エネルギー貯蔵電池の放電性能

最も重要なパフォーマンス特性の 1 つは、エネルギー貯蔵電池放電性能です。さまざまな条件下でのバッテリーの放電挙動を特徴付けるには、バッテリーの放電曲線を測定する必要があります。これは通常、時間の経過に伴う放電電圧の変化を示す曲線です。異なる放電条件は放電戦略によって特徴付けられ、異なる放電戦略は異なる放電曲線をもたらします。放電戦略には通常、放電方法、放電電流、終端電圧、周囲温度が含まれます。

排出方法

バッテリーの放電には、定電流放電、定抵抗放電、定電力放電の 3 つの方法があります。一般的な放電曲線を図 1-5 に示します。図 1-5 は、これら 3 つの放電モードでの放電時間に対する放電電流、電圧、電力の変化を示しています。

定抵抗放電中、バッテリーの動作電圧と放電電流は時間の経過とともに徐々に減少します。-同様に、定電流放電では、放電プロセスが継続するにつれて動作電圧も低下します。放電時間が長くなるにつれて動作電圧が低下するのは、バッテリーの内部抵抗が増加するためです。さらに、電動工具、電気自動車、その他の用途でのバッテリー電力の使用が増加するにつれて、定常電力放電がより一般的になってきています。-定-電力での放電中、バッテリー電圧は継続的に低下しますが、放電が進むにつれて放電電流は継続的に増加します。

放電電流

バッテリ動作中に出力される電流は、放電電流と呼ばれます。放電電流は一般に放電レートとも呼ばれ、多くの場合、時間レート (時間レートとも呼ばれる) と乗数を使用して表現されます。

放電率とは、放電時間で測定される、バッテリーの放電率を指します。具体的には、特定の放電電流を使用してバッテリーの容量を完全に解放するのに必要な時間で、通常は時間 (h) で表されます。たとえば、定格容量が 10 アンペア- 時間 (A・h) のバッテリーの場合、2A の電流で放電した場合、対応する放電速度は 5 時間 (10A・h/2A=5 h) となり、バッテリーが 5 時間の速度で放電していることを意味します。

放電率とは、バッテリーの全容量が特定の時間内に完全に解放されたときの電流値をバッテリーの定格容量の倍数で表したものです。たとえば、2C 放電は、放電電流がバッテリーの定格容量の 2 倍であることを意味し、通常は 2C で表されます (C はバッテリーの定格容量を表します)。定格容量が 10A・h のバッテリーの場合、2C 放電 (容量と電流の単位が同じではないという寸法の問題がありますが、これは一般的な使用法なので変更しません) は、放電電流が 2 x 10=20 (A) であることを意味し、0.5 時間の放電速度に相当します。電池のタイプや設計が異なれば、放電条件に対する適応性も異なります。低電流の放電に適したものや、大電流でより優れた性能を発揮するものもあります。-。一般に、0.5C 以下の放電率は低率と呼ばれます。 0.5C から 3.5C の間の速度は中速と呼ばれます。 3.5℃から7℃の間のものは高レートと呼ばれます。 7℃を超えるものは超高速と呼ばれます。-

終端電圧

バッテリの放電中、初期電圧値は開始動作電圧として定義されます。電圧がそれ以上の放電が適切ではなくなる閾値まで低下すると、この電圧点は終了電圧と呼ばれます。この終端電圧の具体的な値は通常、実際のテスト要件と過去の経験に基づいてテスターに​​よって設定されます。

設定終了電圧は、さまざまな放電条件と、それらのバッテリ容量および寿命への影響によって異なります。通常、低温環境または高電流放電条件では低い終端電圧が使用されます。一方、低電流放電条件では通常、高い終端電圧が設定されます。-これは、低温または高電流の放電中に電池の電極間の分極が大幅に増加し、その結果活物質が不完全に利用され、電圧降下が速くなるためです。したがって、終端電圧を適切に下げると、より多くのエネルギーを放出できます。逆に、低電流放電を使用すると、バッテリー内の有効成分がより十分に活用されます。-この場合、終端電圧を上げて深放電を制限すると、バッテリ全体の寿命を効果的に延ばすことができます。

周囲温度

図 1-6 に示すように、周囲温度は放電曲線に大きな影響を与えます。高温では、放電曲線は比較的緩やかな傾向を示します。ただし、温度が低下するにつれて、この変化はますます急激になります。基本的な理由は、低温ではイオンの移動速度が低下し、オーミック内部抵抗が増加するためです。極端な場合、温度が低すぎると電解液が凍結し、バッテリーの通常の放電プロセスが妨げられることがあります。さらに、低温では電気化学的分極と濃度分極がそれに応じて増大し、放電曲線の減衰速度がさらに加速します。

