L'une des caractéristiques de performance les plus importantes debatteries de stockage d'énergieest leur performance de décharge. Pour caractériser le comportement de décharge de la batterie dans différentes conditions, il est nécessaire de mesurer la courbe de décharge de la batterie, qui est généralement une courbe montrant l'évolution de la tension de décharge au fil du temps. Différentes conditions de débit sont caractérisées par des stratégies de débit, et différentes stratégies de débit entraîneront différentes courbes de débit. Les stratégies de décharge incluent généralement la méthode de décharge, le courant de décharge, la tension de terminaison et la température ambiante.
Méthode de décharge
Il existe trois façons de décharger une batterie : une décharge à courant constant, une décharge à résistance constante et une décharge à puissance constante. Les courbes de décharge typiques sont présentées dans la figure 1-5, qui illustre les modifications du courant de décharge, de la tension et de la puissance en fonction du temps de décharge dans ces trois modes de décharge.
Lors d'une décharge à résistance constante-, la tension de fonctionnement et le courant de décharge de la batterie diminuent progressivement au fil du temps. De même, sous une décharge à courant constant-, la tension de fonctionnement diminue également à mesure que le processus de décharge se poursuit. Cette diminution de la tension de fonctionnement avec un temps de décharge prolongé est due à l'augmentation de la résistance interne de la batterie. De plus, avec l'utilisation croissante de l'énergie des batteries dans les outils électriques, les véhicules électriques et d'autres applications, la décharge à puissance constante-devient de plus en plus répandue. Lors d'une décharge à puissance constante-, la tension de la batterie diminue continuellement tandis que le courant de décharge augmente continuellement à mesure que la décharge progresse.
Courant de décharge
Pendant le fonctionnement de la batterie, le courant qu’elle produit est appelé courant de décharge. Le courant de décharge est également communément appelé taux de décharge et est souvent exprimé à l'aide du taux horaire (également appelé taux horaire) et du multiplicateur.
Le taux de décharge fait référence à la vitesse à laquelle une batterie se décharge, mesurée en temps de décharge. Plus précisément, il s'agit du temps nécessaire pour libérer complètement la capacité de la batterie en utilisant un courant de décharge spécifique, généralement exprimé en heures (h). Par exemple, pour une batterie d'une capacité nominale de 10 ampères-heures (A·h), si elle est déchargée avec un courant de 2A, le taux de décharge correspondant est de 5 heures (10A·h/2A=5h), ce qui signifie que la batterie se décharge à un rythme de 5 heures.
Le taux de décharge fait référence à la valeur actuelle, exprimée en multiple de la capacité nominale de la batterie, lorsque la pleine capacité de la batterie est entièrement libérée dans un délai précis. Par exemple, une décharge 2C signifie que le courant de décharge est le double de la capacité nominale de la batterie, généralement représentée par 2C (où C représente la capacité nominale de la batterie). Pour une batterie d'une capacité nominale de 10 A·h, une décharge 2C (il y a ici un problème dimensionnel, c'est-à-dire que les unités de capacité et de courant ne sont pas les mêmes, mais il s'agit d'un usage courant, donc elle ne sera pas modifiée) signifie que le courant de décharge est de 2 x 10=20 (A), correspondant à un taux de décharge de 0,5 h. Différents types et conceptions de batteries ont une adaptabilité différente aux conditions de décharge : certaines sont plus adaptées à une décharge à faible courant-, tandis que d'autres fonctionnent mieux à des courants élevés. Généralement, les taux de décharge inférieurs ou égaux à 0,5C sont appelés taux faibles ; ceux compris entre 0,5C et 3,5C sont appelés taux moyens ; ceux compris entre 3,5°C et 7°C sont appelés taux élevés ; et ceux dépassant 7C sont appelés taux ultra-élevés.
Tension de terminaison
Pendant la décharge de la batterie, la valeur de tension initiale est définie comme la tension de fonctionnement de démarrage ; lorsque la tension chute jusqu'à un seuil auquel une décharge supplémentaire n'est plus appropriée, ce point de tension est appelé tension de terminaison. La valeur spécifique de cette tension de terminaison est généralement définie par le testeur en fonction des exigences réelles des tests et de l'expérience passée.
