8.2. Baterii de acumulatoare

Elementul (elementele) de stocare a energiei electrice sau mecanice, în sistemele regenerabile de energie electrică are un rol foarte important, mai ales atunci când acestea funcţionează în regim autonom. Problema de bază a unui sistem distribuit de energie, este aceea că cererea de putere (consumul) diferă de cea disponibilă în generatoare, rezultând deci un regim de dezechilibru, care dacă nu este eliminat rapid va produce efecte negative ce pot pune în pericol consumatorii sau chiar generatoarele. Diferenţa între puterea disponibilă şi puterea cerută este tratată în diferite moduri. Unii proiectanţi utilizează metoda disipării puterii în exces pe nişte rezistenţe (energie ce poate fi utilizată la încălzire sau se pierde), alţi proiectanţi utilizând metoda mediilor de stocare, cel mai des acestea fiind baterii electrice, pile de combustie, sau dispozitive mecanice de stocare a energiei cinetice (volante). În perioadele de deficit energetic, dispozitivele de stocare pot injecta putere în sistem, iar printr-o proiectare adecvată a capacităţii acestora se poate realiza un sistem eficient, care poate satisface în orice moment cerinţele consumatorilor.

8.2.1. Principalii parametri ai bateriilor de acumulatoare

Caracteristicile principale ale unei baterii sunt tensiunea unei celule [V] şi capacitatea bateriei [Ah]. Diferenţa dintre potenţialele celor doi electrozi reprezintă forţa electromotoare sau tensiunea electrică a celulei: unde si reprezintă potenţialul catodului şi respectiv al anodului.

Litiul are potenţialul cel mai negativ, fiind agentul de reducere cel mai puternic. Fluorul, cu potenţialul cel mai pozitiv, este agentul de oxidare cel mai puternic. În Tabelul 4.1 se prezintă o serie de materiale folosite pentru electrozi, materiale ordonate după potenţialul de electrod.De notat că cele mai bune metale pure pentru unul dintre electrozi sunt: litiu, beriliu, sodiu, aluminiu si magneziu. Litiul şi magneziul sunt însă foarte reactive.

Tabelul 1.2. Materiale folosite pentru electroziMateriale la anod Materiale la catod(Borne negative) (Borne pozitive)Cele mai negative Cele mai pozitive

Litiu FeratiMagneziu Oxid fierAluminiu Oxid cupruZinc IoduriCrom Oxid cupricFier Oxid mercuricNichel Oxid cobaltPlumb Dioxid de plumbHidrogen Oxid de argintCupru Oxigen

1

Argint Oxihidroxid de nichelPaladiu Dioxid de nichelMercur Peroxid de argintPlatina PermanganatAur Bromat

Mai puţin negative Mai puţin pozitiveMărimea potenţialelor de electrod depinde de natura materialului dur şi de concentraţia ionilor, conform relaţiei:

(1.1)

unde: - este potentiaul de electrod al metalului in solutia data, in [V];

- este potenţialul normal al metalului dat, [V]; - F este numărul lui Faraday ≈ 96500 [C];

- este concentratia ionilor meta::lului, [g-ion/l];

- n este valenta ionului considerat; - R este constanta gazelor; - T este temperatura, [oK].

8.2.1.1. Tensiunea electrică

Tensiunea electrică pe celulă reprezintă tensiunea regăsită la bornele celulei, existând o tensiune de lucru (când bateria lucrează) si o tensiune la gol (când nu este solicitat curent de la baterie). Tensiunea Ub la bornele sursei electrochimice in regim de descărcare este diferita de cea de la gol datorita căderii interioare de tensiune si a pierderilor prin fenomene de polarizare [1]:

, (1.2)

unde: - E este tensiunea la funcţionarea în gol;- Ep este o forţă contraelectromotoare datorată fenomenelor de polarizare;- I este curentul electric furnizat de baterie;- r este rezistenţa internă a sursei.