図 1-6 さまざまな周囲温度における鉛蓄電池の放電曲線

容量と比容量

バッテリー容量とは、特定の放電条件下でバッテリーから得られる電気の量を指します。単位は通常、アンペア-時間（Ah）で表されます。実際の状況に応じて、バッテリー容量は理論容量、実容量、定格容量にさらに分類できます。

理論容量 (Co) は、活物質がバッテリーの電気化学反応に完全に関与する場合に、理想的な条件下で提供できる電気の量を指します。この値は、ファラデーの法則に従って、活物質の質量に基づいて計算されます。ファラデーの法則は、電極での反応に関与する材料の質量と、それが移動する電荷の量との間に直接の比例関係があると述べています。 1 mol の活物質が電池の電気化学プロセスに関与すると、26.8 A・h または 1 ファラッド (F) に相当する電荷を放出できます。したがって、次の計算式が存在します。

式中、m は活性物質が完全に反応したときの質量です。 n は流動反応中に獲得または失われた電子の数です。 Mは活性物質のモル質量です。

式中、K は活性物質の電気化学当量と呼ばれます。

式 (1.5) に示すように、電極の理論容量は、活物質の質量と電気化学当量に関係します。活物質の質量が同じ場合、電気化学当量が小さいほど、理論容量は大きくなります。一部の電極材料の電気化学当量を表 1-3 に示します。

表 1-3 一部の電極材料の電気化学当量

また、実容量と定格容量という概念もよく使われます。実際の容量とは、特定の放電条件下でバッテリーが供給できる電気の総量を指します。実際の容量は理論上の最大値だけでなく、特定の放電条件によっても制限されます。

一方、定格容量は、設計および製造プロセス中にバッテリーに設定される標準です。つまり、指定された放電条件下でバッテリーが達成すべき最小出力容量であり、公称容量とも呼ばれます。

同じシリーズ内の異なる種類のバッテリーを比較する場合、通常は比容量を評価に使用します。具体的には、比容量とは、電池が単位質量または単位体積あたりに供給できる電気量、すなわち質量比容量（Ah/kg）および体積比容量（Ah/L）を指します。電池の質量と体積を計算するときは、電極材料と電解質を考慮することに加えて、ケース、セパレーター、関連する導電性部品など、電池の他の部品も考慮する必要があることに注意することが重要です。特に蓄電池および燃料電池の場合、総質量および容積には、液体を保管するタンク、活性化装置（蓄電池の場合）、または活物質の貯蔵および供給システム、制御システム、加熱ユニットなど（燃料電池の場合）など、必要なすべての付帯設備も含まれます。

比容量の概念を導入することで、さまざまな種類やサイズの電池の性能を比較できます。バッテリー容量は理論容量と実際の容量に分けられます。これに応じて、比容量にも理論的側面と実際的な側面があります。

エネルギーと比エネルギー

バッテリーエネルギーとは、特定の放電条件下で作業を実行するときにバッテリーが出力する総電気エネルギーを指し、通常はワット-時（W・h）で表されます。バッテリーのエネルギーにも理論エネルギーと実際のエネルギーがあります。

放電中にバッテリーが平衡状態を保ち、その放電電圧が起電力に等しい一定であると仮定し、またすべての活物質が化学反応に参加すると仮定すると、バッテリーによって提供されるエネルギーは理論上の最大エネルギー Wo に等しくなるはずです。

バッテリーの理論上のエネルギーは、一定の温度、一定の圧力、および可逆的な放電条件下でバッテリーが行う非体積仕事の最大値です。-

実際のエネルギー (W) は、特定の放電条件下でバッテリーによって実際に提供されるエネルギーを指します。実際の容量と平均動作電圧を乗算することで数値的に求められます。電池内の活物質を十分に活用できず、動作電圧が理論起電力よりも低いことが多いため、実際のエネルギーは常に理論エネルギーより小さくなります。

比エネルギーとは、単位質量または単位体積あたりにバッテリーによって放出されるエネルギーを指します。バッテリーの単位質量あたりのエネルギー出力は質量比エネルギーとして定義され、通常はキログラムあたりのワット時-（Wh/kg）で測定されます。バッテリーの単位体積あたりのエネルギー出力は体積比エネルギーとして定義され、通常はワット-時間/リットル（Wh/L）で表されます。さらに、比エネルギーの概念は理論的 (W) と実際の (W) にさらに細分することができ、理論上の質量比エネルギーは式 (1.9) を使用して計算できます。

