نحوه ارزیابی یک باتری: راهنمای کامل معیارهای عملکرد باتری‌های لیتیومی

باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل عملکرد عالی خود به طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. ارزیابی عملکرد باتری نیازمند بررسی جامع از چندین بعد است، معیارهای زیر اصلی‌ترین آن‌ها می‌باشند:

(1) ظرفیت. ظرفیت یکی از ویژگی‌های پایه‌ای یک باتری است. این معیار نشان‌دهنده مقدار برقی است که باتری می‌تواند تخلیه کند. ظرفیت باتری به مقدار برقی گفته می‌شود که می‌توان از باتری تحت شرایط شارژ و دشارژ خاصی (سیستم شارژ و دشارژ، جریان شارژ و دشارژ، ولتاژ قطع شارژ و دشارژ و دمای محیط) به دست آورد. این مقدار انتگرال جریان نسبت به زمان است و معمولاً به آمپر-ساعت بیان می‌شود (آه) یا میلی‌آمپر-ساعت (mAh) .mAh معمولاً برای باتری‌های تلفن همراه استفاده می‌شود و آه معمولاً برای باتری‌های خودروهای برقی استفاده می‌شود. این معیار به طور مستقیم نشان می‌دهد که یک باتری چقدر برق می‌تواند ذخیره کند و مستقیماً بر روی جریان کاری حداکثر و زمان کارکرد باتری تأثیر می‌گذارد.

(2) چگالی انرژی. این به مقدار انرژی اشاره دارد که یک باتری می‌تواند در واحد جرم یا حجم ذخیره کند. این مقدار معمولاً به صورت چگالی انرژی جرمی بیان می‌شود ( وات-ساعت در کیلوگرم , Wh/kg) یا چگالی انرژی حجمی ( وات-ساعت در لیتر , Wh/L) . چگالی انرژی بالا به این معنی است که یک باتری می‌تواند در همان وزن یا حجم، انرژی بیشتری ذخیره کند.

(3) مشخصه‌های تخلیه و مقاومت داخلی. مشخصه‌های تخلیه باتری به پایداری ولتاژ عملیاتی، ارتفاع پلتفرم ولتاژ و عملکرد تخلیه با جریان بالای باتری تحت سیستم تخلیه خاصی اشاره دارد. این مشخصه‌ها توانایی باتری در تحمل بار را نشان می‌دهند. مقاومت داخلی باتری شامل مقاومت داخلی اهمی و مقاومت الکتروشیمیایی است. هنگام تخلیه با جریان بالا، تأثیر مقاومت داخلی بر مشخصه‌های تخلیه به ویژه آشکار است.

(4) مشخصه‌های دما و محدوده دمایی کاری. شرایط محیط کار و شرایط استفاده از تجهیزات الکتریکی نیازمند آن است که باتری دارای عملکرد خوبی در محدوده دمایی خاصی باشد. محدوده دمایی کنونی کاری باتری‌های لیتیومی عموماً بین -30 ~ +55 ℃.

عملکرد در دمای بالا: دماهای بالا معمولاً واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند و ممکن است موجب افزایش توان در کوتاه مدت شوند، اما می‌توانند پیری را به شدت تسریع کنند، عمر باتری را کوتاه کنند و خطرات ایمنی (گرمایش خارق‌العاده) را افزایش دهند.

عملکرد در دمای پایین: در دماهای پایین، هدایت الکترولیت کاهش می‌یابد و سینتیک واکنش کند می‌شود، که منجر به افزایش ناگهانی مقاومت داخلی و کاهش قابل توجه ظرفیت و توان در دسترس می‌شود (مانند خاموش شدن تلفن‌های همراه در هوای سرد و کاهش برد خودروهای برقی).

(5) عملکرد ذخیره‌سازی. پس از مدتی نگهداری، عملکرد باتری ممکن است به دلیل عوامل خاصی تغییر کند و منجر به تخلیه خودبه‌خودی باتری، نشت الکترولیت، اتصال کوتاه باتری و غیره شود.