Tensiunea Uinc la bornele sursei electrochimice în regim de încărcare este:

, (1.3)

Tensiunea depinde de încărcarea bateriei dar şi de momentul măsurării ei. Astfel, dacă bateria a fost încărcată sau descărcată recent, tensiunea va fi într-un proces de atingere a unui punct de echilibru, care poate dura şi câteva ore. Tensiunea la bornele bateriei nu rămâne constantă în timp ci scade datorită proceselor ce au loc în celule, depinzând de starea de încărcare.

8.2.1.2. Capacitatea bateriei

2

Capacitatea (C) reprezintă sarcina care poate fi preluată de la baterie în anumite condiţii, deci este cantitatea de electricitate pe care o poate furniza bateria pusă să se descarce [1]. Capacitatea bateriei la un curent constant este funcţie de valoarea curentului la care se face descărcarea. Capacitatea maximă a bateriei este capacitatea preluată de la baterie în condiţia în care tensiunea nu scade sub valoarea minimă. Capacitatea depinde de temperatura dar si de modul în care a fost folosită bateria în timp. Capacitatea bateriei se exprimă în [Ah] şi este dată de relaţia:

, (1.5)

unde: - Id este curentul de descărcare; - t este durata de descărcare.

Dacă descărcarea se face la curent constant:

. (1.6)

- Capacitatea bateriei depinde de cantitatea de masă activă care participă la reacţii pe timpul descărcării

Graficul de mai jos prezintă faptul că vârsta bateriei infulenţează capacitatea celulei, atunci când aceasta se află la temperatura camerei. Capacitatea bateriei scade odată cu îmbătrânirea acesteia [26].

Figura 4.5: Variaţia capacitatii unei celule în funcţie de durata de viaţă a bateriei.

8.2.1.3. Rata de descărcare

3

În unele cazuri, capacitatea se exprimă în funcţie de rata de descărcare. Rata de descărcare nominală este de 1 [C]. Acest lucru înseamnă ca o baterie de 100 [Ah] va furniza timp de o oră un curent de 100 [A]. Aceeaşi baterie descărcată cu rata de 0.5 [C] va putea furniza 50 [A] timp de două ore, iar la rata de descărcare de 2 [C] va furniza 200 [A] timp de 30 minute.Unele baterii, care au o rezistenţă internă redusă şi o structură internă bună conducătoare de curent, pot furniza curent până la 20 [A]. Majoritatea bateriilor pot furniza un vârf de curent de 5 [A].

8.2.1.4. Rezistenţa internă

Reprezintă rezistenţa electrică pe care bateria o opune la trecerea curentului continuu. Rezistenţa internă totală ra se compune dintr-o rezistenţă ohmică r care corespunde rezistenţei electrolitului şi electrozilor şi o rezistenţă de polarizare, rp=Ep/I, ce depinde de tensiunea şi de curentul de polarizare, ea având valori diferite la încărcare şi descărcare (deoarece Ep este diferită). Orientativ valoarea rezistenţei interne a unei celule este de ordinul miliohmilor. În mod evident, o rezistenţă internă mică va permite generarea de curenţi mari şi pierderile interne vor fi reduse (deci tensiunea la borne va fi mai mare).Rezistenţa internă depinde invers-proporţional şi de temperatură datorită creşterii mobilităţii electronilor. Rezistenţa internă la aproape toate bateriile tinde să crească semnificativ către finalul ciclului de descărcare, pe măsură ce materialele active trec în starea de descărcare, fapt care duce la scăderea rapidă a tensiunii furnizate. Mai mult, creşterea rezistenţei interne duce şi la creşterea pierderilor interne prin efect Joule-Lenz şi la creşterea importantă a temperaturii bateriei. Rezistenţa bateriei creşte şi cu vârsta bateriei.