La tension de terminaison définie varie en fonction des différentes conditions de décharge et de leur impact sur la capacité et la durée de vie de la batterie. Des tensions de terminaison inférieures sont généralement utilisées dans des environnements à basse -température ou dans des conditions de décharge de courant -élevées, tandis que des tensions de terminaison plus élevées sont généralement définies dans des conditions de décharge de courant -faibles. En effet, la polarisation entre les électrodes de la batterie augmente considérablement lors d'une décharge à basse -température ou à courant élevé-, ce qui entraîne une utilisation incomplète des matériaux actifs et une chute de tension plus rapide. Par conséquent, une réduction appropriée de la tension de terminaison permet de libérer plus d’énergie. À l'inverse, lors de l'utilisation d'une décharge à faible courant-, les composants actifs de la batterie sont utilisés plus pleinement. Dans ce cas, augmenter la tension de terminaison pour limiter les décharges profondes peut effectivement prolonger la durée de vie globale de la batterie.
Température ambiante
Comme le montre la figure 1-6, la température ambiante a un impact significatif sur la courbe de décharge. À des températures plus élevées, la courbe de décharge présente une tendance relativement douce ; cependant, à mesure que la température diminue, ce changement devient de plus en plus radical. La raison fondamentale est qu’à basse température, le taux de migration des ions diminue, entraînant une augmentation de la résistance interne ohmique. Dans des cas extrêmes, si la température est trop basse, l'électrolyte peut geler, entravant ainsi le processus normal de décharge de la batterie. De plus, à des températures plus basses, la polarisation électrochimique et la polarisation de concentration sont améliorées en conséquence, accélérant encore le taux de décroissance de la courbe de décharge.
Figure 1-6 Courbes de décharge des batteries au plomb à différentes températures ambiantes
Capacité et capacité spécifique
La capacité de la batterie fait référence à la quantité d'électricité qui peut être obtenue à partir d'une batterie dans certaines conditions de décharge. L'unité est généralement exprimée en ampère-heure (Ah). En fonction de la situation réelle, la capacité de la batterie peut être divisée en capacité théorique, capacité réelle et capacité nominale.
La capacité théorique (Co) fait référence à la quantité d'électricité qui peut être fournie dans des conditions idéales lorsque le matériau actif participe pleinement à la réaction électrochimique de la batterie. Cette valeur est calculée en fonction de la masse de la matière active, selon la loi de Faraday. La loi de Faraday stipule qu'il existe une relation proportionnelle directe entre la masse du matériau participant à la réaction au niveau de l'électrode et la quantité de charge qu'il transfère ; lorsque 1 mole de matière active participe au processus électrochimique de la batterie, elle peut libérer une charge équivalente à 26,8 A·h ou 1 farad (F). Il existe donc la formule de calcul suivante :
Dans la formule, m est la masse de la substance active lorsqu'elle réagit complètement ; n est le nombre d'électrons gagnés ou perdus pendant la réaction d'écoulement ; et M est la masse molaire de la substance active.
Dans la formule, K est appelé l'équivalent électrochimique de la substance active.
Comme le montre l'équation (1.5), la capacité théorique d'une électrode est liée à la masse du matériau actif et à l'équivalent électrochimique. A masse de matière active égale, plus l’équivalent électrochimique est petit, plus la capacité théorique est grande. Les équivalents électrochimiques de certains matériaux d'électrode sont présentés dans le tableau 1-3.
Tableau 1-3 Equivalents électrochimiques de certains matériaux d'électrode
| Matériau de l'électrode négative | Densité (g/cm³) | Capacité spécifique (mA·h/g) | Matériau de l'électrode positive | Densité (g/cm³) | Capacité spécifique (mA·h/g) |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | - | 0.037 | O₂ | - | 0.30 |
| Li | 0.534 | 0.259 | SOCl₂ | 1.63 | 2.22 |
| Mg | 0.74 | 0.454 | Il y a | 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 |
| 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 |
De plus, les notions de capacité réelle et de capacité nominale sont souvent utilisées. La capacité réelle fait référence à la quantité totale d’électricité qu’une batterie peut fournir dans des conditions de décharge spécifiques. La capacité réelle est limitée non seulement par la valeur maximale théorique mais également par les conditions de décharge spécifiques.
La capacité nominale, en revanche, est une norme définie pour la batterie lors du processus de conception et de fabrication ; c'est-à-dire la capacité de sortie minimale que la batterie doit atteindre dans des conditions de décharge spécifiées, également appelée capacité nominale.