6) عملکرد چرخه‌ای. عمر چرخه‌ای به تعداد چرخه‌هایی که یک باتری قابل‌شارژ می‌تواند پس از شارژ و دشارژ مطابق با یک برنامه خاص تا زمانی که عملکرد آن به سطح مشخصی (معمولاً 80 درصد ظرفیت ) تحمل کند، اشاره دارد. این عامل عمدتاً بر دوام و عمر مفید باتری تأثیر می‌گذارد. هرچه عمر چرخه‌ای بیشتر باشد، باتری دوام بیشتری دارد، نیاز به تعویض کمتری دارد و هزینه کلی مالکیت پایین‌تر می‌شود. در طول استفاده از باتری، شارژ و دشارژ عمیق، شارژ و دشارژ با نرخ بالا، دماهای بالا و پایین، شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد و سایر عوامل می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی عمر چرخه‌ای باتری را کاهش دهند. /دمای پایین، شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد و سایر عوامل می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی عمر چرخه‌ای باتری را کاهش دهند.

(7) عملکرد نرخ شارژ و دشارژ. این عامل عمدتاً نسبت جریان شارژ و دشارژ باتری به ظرفیت آن را توصیف می‌کند. 1C جریان لازم برای تخلیه باتری کاملاً شارژ شده در مدت یک ساعت است (جریان (A) = ظرفیت (آه) ). اهمیت آن در اندازه‌گیری توانایی باتری در تحمل شارژ و تخلیه با جریان بالا می‌باشد. به عنوان مثال، یک 5Ah باتری:

0.5C گسیل = 2.5A جریان تخلیه.

تخلیه 2C = 10A جریان تخلیه.

0.5C شارژ = 2.5A جریان شارژ.

توانایی‌های شارژ و تخلیه با نرخ بالا پایه‌ای برای دستیابی به شارژ سریع و پاسخگویی به نیازهای توان بالا هستند، اما معمولاً شارژ و تخلیه با نرخ بالا باعث کاهش ظرفیت قابل استفاده واقعی و تأثیر بر عمر مفید می‌شود.

(8) بهره‌وری. بازده کولومبی : نسبت بار تخلیه شده در حین تخلیه ( آه ) به بار ورودی در حین شارژ ( آه ). این مقدار اتلاف بار ناشی از واکنش‌های جانبی (مانند تولید گاز) در فرآیند شارژ و تخلیه را نشان می‌دهد و مقدار ایده‌آل آن 100% بازده انرژی : نسبت انرژی آزاد شده در حین تخلیه ( و ) به انرژی ورودی در حین شارژ ( و ). این بازده ترکیبی از بازده کولومبی و بازده ولتاژی (تفاوت ولتاژ شارژ و تخلیه ناشی از مقاومت داخلی) است و مقدار ایده‌آل آن 100% .

هرچه بازده بیشتر باشد، انرژی کمتری هدر می‌رود، شارژ اقتصادی‌تر است و گرمای کمتری تولید می‌شود.

(9) عملکرد ایمنی. این مورد عمدتاً به عملکرد ایمنی باتری در شرایط استفاده عادی و شرایط سوء استفاده اشاره دارد. شرایط سوء استفاده عمدتاً شامل شارژ بیش از حد، دشارژ بیش از حد، اتصال کوتاه، افتادن، گرم شدن، نفوذ، فشرده‌سازی، ضربه، ارتعاش، غوطه‌وری در آب دریا، فشار پایین، دمای بالا و غیره می‌شود. کیفیت عملکرد مقاومت در برابر سوء استفاده شرط اصلی در تعیین این موضوع است که آیا باتری می‌تواند به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد یا خیر. باتری‌هایی که ایمنی لازم را نداشته باشند توسط بازار پذیرفته نخواهند شد.

هنگام ارزیابی و مقایسه باتری‌ها، مهم است توجه داشت که این شاخص‌ها تحت شرایط آزمایش خاصی (دمای محیط، نرخ شارژ/دشارژ، ولتاژ نهایی، وضعیت پیری و غیره) اندازه‌گیری می‌شوند. تحلیل مقادیر شاخص بدون در نظر گرفتن این شرایط آزمایش بی‌معنی است. در کاربردهای واقعی، عملکرد کلی یک باتری اغلب نتیجه یک ترازدهی بین این شاخص‌ها است.