8.2.1.5. Puterea specifică şi energia specifică

Masa unui vehicul reprezintă un element foarte important în ceea ce priveşte consumul de combustibil. Pentru un vehicul electric hibrid care foloseşte ca sursă de energie şi o baterie electrică, masa acesteia poate fi un factor ce influenţează mult consumul de energie şi implicit raza de acţiune. De aici rezultă necesitatea unor baterii care să furnizeze o energie cât mai mare la o masă cât mai mică. Mărimea care exprimă această dependenţă este energia specifică şi se exprimă în [Wh/kg] sau [Wh/l].În general, densităţi mari de energie se obţin utilizând mai multe materiale reactive, dezavantajul fiind că sistemul are tendinţa de a fi instabil, ceea ce impune măsuri speciale de siguranţă în exploatare. Densitatea de energie depinde şi de calitatea materialelor active, impurităţile limitând energia furnizată. Chiar şi forma bateriei contează, deoarece densitatea de energie nu depinde doar de materiale ci şi de conectarea lor şi de invelişul (carcasa) bateriei. Energia specifică a bateriei permite compararea acesteia, ca sursă de energie pentru propulsie, cu alte tipuri de surse de energie ce se pot utiliza la bordul autovehiculelor hibride. Totuşi, chiar şi cele mai performante baterii oferă o energie specifică sub 1% din cea a benzinei. Aceasta nu datorită faptului că energia electrică este de calitate inferioară,

4

ci pentru că orice combustibil pe bază de hidrocarburi conţine toate elementele necesare reacţiilor de combustie, aerul fiind luat direct din atmosferă, spre deosebire de baterie care trebuie să includă în masa ei toţi reactanţii solizi, lichizi sau gazoşi utilizaţi de reacţiile electrochimice.În Fig.4.6 se prezintă densitatea relativă de energie pentru câteva tipuri uzuale de baterii secundare. Se observă că cele mai puţin eficiente sunt sursele electrochimice bazate pe plumb iar cele mai eficiente sunt cele bazate pe litiu.

Figura 1.6. Densitatea relativă de energie pentru tipuri de baterii secundare.

8.2.1.6. Autodescărcarea

O caracteristică neplăcută a bateriilor o reprezintă pierderea de energie datorită autodescărcarii în perioada de stocare/neutilizare a lor, când circuitul exterior este deschis (lipseşte sarcina), fapt datorat reacţiilor interne. Reacţiile au loc cu o viteză mult mai mică decât la descărcarea bateriei pe o sarcină. Rata de autodescărcare depinde de tipul bateriei, de temperatură şi de vechimea bateriei. De exemplu, o baterie NiCd mai veche se poate descărca chiar în circa doua săptămâni, în timp ce o baterie cu Pb nouă se va descărca mai puţin de jumătate într-un an, dacă este păstrată la temperatura de 25oC. Estimativ, cele mai multe baterii se descarcă între limitele de 0.01-1% din capacitatea totală în 24 ore.Autodescărcarea este proporţională cu temperatura, creşterea acesteia crescând rata reacţiilor chimice nedorite care cauzează apariţia curentului de pierderi între electrozi.

8.2.1.7. Durata de viaţă (numărul de cicluri)

5

Durata de viaţă este exprimată în numărul de cicluri, adică numărul de încărcări-descărcări complete (până la tensiunea finală admisă sau până când capacitatea scade sub 80% din capacitatea iniţială) pe care îl poate suporta bateria. Numărul de cicluri depinde de tipul bateriei, de gradul de descărcare în timpul funcţionării, de temperatură, de modul şi viteza de încărcare. Numărul de cicluri poate varia până la sute de mii, dar el poate fi şi mai mic (sub 50) dacă nu se respectă recomandările de exploatare (practic numărul de cicluri se poate reduce cu 80%). Durata de viaţă depinde fundamental de strategia de control al modului de funcţionare selectată pe durata unui anumit traseu parcurs.

