Αντίσταση εσωτερικής μπαταρίας

Εάν πάρουμε μια ολοκαίνουργια μπαταρία ιόντων λιθίου, ας πούμε το μέγεθος 18650, με ονομαστική χωρητικότητα 2500mAh, να φέρει την τάση της σε ακριβώς 3,7 βολτ και στη συνέχεια να την συνδέσει σε ένα ενεργό φορτίο με τη μορφή μιας αντίσταση 10 watt με τιμή R = 1 Ohm, τότε τι είναι η σταθερά τρέχουσα αναμένουμε να μετρήσουμε μέσω αυτής της αντίστασης;

Τι θα συμβεί εκεί την πρώτη στιγμή του χρόνου, έως ότου η μπαταρία σχεδόν αρχίσει να απορρίπτεται; Σύμφωνα με το νόμο του Ohm, φαίνεται ότι θα έπρεπε να υπάρχει 3.7Α, αφού i = U / R = 3.7 / 1 = 3.7 [A]. Στην πραγματικότητα, το ρεύμα θα είναι ελαφρώς μικρότερο, δηλαδή στην περιοχή του I = 3.6A. Γιατί θα συμβεί αυτό;

Ο λόγος είναι ότι όχι μόνο η αντίσταση, αλλά και η ίδια η μπαταρία έχει ένα σίγουρο εσωτερική αντίσταση, επειδή οι χημικές διεργασίες μέσα σε αυτό δεν μπορούν να συμβούν αμέσως. Εάν φανταστείτε μια μπαταρία με τη μορφή ενός πραγματικού δύο τερματικών, τότε 3.7V - αυτό θα είναι το EMF της, εκτός από το οποίο θα υπάρξει επίσης μια εσωτερική αντίσταση r ίση με, για παράδειγμα, περίπου 0.028 Ohm.

Πράγματι, αν μετρήσετε την τάση σε έναν αντιστάτη που συνδέεται με την μπαταρία με τιμή R = 1 Ohm, τότε αποδεικνύεται ότι είναι περίπου 3,6 V και 0,1 V θα πέσει επομένως στην εσωτερική αντίσταση r της μπαταρίας. Έτσι, αν η αντίσταση έχει αντίσταση 1 ohm, η τάση που μετρήθηκε σε αυτό ήταν 3,6 V, επομένως το ρεύμα μέσω της αντίστασης είναι I = 3,6 A. Στη συνέχεια, εάν το u = 0.1 V έπεσε πάνω στην μπαταρία και το κύκλωμα που έχουμε είναι κλειστό, σειρά, αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα μέσω της μπαταρίας είναι I = 3.6 A, επομένως, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, η εσωτερική του αντίσταση θα είναι ίση με r = u / 0,1 / 3,6 = 0,0277 ohm.

Τι καθορίζει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας

Στην πραγματικότητα, η εσωτερική αντίσταση διαφορετικών τύπων μπαταριών δεν είναι πάντα σταθερή. Είναι δυναμική και εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους: από το ρεύμα φορτίου, από την χωρητικότητα της μπαταρίας, από τον βαθμό φόρτισης της μπαταρίας, καθώς και από τη θερμοκρασία του ηλεκτρολύτη μέσα στην μπαταρία.

Όσο υψηλότερο είναι το ρεύμα φορτίου, τόσο μικρότερη είναι, κατά κανόνα, η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, δεδομένου ότι οι διεργασίες μεταφοράς φορτίου εντός του ηλεκτρολύτη είναι πιο έντονες σε αυτή την περίπτωση, περισσότερο ιόντα εμπλέκονται στη διαδικασία, ιόντα κινούνται πιο ενεργά στον ηλεκτρολύτη από το ηλεκτρόδιο στο ηλεκτρόδιο. Εάν το φορτίο είναι σχετικά μικρό, τότε η ένταση των χημικών διεργασιών στα ηλεκτρόδια και στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας θα είναι επίσης μικρότερη και επομένως η εσωτερική αντίσταση θα φαίνεται μεγάλη.

Για μπαταρίες με μεγαλύτερη χωρητικότητα, η περιοχή των ηλεκτροδίων είναι μεγαλύτερη, πράγμα που σημαίνει ότι η περιοχή αλληλεπίδρασης των ηλεκτροδίων με τον ηλεκτρολύτη είναι πιο εκτεταμένη. Ως εκ τούτου, περισσότερα ιόντα εμπλέκονται στη διαδικασία μεταφοράς φορτίου, περισσότερα ιόντα δημιουργούν ένα ρεύμα. Παρόμοια αρχή αποδεικνύεται. με παράλληλη σύνδεση πυκνωτών - όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα, τόσο περισσότερο φορτίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κοντά σε μια δεδομένη τάση. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας - τόσο χαμηλότερη είναι η εσωτερική αντίσταση.

Τώρα ας μιλήσουμε για τη θερμοκρασία. Κάθε μπαταρία έχει τη δική της ασφαλή περιοχή θερμοκρασίας λειτουργίας, εντός της οποίας ισχύουν τα εξής. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της μπαταρίας, τόσο πιο γρήγορη γίνεται η διάχυση των ιόντων μέσα στον ηλεκτρολύτη, επομένως, σε υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας, η εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας θα είναι χαμηλότερη.

Οι πρώτες μπαταρίες λιθίου, οι οποίες δεν είχαν προστασία έναντι της υπερθέρμανσης, εξερράγησαν εξαιτίας αυτού, καθώς σχηματίστηκε πολύ ενεργό οξυγόνο λόγω της ταχείας αποσύνθεσης της ανόδου (ως αποτέλεσμα μιας γρήγορης αντίδρασης σε αυτήν). Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται από μια σχεδόν γραμμική εξάρτηση της εσωτερικής αντίστασης στη θερμοκρασία από το εύρος των αποδεκτών θερμοκρασιών λειτουργίας.

Με την εκφόρτιση της μπαταρίας μειώνεται η ενεργός ισχύς της, καθώς η ποσότητα της δραστικής ουσίας των πλακών, η οποία εξακολουθεί να είναι ικανή να συμμετέχει στη δημιουργία ρεύματος, γίνεται όλο και μικρότερη. Ως εκ τούτου, το ρεύμα γίνεται όλο και λιγότερο, αντίστοιχα, η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται. Όσο περισσότερο φορτίζεται η μπαταρία, τόσο λιγότερη εσωτερική αντίσταση. Έτσι, καθώς η μπαταρία εκφορτίζεται, η εσωτερική της αντίσταση γίνεται μεγαλύτερη.