Принцип работы электрохимических батарей

Предварительно рассмотрим принцип работы электрохимического аккумулятора. При заряде аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую, запасённую в активных массах аккумуляторных электродов. При разряде химическая энергия вновь трансформируется в потребляемую электрическую энергию. Уравнение, передающее эффективность преобразования химической энергии в электрическую, называемое уравнением Гиббса-Гельмгольца, имеет вид

image002 (2.1)

Здесь image004 – тепловой эффект реакции активных масс; Е ЭДС аккумулятора; image006 величина энтропийных необратимых потерь, которые не могут быть превращены в электрическую работу.

В уравнении (2.1) все величины отнесены к одному кулону. Это даёт возможность составляющие уравнения (2.1) выражать в вольтах. При заряде величину

image008

где I3  ток заряда, image0103  время заряда, можно назвать полезной работой, необходимой для перевода подводимой электрической энергии в химическую энергию активных масс. В этом случае КПД заряда запишется в виде

image012 (2.2)

где U3 среднеинтегральное значение зарядного напряжения. Из уравнений (2.1) и (2.2) следует, что

image014 (2.3)

В формуле (2.3) image016 КПД кинетических потерь, обусловленных прохождением электрического тока; image018 КПД термодинамических потерь; image020 – сумма кинетических потерь, определяемых сопротивлением прохождению электрического тока при заряде. Эти потери имеют омическую и поляризационную природу. Омические потери вызываются прохождением тока через ионные и металлические проводники. Поляризационные потери обусловлены какой-либо стадией (или несколькими сразу), сопровождающей электрохимическую реакцию на электроде.

Если на электроде аккумулятора при заряде протекает побочная реакция, интенсивность которой определяется выражением image022, где image024 выход по току основной реакции, то это приводит к дополнительным кинетическим потерям. Коэффициент полезного действия процесса с учётом этого обстоятельства определяется выражениемimage026 (2.4)

где image030  энтальпия побочной реакции.

Как правило, побочные реакции протекают при значениях энтальпий основного и побочного процессов, близких друг другу, т. е. image032

С учётом этого обстоятельства из выражения (2.4) имеем

image034 (2.5)

т. е., что токовый КПД равен среднеинтегральному значению выхода по току. Из уравнений (2.3) и (2.5) КПД при заряде аккумулятора определяется выражением

image036 (2.6)

При разряде полезная энергия, равная величине image038 отдаётся потребителю, а общая энергия определяется выражением:

image040

Коэффициент полезного действия разряда находится по формуле

image042 (2.7)

где image044 среднеинтегральное разрядное напряжение.

Если при разряде имеет место побочная реакция на электроде, например выделение водорода при разряде цинкового электрода или кислорода при разряде окисно-никелевого электрода, то общий КПД определяется выражением

image046 (2.8)

Здесь image048 среднеинтегральный выход по току основного процесса при разряде.

Учитывая, что image050, выражение (2.8) можно записать в виде

image052 (2.9)

Общий КПД в цикле заряда-разряда с учётом выражений (2.2), (2.4), (2.7) и (2.8) составит

image054

Значения image056Н и Е, т. е. термодинамические параметры электрохимической системы, являются для аккумулятора конкретного типа величинами постоянными. В связи с этим увеличить image058 можно, уменьшая кинетические потери и увеличивая коэффициент использования активных масс в циклах заряда-разряда.

Кинетические потери (т. е. величину Еп) можно уменьшить с помощью ряда конструктивных и технологических мероприятий. К ним относится, прежде всего, применение пористых электродов, представляющих собой жёсткую электропроводящую структуру с развитой системой связанных пор заданных размеров. Применение пористого электрода позволяет реализовать электрохимическую реакцию не на фронтальной поверхности, как в случае использования гладкого электрода, а в объёме электрода, что приводит к существенно меньшим кинетическим потерям. Если истинная поверхность в единице объёма пористого электрода равна S (удельная поверхность), то при толщине электрода image060 увеличение поверхности пористого электрода в сравнении с поверхностью гладкого электрода, равной геометрической площади, составит величину S. Поскольку пористый электрод имеет удельную поверхность порядка 103-105 см2/см3, то при рационально принятой толщине аккумуляторного электрода image060 = 10-1 см поверхность пористого электрода в сравнении с гладким увеличится в 102-10 раз. Как правило, из-за транспортного и омического сопротивлений пористый электрод загружается неравномерно и габаритная плотность тока на электроде меньше максимально возможной. Применение пористого электрода снижает поляризационные потери. Для уменьшения омического сопротивления применяют сепараторы с высокой эффективной электропроводностью, электролит оптимального количества и состава, низкоомные токоподводы. Кроме того, на величину коэффициента использования image063можно влиять, совершенствуя схемы эксплуатации батарей.