8.2.1.8. Temperatura

Creşterea temperaturii duce la creşterea ratei reacţiilor, pentru fiecare creştere cu 10[oC] rata reacţiilor crescând de circa două ori. Astfel, descărcarea timp de o oră la 35 [ oC] este aproximativ echivalentă cu descărcarea timp de două ore la 25 [oC].SOC – Gradul de încărcare actual al bateriei (State of Charge - SOC ) reprezintă capacitatea disponibilă a acesteia exprimată în procente sau în [Ah] din capacitatea naturală. Pe o scară de la 0 la 1, 0 corespunde cazului bateriei descărcate iar 1 cazul bateriei încărcate. SOC scade pe măsură ce bateria alimentează o sarcină şi creşte când bateria se încarcă. Se poate spune că SOC reprezintă un indicator de combustibil al bateriei. De notat că SOC nu se referă la capacitatea maximă la care a fost încărcată ultima dată bateria, ci la capacitatea iniţială a bateriei. În tabelul de mai jos este reprezentat gradul de încărcare al bateriei pentru o baterie de 12 V. Pentru o durată de viaţă cât mai lungă, bateriile ar trebui să oscileze între valorile prezentate în tabel cu culoarea verde. Valorile cu galben, dacă apar ocazitional nu sunt dăunătoare bateriei, însă descărcările continue la aceste nivele vor scurta cu mult durata de viaţă a bateriei. Este foarte importantă determinarea tensiunii, cea mai bună determinare făcându-se prin măsurarea greutăţii specifice. La multe baterii acest lucru este foarte dificil, în unele cazuri chiar imposibil. După cum se poate vedea din tabel, căderea de tensiune cea mai mare se relizează la gradul de încărcare de 10% [25].

Tabelul 1.3. Variaţia tensiunii bateriei în funcţie de gradul de încărcare.

Gradul de încărcare

Baterie 12 V Volt / Celulă

100% 12.7 2.12

90% 12.5 2.08

80% 12.42 2.07

70% 12.32 2.05

60% 12.20 2.03

50% 12.06 2.01

40% 11.9 1.98

6

30% 11.75 1.96

20% 11.58 1.93

10% 11.31 1.89

0 10.5 1.75

8.2.2.10. Gradul de descărcare

Gradul de descărcare (Depth of Discharge - DOD) – se defineşte pe fiecare ciclu drept procentul de energie descărcat / scos din baterie la fiecare descărcare. Acesta influenţează în mod direct durata de viaţă a bateriei, pentru majoritatea surselor electrochimice numărul de cicluri crescând exponenţial cu scăderea DOD. Totuşi unele baterii (NiCd, NiMH) necesită periodic o descărcare completă, pentru a elimina efectul de memorie.Relaţia dintre durata de viaţă şi gradul de descărcare (DOD) este logaritmică, aşa cum se arată în figura de mai jos. Acest factor este foarte important atât pentru producătorii de baterii de acumulatoare cât şi pentru utilizatorii lor [22]. Prin limitarea gradului de descărcare al bateriilor în aplicaţii, proiectantul poate îmbunătăţii semnificativ durata de viaţă, de asemenea şi utilizatorul poate prelungi durata de viaţă a bateriei, folosind celule cu o capacitate puţin mai mare decât cea necesară.

Figura. 1.7. Variaţia duratei de viaţă a bateriilor în funcţie de gradul lor de descărcare.

Efectul de memorie – constă în pierderea progresivă a capacităţii de reîncarcare datorită modificării structurii cristaline a electrozilor bateriei prin trecerea de la o structură fină la una de dimensiuni mai mari. Acest lucru se întâmplă atunci când bateria este reîncărcată fără să fi fost complet descărcată după un anumit număr de cicluri de funcţionare, caz în care doar o parte din materialul activ poate fi reciclat. Pentru a evita acest efect se recomandă descărcarea completă periodică a bateriei (o dată la o lună pentru baterii NiCd şi o dată la trei luni pentru baterii NiMH).

7

Durata de reîncarcare – reprezintă timpul în care bateria este reîncarcată la parametrii apropiaţi de cei iniţiali. În funcţie de tipul bateriei, reîncarcarea se poate realiza în 1 până la 8 ore (sau chiar 16). Unele baterii pot fi reîncarcate la 80% din capacitate în mai puţin de o oră, dar necesită un sistem de încărcare comandat (Battery Management System BMS) care să monitorizeze tensiunea, curentul şi temperatura. Încărcarea poate fi la curent constant, la tensiune constantă sau la putere constantă, fie cu un algoritm care este o combinaţie a acestora. Una din problemele reîncarcarii este dată de diferenţa de încărcare a celulelor, unele fiind supraîncărcate iar altele subîncarcate, ceea ce necesită egalizarea celulelor prin diverse metode. Tabelul 1.4. Parametrii diferitelor baterii de acumulatoare.

