahu je provozní režim baterie považován za nejlepší z důvodu nepravděpodobnosti neobvyklých situací a poruch.

Vysoká teplota

Nepopiratelnou výhodou lithium-iontových baterií oproti jiným je, že jejich energetická hustota je velmi vysoká. Existuje však řada zvláštností. Například zvýšení teploty nevede k odpovídajícímu zvýšení kapacity. Proto je zbytečné zahřívat vybitou baterii, aby bylo možné uskutečnit poslední hovor. Dlouhodobé vystavení vysokým teplotám může mít škodlivý vliv na provoz baterie a vést k jejímu přehřátí. Životnost se snižuje v důsledku zvýšeného opotřebení. V nejhorším případě při překročení maximální přípustné teploty (105 o C) může začít řetězová reakce pokovování lithia, při které Li-ion baterie bobtná. Pokud je baterie dále vystavena vysokým teplotám, může se vznítit nebo dokonce explodovat. Tato situace se může stát realitou velmi zřídka, například když je telefon ponechán v koupelně, ve velmi horké místnosti nebo na slunci po dlouhou dobu bez dozoru. Pokud existuje podezření, že se baterie velmi zahřívá, můžete teplotu baterie zkontrolovat pomocí softwaru. Při kritické teplotě (60 o C) vám telefon popálí ruku, takovou baterii nelze použít. Nabobtnalá baterie musí být až do výměny umístěna v kovové nádobě, aby se zabránilo vznícení okolních předmětů v případě jejího odtlakování a samovznícení.

Poznámka:

Nízká teplota

Mobilní zařízení jsou teoreticky určena pro použití nejen v interiéru, navíc jsou nejdůležitější na cestách a venku. Většina zařízení, která fungují dobře při pokojové teplotě, však po ochlazení začne selhávat. Zejména lithiové baterie po ochlazení na 0 °C vykazují výrazné snížení kapacity. Při teplotách pod nulou je pokles kapacity doplněn poklesem napětí, které posune graf vybíjení doleva a dolů, čímž se dramaticky sníží efektivní kapacita (platforma) umístěná nad vypínací čárou. To vede k náhlým odstávkám. Nestabilní provoz a vypínání mohou začít při -10 o C po 20-30 minutách pobytu venku. Při návštěvě obchodů, úřadů nebo jízdě MHD tato situace pravděpodobně nenastane. I když máte v plánu vyrazit na lyže nebo na pěší túru do hor, po vložení telefonu do vnitřní kapsy bundy bude teplota vašeho těla stačit k udržení zařízení v provozuschopném stavu.

Je také nemožné efektivně nabíjet baterii při teplotách pod nulou. Baterie nepřijme nabíjení a i po dlouhém nabíjení zůstane nenabitá. Problém nevyřeší ani použití externích baterií v mrazu. Samotná powerbanka se rychle vybije bez nabíjení standardní baterie vašeho gadgetu.