Lorsque l’on compare différents types de batteries au sein d’une même série, une capacité spécifique est généralement utilisée pour l’évaluation. Plus précisément, la capacité spécifique fait référence à la quantité d'électricité qu'une batterie peut fournir par unité de masse ou de volume, c'est-à-dire la capacité spécifique massique (Ah/kg) et la capacité spécifique volumétrique (Ah/L). Il est important de noter que lors du calcul de la masse et du volume d'une batterie, en plus de prendre en compte les matériaux des électrodes et l'électrolyte, d'autres composants de la batterie doivent également être pris en compte, tels que le boîtier, le séparateur et les composants conducteurs associés. En particulier pour les accumulateurs et les piles à combustible, la masse et le volume totaux comprennent également tous les équipements auxiliaires nécessaires, tels que les réservoirs de stockage de liquides, les dispositifs d'activation (pour les accumulateurs) ou les systèmes de stockage et d'alimentation en matières actives, les systèmes de contrôle, les unités de chauffage, etc. (pour les piles à combustible).
En introduisant le concept de capacité spécifique, nous pouvons comparer les performances de batteries de différents types et tailles. La capacité de la batterie est divisée en capacité théorique et capacité réelle ; en conséquence, la capacité spécifique a également des aspects théoriques et réels.
Énergie et énergie spécifique
L'énergie de la batterie fait référence à l'énergie électrique totale produite par la batterie lors de l'exécution d'un travail dans des conditions de décharge spécifiques, généralement exprimée en watt-heures (W·h). L'énergie de la batterie a également une énergie théorique et une énergie réelle.
En supposant que la batterie reste en équilibre pendant la décharge et que sa tension de décharge est constante égale à sa force électromotrice, et en supposant également que tous les matériaux actifs participent à la réaction chimique, alors l'énergie fournie par la batterie devrait être égale à son énergie maximale théorique Wo.
L'énergie théorique d'une batterie correspond au travail maximal sans volume - effectué par la batterie dans des conditions de température constante, de pression constante et de décharge réversible.
L'énergie réelle (W) fait référence à l'énergie réellement fournie par une batterie dans certaines conditions de décharge. Elle est calculée numériquement en multipliant la capacité réelle par la tension de fonctionnement moyenne. Étant donné que les matériaux actifs à l’intérieur de la batterie ne peuvent pas être pleinement utilisés et que sa tension de fonctionnement est généralement inférieure à la force électromotrice théorique, l’énergie réelle est toujours inférieure à l’énergie théorique.
L'énergie spécifique fait référence à l'énergie libérée par une batterie par unité de masse ou par unité de volume. La production d'énergie par unité de masse de la batterie est définie comme l'énergie spécifique à la masse, généralement mesurée en watt-heures par kilogramme (Wh/kg). La production d'énergie par unité de volume de la batterie est définie comme l'énergie spécifique volumétrique, généralement exprimée en watt-heures par litre (Wh/L). De plus, le concept d'énergie spécifique peut être subdivisé en théorique (W) et réelle (W), où l'énergie massique théorique peut être calculée à l'aide de l'équation (1.9) :
Dans la formule, K+ est l'équivalent électrochimique du matériau de l'électrode positive ; K- est l'équivalent électrochimique du matériau de l'électrode négative ; et E est la force électromotrice de la batterie.
Puissance et puissance spécifique
La puissance de la batterie fait référence à la production d'énergie d'une batterie par unité de temps dans des conditions de décharge spécifiques, et son unité de mesure est le watt (W) ou le kilowatt (kW). Lorsque cette puissance de sortie est considérée par rapport à la masse ou au volume de la batterie, on obtient la notion de puissance spécifique. Plus précisément, la puissance spécifique à la masse mesure le nombre de watts de puissance qu'une unité de masse de batterie peut fournir, et son unité est le W/kg ; tandis que la puissance spécifique volumétrique reflète la puissance générée par une unité de volume de batterie, et son unité correspondante est W/L.