 NiCd NiMH Baterii cu plumb Li-ion

Capacitatea (mAh) 600 1000 2000 1200

Tensiunea bateriei (V) 7.5 7.5 12 7.2

Energia / ciclu de funcţionare (Wh) 4.5 7.5 24 8.6

Durata de viata 1500 500 250 500

Cost $50 $70 $50 $100

Cost / kWh $7.50 $18.50 $8.50 $24.00

Tipuri de baterii de acumulatoare

8.2.2. Baterii cu plumb

Bateria cu plumb este unul dintre cele mai utilizate medii electrice de stocare, având avantajul preţului mult mai redus decât al altor elemente similare. În următoarele rânduri se va face o scurta descriere a funcţionarii bateriei cu plumb, şi regimurile utilizate pentru încărcare şi descărcare.Când o baterie cu plumb este încărcata, tensiunea la bornele sale creste. Când curentul de încărcare creste de la zero spre o anumita valoare, rezistenta interna a bateriei rezista curentului, şi tensiunea creste imediat peste valoarea de funcţionare în gol. După acest salt iniţial, tensiunea continua sa crească, dar mai gradat, în timp ce bateria se încarcă. Spre sfârşitul încărcării, tensiunea creste brusc, şi bateria începe sa emită un gaz, care este rezultatul descompunerii apei în hidrogen şi oxigen. Daca acest proces este lăsat sa continue pentru o perioada lunga de timp, bateria este supraîncărcata, rezultând intr-o accelerare a coroziunii plăcilor bateriei, pierderi de electrolit, şi deteriorări fizice ale plăcilor. De aceea supraîncărcarea trebuie limitata, insa când o baterie atinge tensiunea la care începe sa „gazeze” nu este încărcata la maxim. Pentru a termina încărcarea, bateria trebuie lăsata sa gazeze pentru o perioada scurta de timp, timp în care o parte din curentul de încărcare continua sa încarce bateria iar o alta parte cauzează efectul de gazare. În bateriile umplute cu electrolit (contrar celor în care electrolitul este imobilizat intr-un gel sau intr-o sticla absorbanta), procesul de gazare agita electrolitul, asigurând astfel acelaşi nivel de aciditate în toata masa [27].

8

Când un acumulator cu plumb este descărcat, tensiunea sa scade. Descărcarea nu poate continua la nesfârşit: eventual nu mai exista material care sa reacţioneze şi bateria este deteriorata. De aceea, descărcarea completa trebuie evitata.O baterie cu plumb se compune din celule electrochimice care conţin un pol pozitiv, un pol negativ si un electrolit, toate dispuse intr-un vas corespunzător (dintr-un material neatacat de acidul sulfuric). Materia activa de la polul pozitiv este bioxidul de plumb (PbO2) iar materia activa de la polul negativ este plumbul spongios. La descărcare atât bioxidul de plumb cat si plumbul spongios se transforma in sulfat de plumb, iar la reincarcare, materiile active revin la starea iniţiala. In general electrozii sunt sub forma de tip grătar, sac sau tubulare. Electrolitul este o soluţie de acid sulfuric H2SO4 de concentraţie 20-30% sau densitate cuprinsa intre 1.08-1.30 [g/cm3]. Plăcile pozitive sunt legate intre ele, formând electrodul pozitiv, iar plăcile negative sunt si ele legate intre ele, formând electrodul negativ.Pentru ca rezistenta interna sa fie cat mai mica, plăcile trebuie sa fie cat mai apropiate, dar fara riscul de scurtcircuit. Astfel, intre placi de se montează piese separatoare poroase (din lemn, cauciuc, plastic, ebonita etc.), care au rolul de a împiedica atingerea plăcilor. In plus, in acest fel se obţine un volum cat mai mic si se obţine si un pachet bine fixat in vas, ceea ce preîntâmpina deformarea plăcilor. Tensiunea data de o celula este de aproximativ 2 [V]. Rezistenta interna a unei baterii de acumulatoare cu Plumb depinde foarte mult de temperatura, aceasta scade odată ce temperatura creste, aşa cum se poate observa in figura de mai jos.

Figura 1.8. Variaţia rezistentei interne a bateriei in funcţie de temperatura.