式中、K+ は正極材料の電気化学的等価物です。 K- は、負極材料の電気化学的等価物です。 E はバッテリーの起電力です。

出力と比出力

バッテリー電力とは、特定の放電条件下でのバッテリーの単位時間あたりのエネルギー出力を指し、その測定単位はワット (W) またはキロワット (kW) です。この出力電力をバッテリーの質量または体積に関連して考慮すると、比電力の概念が得られます。具体的には、質量比電力は、バッテリーの単位質量が何ワットの電力を提供できるかを測定し、その単位は W/kg です。一方、体積比電力はバッテリーの単位体積によって生成される電力を反映し、それに対応する単位は W/L です。

電力および比電力は、バッテリーの放電速度を示します。バッテリ電力が高いということは、バッテリが高電流または高レートで放電できることを意味します。たとえば、亜鉛-銀電池は、中程度の電流密度で放電すると 100 W/kg を超える比出力を達成できます。これは、内部抵抗が低く、優れた高率放電性能を示しています。-対照的に、亜鉛-乾電池は、低電流密度で動作する場合、比出力 10 W/kg しか達成できません。これは、内部抵抗が高く、高率放電性能が低いことを示しています。-バッテリーのエネルギーと同様に、電力にも理論上の電力と実際の電力があります。

バッテリーの理論上の電力は次のように表すことができます。

式中の t は時間です。 Co はバッテリーの理論上の容量です。そして私は現在です。

バッテリーの実際の電力は次のようになります。

式では、私は²R はバッテリーの内部抵抗によって消費される電力を表します。この電力は、適用された負荷に対しては役に立ちません。それは本質的に熱エネルギーに変換され、熱として放出されます。

サイクル寿命

バッテリーの場合、サイクル寿命または使用サイクルは、バッテリーの性能を評価するための重要な指標の 1 つです。完全な充電-サイクルはそれぞれ、バッテリーの期間とみなされます。

特定の充放電条件下で、バッテリーの容量が特定の指定値に低下するまでにバッテリーが耐えられるサイクル数は、サイクル寿命または使用サイクルとして定義されます。サイクル寿命が長いほど、バッテリーのサイクル性能は向上します。バッテリーの種類が異なれば、サイクル寿命も異なります。たとえば、ニッケル-電池は数千サイクルを達成できますが、亜鉛-銀電池はサイクル数が比較的少なく、100 サイクル未満のものもあります。同じ種類の電池であっても、内部構造の違いによりサイクル寿命が異なる場合があることに注意してください。

バッテリーのサイクル寿命はさまざまな要因の影響を受けます。適切な使用とメンテナンスに加えて、次の重要な側面も当てはまります。① 充電-サイクル中、活物質の表面積は徐々に減少し、動作電流密度の増加と分極の強化につながります。 ② 電極上の有効成分が剥離または移行する可能性があります。 ③ 電池の動作中に、一部の電極材料が腐食する可能性があります。 ④ サイクル中に電極上に形成される樹枝状結晶は、バッテリー内部で短絡を引き起こす可能性があります。 ⑤ セパレータが破損している可能性があります。 ⑥ 充放電サイクルを繰り返すと活物質の結晶形態が変化し、活性が低下します。

ストレージパフォーマンス

バッテリーの保存性能とは、特定の環境条件（温度や湿度など）下で開回路状態にあるときのバッテリー内の自然エネルギー損失の程度を指します。{0}}この現象は自己放電としても知られています。-保存時のエネルギー損失の割合が小さければ、その電池は保存性能に優れていることを示します。

バッテリーが開回路状態にあるときは、外部に電気エネルギーを供給していませんが、それでも自己放電プロセスが発生します。-この現象は主に、電解質環境における電極の熱力学的不安定性が原因であり、電極間の自発的な酸化還元反応が引き起こされます。乾燥した状態でも、密閉が十分にしっかりしていないと、空気や湿気などの外部要因の侵入により、バッテリー内部で自己放電現象が引き起こされる可能性があります。-

自己放電率は、保管期間としてバッテリーの容量が指定の値まで減少するまでにかかる日数として表すこともできます。これは、保管寿命と呼ばれます。乾燥保管期間と湿潤保管期間があります。-たとえば、蓄電池は使用前に電解液を追加しなくても長期間保存できます。このようなバッテリーは、乾燥状態での保存寿命が長くなります。電解質を使用した保管は湿式保管と呼ばれます。湿った状態で保管すると、自己放電効果が強くなり、湿った状態での保存寿命が比較的短くなります。-たとえば、亜鉛-銀電池の乾燥状態での保存寿命は 5 ～ 8 年ですが、湿った状態での保存寿命は通常わずか数か月です。