La puissance et la puissance spécifique indiquent le taux de décharge d'une batterie. Une puissance de batterie plus élevée signifie que la batterie peut se décharger à un courant ou à des taux élevés. Par exemple, une batterie zinc-argent peut atteindre une puissance spécifique de plus de 100 W/kg lors d'une décharge à une densité de courant moyenne, ce qui indique une faible résistance interne et de bonnes performances de décharge à taux élevé-. En revanche, une pile sèche au zinc-manganèse ne peut atteindre qu'une puissance spécifique de 10 W/kg lorsqu'elle fonctionne à une faible densité de courant, ce qui indique une résistance interne élevée et de mauvaises performances de décharge à haut-taux. Semblable à l’énergie de la batterie, la puissance a également une puissance théorique et une puissance réelle.
La puissance théorique d’une batterie peut s’exprimer comme suit :
Dans la formule, t est le temps ; Co est la capacité théorique de la batterie ; et je suis le courant.
La puissance réelle de la batterie doit être :
Dans la formule, je2R représente la puissance consommée par la résistance interne de la batterie. Cette puissance est inutile à la charge appliquée ; elle est essentiellement convertie en énergie thermique et libérée sous forme de chaleur.
Durée de vie
Pour les batteries, la durée de vie ou le cycle d’utilisation est l’un des indicateurs clés pour évaluer les performances de la batterie. Chaque cycle complet de charge-décharge est considéré comme une période de temps pour une batterie.
Dans des conditions de charge-décharge spécifiques, le nombre de cycles qu'une batterie peut supporter avant que sa capacité ne chute à une certaine valeur spécifiée est défini comme sa durée de vie ou son cycle d'utilisation. Plus la durée de vie du cycle est longue, meilleures sont les performances de cycle de la batterie. Différents types de batteries présentent des durées de vie différentes ; par exemple, les batteries au nickel-cadmium peuvent réaliser des milliers de cycles, tandis que les batteries au zinc-argent ont relativement moins de cycles, certaines même moins d'une centaine. Il convient de noter que même les batteries du même type peuvent avoir des durées de vie différentes en raison de différences dans leur structure interne.
La durée de vie d’une batterie est affectée par divers facteurs. Outre une utilisation et un entretien appropriés, les aspects clés suivants s'appliquent également : ① Pendant les cycles de charge-décharge, la surface du matériau actif diminue progressivement, entraînant une augmentation de la densité de courant de fonctionnement et une polarisation intensifiée ; ② Les composants actifs des électrodes peuvent se détacher ou se transférer ; ③ Pendant le fonctionnement de la batterie, certains matériaux d'électrode peuvent être corrodés ; ④ Les dendrites formées sur les électrodes pendant le cyclage peuvent provoquer des courts-circuits à l'intérieur de la batterie ; ⑤ Le séparateur peut être endommagé ; ⑥ La morphologie cristalline du matériau actif change au cours des cycles répétés de charge-décharge, réduisant ainsi son activité.
Performances de stockage
Les performances de stockage de la batterie font référence au degré de perte d'énergie naturelle au sein de la batterie lorsqu'elle est en circuit ouvert-dans des conditions environnementales spécifiques (telles que la température et l'humidité). Ce phénomène est également connu sous le nom d'auto-décharge. Si la proportion de perte d'énergie pendant le stockage est faible, cela indique que la batterie a d'excellentes performances de stockage.
Lorsqu'une batterie est dans un état de circuit ouvert-, même si elle ne fournit pas d'énergie électrique à l'extérieur, elle subit quand même un processus d'auto-décharge-. Ce phénomène est principalement dû à l'instabilité thermodynamique des électrodes dans l'environnement électrolytique, conduisant à des réactions redox spontanées entre les électrodes. Même dans des conditions sèches, si le joint n'est pas suffisamment étanche, l'infiltration de facteurs externes tels que l'air ou l'humidité peut quand même déclencher un effet d'auto-décharge à l'intérieur de la batterie.
Le taux d'autodécharge-peut également être exprimé comme le nombre de jours nécessaires pour que la capacité de la batterie diminue jusqu'à une valeur spécifiée une fois stockée, appelée durée de conservation. Il existe une durée de conservation sèche et une durée de conservation humide. Par exemple, un accumulateur, sans ajout d'électrolyte avant utilisation, peut être stocké longtemps ; une telle batterie peut avoir une longue durée de conservation à sec. Le stockage avec électrolyte est appelé stockage humide ; le stockage humide entraîne un effet d'autodécharge-plus fort et une durée de conservation humide relativement plus courte. Par exemple, une pile zinc-argent peut avoir une durée de conservation à sec de 5 à 8 ans, alors que sa durée de conservation humide n'est généralement que de quelques mois.