Die Menge an Elektrizität, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen abgeben kann, wird als Batteriekapazität bezeichnet und mit dem Symbol C bezeichnet. Die Einheit wird üblicherweise als Ah oder mAh ausgedrückt.
1. Theoretische Kapazität (C0)
Die theoretische Kapazität ist die Strommenge, die eine Batterie liefern kann, vorausgesetzt, dass alle aktiven Materialien an der Strömungsbildungsreaktion beteiligt sind. Die theoretische Kapazität kann mithilfe der in der Batteriereaktionsgleichung verwendeten Menge an aktivem Material genau berechnet werden, basierend auf dem elektrochemischen Äquivalent des aktiven Materials, das gemäß dem Faradayschen Gesetz berechnet wird.
Das Gesetz von Faraday besagt, dass, wenn ein elektrischer Strom durch eine Elektrolytlösung fließt, die Menge der Substanz, die an den Elektroden eine chemische Reaktion eingeht, direkt proportional zur durchfließenden Elektrizitätsmenge ist. Mathematisch kann dies ausgedrückt werden als...
Das Gesetz von Faraday besagt, dass, wenn ein elektrischer Strom durch eine Elektrolytlösung fließt, die Menge der Substanz, die an der Elektrode eine chemische Reaktion durchläuft, direkt proportional zur durchfließenden Elektrizitätsmenge ist. Mathematisch wird dies ausgedrückt als:
Dabei ist Q die durch die Elektrodenreaktion fließende Elektrizitätsmenge (A·h);
m ist die Masse des reagierenden Wirkstoffs (g);
M ist die Molmasse des Wirkstoffs (g/mol);
F ist die Faraday-Konstante, etwa 96500 C/mol oder 26,8 A·h/mol.
Gleichung (2-6) kann auch als die Menge an Elektrizität Q verstanden werden, die nach der vollständigen Reaktion eines Wirkstoffs der Masse m freigesetzt wird. Die Elektrizitätsmenge Q ist die theoretische Kapazität (C₀) des Wirkstoffs an der Elektrode und stellt die Menge an Elektrizität dar, die freigesetzt wird, wenn der Wirkstoff der Masse m vollständig an der Reaktion teilnimmt.
Daher kann Gleichung (2-6) auch geschrieben werden als:
In der Formel stellt K das elektrochemische Äquivalent des aktiven Materials dar, K=M / 26,8 [g/(A·h)], was sich auf die Masse des aktiven Materials bezieht, die erforderlich ist, um 1 A·h Ladung zu erhalten. Formel (2-7) ist die Formel zur Berechnung der theoretischen Kapazität von elektrodenaktiven Materialien. Die elektrochemischen Äquivalente häufig verwendeter Elektrodenaktivmaterialien sind in Tabelle 2-2 aufgeführt. Das elektrochemische Äquivalent kann zum Vergleich der theoretischen spezifischen Kapazität von Elektrodenmaterialien verwendet werden.
Tabelle 2-2 Elektrochemische Äquivalente häufig verwendeter aktiver Elektrodenmaterialien
| Wirkstoff | Molmasse/(g/mol) | Anzahl der in der Reaktion erzeugten Elektronen (n) | Elektrochemisches Äquivalent [g/(A·h)] |
|---|---|---|---|
| H₂ | 2.0 | 2 | 0.037 |
| Li | 6.94 | 1 | 0.259 |
| Zn | 65.4 | 2 | 1.220 |
| CD | 112.4 | 2 | 2.220 |
| Pb | 207.2 | 2 | 3.737 |
| MnO₂ | 85.0 | 1 | 3.167 |
| Ni(OH)₂ | 92.7 | 1 | 3.456 |
| PbO₂ | 239.2 | 2 | 4.463 |
2. Nennkapazität (C₀)
Die Nennkapazität ist die Mindestkapazität, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen (z. B. Temperatur, Entladerate und Abschlussspannung) entladen sollte, wie in nationalen oder relevanten Abteilungsstandards festgelegt.
3. Tatsächliche Kapazität (C)
Während der Entladung mit variablem Strom
In der Formel stellt I den Entladestrom dar, eine Funktion der Entladezeit t;
T – stellt die Zeit von der Entladung bis zur Abschlussspannung dar.
Aufgrund des Innenwiderstands und anderer Faktoren kann das aktive Material nicht vollständig genutzt werden; Das heißt, die Auslastung des aktiven Materials beträgt immer weniger als 1. Daher sind die tatsächliche Kapazität und die Nennkapazität einer chemischen Energiequelle immer niedriger als die theoretische Kapazität. Der Ausnutzungsgrad des aktiven Materials ist definiert als...
Wobei m die Masse des aktiven Materials ist;
m₁ ist die Masse des aktiven Materials, die verbraucht wird, wenn die tatsächliche Kapazität freigesetzt wird.
Die tatsächliche Kapazität einer Batterie hängt eng mit dem Entladestrom zusammen. Während einer Hochstromentladung nimmt die Elektrodenpolarisierung zu, der Innenwiderstand steigt, die Entladespannung sinkt schnell und die Energieeffizienz der Batterie nimmt ab, was zu einer geringeren tatsächlich freigesetzten Kapazität führt. Umgekehrt sinkt die Entladespannung bei niedrigen Entladungsraten langsam und die tatsächlich von der Batterie abgegebene Kapazität ist oft höher als die Nennkapazität.
4. Verbleibende Kapazität
Die verbleibende Kapazität bezieht sich auf die nutzbare Kapazität, die verbleibt, nachdem die Batterie mit einer bestimmten Entladerate entladen wurde. Die Schätzung und Berechnung der verbleibenden Kapazität wird von Faktoren wie der Entladerate und der Entladezeit während der ersten Verwendung des Akkus sowie dem Alterungsgrad des Akkus und der Anwendungsumgebung beeinflusst, was eine genaue Schätzung etwas schwierig macht.
5. n-Stundensatzkapazität
Die n-Stunden-Ratenkapazität bezieht sich auf die Strommenge, die von einer vollständig geladenen Batterie abgegeben wird, wenn sie mit einem n-Stunden-Ratenentladestrom entladen wird, bis die angegebene Abschlussspannung erreicht ist.
6. Nutzbare Kapazität
Die nutzbare Kapazität bezieht sich auf die Menge an Strom, die von einer vollständig geladenen Batterie unter bestimmten Bedingungen abgegeben wird.