Astfel bateria poate deveni foarte insuficienta la temperaturi joase, dar se pote obţine si o eficienta mai ridicata la temperaturi mai înalte, insa in acest caz impedanţa interna a bateriei trebuie sa fie scăzută [26].

8.2.2.1. Avantajele si dezavantajele bateriilor cu plumb

Avantajele bateriilor cu plumb

9

Sunt baterii care pot fi realizate la puteri mari, sunt ieftine, simplu de realizat, sigure si fiabile. Tehnologia producerii lor este bine stăpânita, iar utilizarea lor corecta asigura un serviciu durabil si eficient. Au o mare capacitate de descărcare.

Dezavantajele bateriilor cu plumb

Energia specifica redusa (circa 40 [W/kg]), eficienta redusa la temperaturi mici si numărul de cicluri relativ mic reprezintă impedimente in utilizarea lor pe vehicule electrice si hibride. Nu pot fi stocate in starea de descărcare, fiind recomandat ca tensiunea pe celula sa nu scadă sub circa 2 [V]. Caracteristicile de încărcare si descărcare depind semnificativ de variaţiile de temperatura. Au dezavantajul ca necesita o durata mare de reincarcare (de pana la 6-8 ore). Bateria nu pote susţine un curent mare sau o tensiune de încărcare pentru o durata mare de timp, bateria se incalzeste repede si se raceste lent.

Masa bateriilor cu plumb folosite pentru vehicule electrice sau hibride este mare si pote ajunge pana la 24% din masa vehiculului. Din punct de vedere al protecţiei mediului, bateriile cu plumb sunt poluante atât datorita plumbului cat si datorita electrolitului. Producerea lor implica existenta unui mediu toxic cu efecte negative pentru personal si pentru mediu. Transportul lor trebui realizat cu grija pentru a se evita scurgerile de acid.

8.2.3. Baterii nichel-cadmiu

Sunt baterii secundare alcaline la care elementele de baza sunt electrodul pozitiv din hidroxid de nichel Ni(OH)2, electrodul negativ din cadmiu si un electrolit din hidroxid de potasiu KOH (cu densitate de 1.210 [g/cm3]). Electrolitul actioneaza ca un conductor ionic si intervine puţin in reacţii. Procesele electrochimice reversibile din timpul incarcarii si descărcării sunt date de reacţia totala [1].Potenţialul la electrodul pozitiv este de circa 0.45-0.5 [V], iar la cel negativ este de circa 1.2-1.3 [V]. Din punct de vedere constructiv (Fig.4.14), o baterie NiCd este compusa din electrodul pozitiv izolat de electrodul negativ (din cadmiu) printr-un separator, elementele fiind dispuse in straturi si rulate sub forma de spirala, acestea, împreuna cu electrolitul, fiind asamblate intr-o carcasa metalica [14]. Bateria dispune de o supapa de siguranţa care asigura evacuarea gazelor care pot fi eliberate in timpul funcţionarii. Necesita o descărcare completa periodica pentru a evita apariţia efectului de memorie. Se comporta bine la incarcarii rapide.

10

Figura 4.14: Structura unei baterii NiCd

8.2.3.1. Avantajele si dezavantajele bateriilor NiCd

Avantaje:- durata de viata mare, de circa 1000 cicluri (valoare medie 500 de cicluri);- poate fi reincarcata si la temperaturi reduse;- sunt simplu de stocat si transportat;- lucrează bine si la temperaturi reduse;- pot lucra la o rata de descărcare mare – pana la 10C;- încărcarea se pote face rapid, in cel mult doua ore sau chiar in 15 minute;- sunt reciclabile.