Сформулируем требования к тяговым батареям для электромобиля. В качестве базового выберем ездовой цикл «С».

Требование на удельную энергию батареи определяется из балансного соотношения

image065 (2.10)

где К расход энергии, отнесённый к 1 км*кг, определяется экспериментально или расчётно для цикла «С», L запас хода.

Выразим массу электромобиля через относительную массу батареи:

image067 и image069 (2.11)

Тогда из выражений (2.10) и (2.11) следует, что image071 .

Таким образом, требуемая удельная энергия зависит от удельного расхода энергии на 1 кг*км и относительной массы, т. е. от параметров, определяемых конструкцией электромобиля, а также от длины пути.

Учитывая, что К находится в пределах 0,12-0,15 Вт*ч/(кг*км), а image073 = 0,25, можно получить верхний и нижний пределы соотношения между энергией батареи и запасом хода электромобиля:

image075 (2.12)

Первое соотношение больше соответствует экспериментальным данным, приведённым в работе, что подтверждается графиком на рис. 2.1. Второе соотношение отвечает известному правилу, что пробег электромобиля приближённо равен удвоенной удельной энергии.

image077

Рис. 2.1. Соотношение между массовой долей батареи и дальностью пробега электромобиля (цифры на кривых значение удельной энергии батареи)

Суммарная мощность, которая должна отбираться от аккумуляторной батареи, как известно, затрачивается на ускорение электромобиля Рк, преодоление сил сопротивления качению image079, на преодоление аэродинамического сопротивления и на затраты мощности по преодолению подъёма, т. е.

image081 (2.13)

Это выражение определяет максимальную мощность, потребную для обеспечения механического движения. С другой стороны, от батареи требуется дополнительная мощность, связанная с потерями энергии на преобразование электрической энергии в механическую, а также с потерями части механической энергии при передаче её на колёса. Таким образом, полная мощность, которую должна обеспечивать батарея, определяется выражением

image083

При движении по циклу «С» имеем: image085= 0,7, image087= 0,95. По поводу величины Рвсп имеются разные данные. Значение Рвсп оценивается в 250 Вт без использования кондиционера и в 3 кВт с кондиционером.

При массовой доле батареи, равной 0,25, как показывают расчёты в работе, значение пиковой мощности составляет 70-80 Вт/кг для внутригородского электромобиля. Стационарная мощность, т. е. мощность при движении с постоянной скоростью, составляет при движении городского электромобиля 35-40 Вт/кг и равна приближённо половине пиковой мощности. Соотношение между удельной энергией и удельной мощностью аккумуляторов разных типов показано на рис. 2.2.

image090

Рис. 2.2. Соотношение между удельной энергией и мощностью аккумуляторов различных электрохимических систем (штриховыми линиями отмечены перспективные показатели)

Применительно к тяговой батарее электромобиля в качестве показателя срока службы необходимо рассматривать не количество полных циклов, а суммарное количество отданной потребителю энергии, т. е. величину

image092

где image094 - среднее разрядное напряжение: image096 - разрядная емкость на i-том цикле.

Величина image098 учитывает и частичное циклирование батареи, при котором отсутствует полный отбор энергии.

Стоимость батареи должна характеризоваться, с одной стороны, удельной стоимостью для оценки начальных затрат, с другой стоимостью на единицу полной энергии для оценки реальных затрат, т. е.

image100

image102

где Ch начальная стоимость одного Вт*ч; Сс*с – стоимость одного Вт*ч на сроке службы.


 

Проверено корректором: 
yes

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

CAPTCHA
This question is for testing whether you are a human visitor and to prevent automated spam submissions.
Image CAPTCHA
Enter the characters shown in the image.