Литиевая батарейка типа «таблетка», показывающая случайность напряжения

Хороший вопрос. Это один из способов, которым первичные (неперезаряжаемые) литиевые элементы могут резко отличаться от вторичных (перезаряжаемых) литий-ионных элементов, поэтому это часто вызывает недоумение. А именно, кривые разрядки и емкости литий-ионных аккумуляторов (кроме LiFePO4) обычно постепенно сужаются от начального напряжения 100% емкости до конечного напряжения. Однако кривая для литиевых батарей типа «таблетка» обычно намного менее крутая, т. е. имеет более низкий наклон или более пологую форму, поэтому напряжение покоя разомкнутой цепи вблизи пустого аккумулятора остается намного ближе к исходному напряжению 100% емкости, чем в случае с литий-ионным аккумулятором.

Например, рассмотрим типичную кривую напряжения разряда + покоя для батарейки LiMnO2 CR2032 на 3 В ( отсюда ). На графике показаны повторяющиеся циклы разрядки, каждый из которых состоит из: сначала постоянная нагрузка 1 мА в течение 11 часов, затем 8,5 часов отдыха, затем импульс 22 мА в течение 10 секунд, затем 30-минутный отдых. Обратите внимание, что даже когда батарейка типа «таблетка» почти полностью разряжена (около 360 часов), напряжение покоя разомкнутой цепи (2,7–2,8 В), показанное пилообразными пиками, по-прежнему остается очень близким к начальным 3,0 В при 100% емкости.

Сравните это с аналогичной типичной кривой разряда Li-ion ниже. Обратите внимание, что пики падают гораздо более резко по направлению к напряжению на клеммах, чем выше. Действительно, кривая, образованная пиками напряжения покоя выше, почти плоская для большей части разряда, тогда как та же кривая ниже имеет гораздо больший наклон вниз.

Напряжение восстанавливается после снятия нагрузки, потому что ячейка имеет некоторое нетривиальное внутреннее сопротивление$R$. Это приведет к падению напряжения$I\cdot R$в настоящее время$I$, который исчезнет, ​​когда ток снова упадет до 0. Такой скачок напряжения не происходит мгновенно из-за постоянных времени и экспоненциального затухания различных внутренних электрохимических процессов (например, диффузии), которые являются составляющими внутреннего сопротивления. Это легче увидеть на первом графике, где более очевидна пилообразная форма восстанавливающегося напряжения. Симметрично также будет$I\cdot R$скачки напряжения при увеличении тока, что видно по нисходящим пилообразным формам на первом графике, когда запускается нагрузка 1 мА, а также по гораздо большим скачкам при 22 мА (но они не длятся достаточно долго, чтобы легко наблюдать пилообразную форму). ).

Итак, в заключение, поскольку первичные литиевые батарейки типа «таблетка» имеют более пологую кривую разряда, чем литий-ионные, сложнее использовать их напряжение покоя разомкнутой цепи для оценки остаточной емкости. Тестирование их под нагрузкой даст более точные оценки, особенно. если нагрузка нетривиальна (например, обратите внимание, как кривая, образованная нижними точками сильноточных спадов на первом графике, сужается гораздо резче).

Химия батареи всегда будет пытаться поддерживать напряжение в определенной точке, скажем, 3,3 В.

Когда есть нагрузка, которая снижает напряжение, батарея должна расходовать химическую энергию, чтобы бороться с этим, чтобы поддерживать напряжение.

Когда на аккумуляторе нет нагрузки, это легко, и даже почти разряженный аккумулятор со временем сможет нарастить некоторое напряжение.

Вот почему вы должны приложить умеренную нагрузку к любой батарее, чтобы получить надежное показание напряжения, чтобы оценить ее оставшуюся емкость.