Dezavantaje:- au densitate de energie redusa (45-80 [W/kg], valoare medie 55 [W/kg]);- grad de autodescarcare ridicat (circa 10% din 24-48 ore sau circa 20-25% pe luna

si se descarcă aproape complet in 6 luni);- cadmiul este toxic, prezintă efectul de memorie;- sunt de 2-4 ori mai scumpe decât bateriile de plumb (dar au durata de viata mai

mare).Bateriile NiCd au o rezistenta interna redusa, ceea ce le face utile pentru echipamente in care se solicita valori mari de curent, ajungând pana la 20 [A/celula]. Exista unele opinii legate de efectul de memorie, care înseamnă tendinţa bateriei de a nu genera tensiunea nominala daca este conectata la sarcina înainte de descărcarea totala (pana la circa 1 [V/cel]). Efectul consta in apariţia unor granule datorate cadmiului „nefolosit”, ceea ce reduce suprafaţa activa a cadmiului; electrodul de cadmiu va avea astfel doua suprafeţe cu rugozitate diferita; la sarcini mari, suprafaţa mai fina se va consuma rapid, ceea ce duce la scăderea tensiunii, deşi bateria nu este descărcata. Cataloagele firmelor nu mentioneaza acest efect, iar unii utilizatori considera ca aceasta descărcare reduce durata de viata a bateriei. Din acest motiv se recomanda ca periodic bateria sa fi descărcata total.

11

Densitatea de stocare a energiei este de 45-80 [Wh/kg], iar densitatea de putere este de 150-160 [W/kg]. Randamentul in [Ah] al bateriilor NiCd este circa 75-80% iar randamentul in [Wh] este de circa 60-65%.Din punct de vedere al poluării, acest tip de baterie este poluanta, dar este reciclabila. Caracteristicile de încărcare depind de curent, timp, temperatura: un curent de încărcare crescut si o temperatura redusa duc la creşterea tensiunii bateriei.In Fig.4.15 se prezintă caracteristicile de autodescarcare funcţie de temperatura pentru baterii NiCd.

Figura 4.15: Caracteristici de autodescarcare

8.2.4. Bateriile nichel metal hidrid (NiMH)

Cercetările in domeniul bateriilor nichel metal hidrura (NiMH) au început in anii ”70 in urma cercetărilor asupra modalitatilor de stocare a hidrogenului, când s-a observat ca unele aliaje metalice (NiFe, MgNi) au capacitatea de a captura si elibera un volum de hidrogen de pana la 1000 de ori mai mare decât volumul lor. Prin alegerea corespunzătoare a materialelor constituente, procesele electrochimice pot fi controlate la temperaturile mediului ambiant. Ca structura sunt in general similare cu bateriile NiCd, diferind prin faptul ca in loc de cadmiu se foloseşte ca element activ hidrogenul. Anodul este realizat dintr-un metal hidrid, care are capacitatea de a stoca hidrogen. Tensiunea unei celule este de 1.2 [V]. Din punct de vedere constructiv, structura unei celule de baterie NiMH este clasica, fiind compusa din doi electrozi si un electrolit (figura 4.16). Electrodul pozitiv este hidroxidul de nichel Ni(OH)2. ele este insolubil in electrolit si poate fi realizat cu suprafeţe mari, ceea ce duce la capacitati ridicate si densitati mari de curent.Electrodul negativ este realizat dintr-un metal hidrid, care in structura sa, stochează hidrogen. Metalul hidrid poate conţine teoretic intre 1% si 7% hidrogen din masa sa (materialele actuale utilizate conţin 1% sau 2% hidrogen). Substratul metalic poros utilizat este de tip grătar, reţea, folie, sau placa si se realizează din nichel, cupru, cupru placat cu nichel, sau aliaj de cupru-nichel.Utilizarea cuprului in aliaj, cu excelente calitati de conductibilitate electrica, reduce considerabil rezistenta interna a electrodului si micsoreaza pierderile de putere prin disipare termica, crescând astfel puterea disponibila a bateriei. In plus, cuprul este un

12

metal maleabil, caracteristica importanta daca se ia in consideraţie faptul ca intr-un ciclu de încărcare - descărcare electrodul se dilata, respectiv contracta (dar nu termic).

Figura 4.16: Baterie NIMH

Electrodul negativ rezulta prin presarea materialului activ (aflat sub forma de pulbere) in masa stratului metalic poros după ce se sintetizează. Materialul activ este de regula un aliaj Titan-Vanadiu-Nichel la care se adaugă Pd (Paladiu) având rolul de a creste semnificativ capacitatea de descărcare la rate mari. Astfel, rata de descărcare 1C se imbunatateste cu 20% comparativ cu cea a aceluiaşi metal activ fara adaus de paladiu.Imbunatatirea semnificativa pe care un procent infim de paladiu o aduce capacitati de descărcare a bateriei NiMH reiese si mai bine in evidenta din Fig.4.17 in care sunt reprezentate caracteristicile de descărcare (curentul de descărcare raportata la capacitatea bateriei) pentru patru tipuri sugestive de aliaje. Astfel, se poate observa comportamentul a doua aliaje, Z212, respectiv Z151 ce diferă doar prin adausul de 1% Pd la primul aliaj si care face ca la o descărcare 1C capacitatea acesteia sa scadă cu doar 10% (curba a) in timp ce lipsa paladiului produce o scădere cu 7% a capacitatii celuilalt aliaj (curba b) pentru acelaşi curent de descărcare.

8.2.4.1. Avantajele bateriilor NiMH

- conductivitate înalta a electrolitului, ceea ce permite utilizarea in aplicaţii de putere mare;

- bateria poate fi închisa, minimizând costurile de intretinere si pierderile, operează pe o plaja larga de temperatura;

- durata de viata este mare si compensează costul mai mare fata de alte tehnologii;- densitatea de energie este mare iar costul pe watt sau pe watt-ora este redus.-

8.2.5. Baterii cu litiu

Litiul este cel mai uşor metal (pluteşte pe apa) si are cel mai mare potenţial electrochimic, fiind astfel un metal foarte reactiv.

13

Bateriile cu litiu (Fig.4.23) constau dintr-un electrod negativ, realizat din carbon înalt cristalizat, electrolit – compus din solvenţi organici, săruri de litiu si separatori [6]. Deoarece nu exista un electrolit lichid, exista avantajul lipsei de scurgeri din baterie.

Figura 4.23: Principiul unei baterii cu litiu

Încărcarea si descărcarea se face prin intermediul ionilor de litiu, proces care nu implica reacţii chimice dăunătoare. Litiul are cel mai coborât potenţial electric dintre toate elementele. Acest lucru permite bateriei cu litiu sa aibă cea mai mare tensiune de lucru dintre baterii si cea mai mare densitate de energie si putere fata de bateriile cu Pb si bateriile NiMH. In Tabelul 4.6 se prezintă caracteristici ale bateriilor cu litiu realizate de firma Hitachi Group.

Tabelul 4.6: Caracteristici ale bateriilor cu litiuHEV EV

Dimensiuni [mm] 260x541x160 290x440x186Masa [kg] 20.2 29.3Tensiune [V] 173 30Capacitate [Ah] 3.6 90Densitate de energie [Wh/kg] - 93Densitate de putere [W/Kg] 1350 350

14

Figura 4.24 Structura unei baterii cu litiu

Tabelul 4.7: Tipurile principale de baterii de acumulatoare si unele din caracteristicile lorPb NiCd NiMH Li-ion

Cost Redus Mediu Ridicat Foarte mareDensitate de energie [Wh/kg] 30 50 75 100Tensiunea pe element [V] 2.27 1.25 1.25 3.6Circuitul de sarcina Redus Foarte mare Moderat MareNumărul ciclurilor de încărcare / descărcare

200-2000 1500 500 300-500

Autodescarcare Redusa Moderata Ridicata RedusaTimp minim de reincarcare [ore] 8-16 1.5 2-3 3-6Impact asupra mediului Ridicat Ridicat Redus Ridicat

Exista diverse tipuri de baterii si mulţi factori care le afectează performantele. Pentru a analiza performantele bateriilor exista multe modele matematice.Factorii care influenteaza performantele bateriei sunt:

- starea de încărcare;- capacitatea de stocare a bateriei;- rata de încărcare / descărcare;- temperatura;- durata de viata.

Modelele bateriilor electrochimice – sunt bazate numai pe electrochimie. Aceste modele ignora efectele termodinamice si cuantice. Cu toate ca aceste modele pot prezice stocarea energiei, ele sunt incapabile sa modeleze fenomene cum ar fi durata de timp când se modifica tensiunea in sarcina.

15