Unutarnji otpor baterije

Ako uzmemo potpuno novu litij-ionsku bateriju, recimo veličine 18650, nominalnog kapaciteta 2500mAh, dovedemo njen napon na točno 3,7 volta, a zatim ga povežemo s aktivnim opterećenjem u obliku 10-vatnog otpornika sa vrijednošću R = 1 Ohm, tada je kolika je konstanta struju koju očekujemo da izmjerimo kroz ovaj otpornik?

Što će se tamo dogoditi u prvom trenutku vremena, sve dok se baterija gotovo ne počne isprazniti? U skladu s Ohmovim zakonom, čini se da bi trebalo biti 3,7A, budući da je i = U / R = 3,7 / 1 = 3,7 [A]. Zapravo će struja biti nešto manja, naime u području I = 3.6A. Zašto će se to dogoditi?

Razlog je taj što ne samo otpornik, već i sama baterija ima određeno unutarnji otpor, jer se kemijski procesi unutar njega ne mogu odvijati odmah. Ako zamislite bateriju u obliku pravog dvo-terminala, onda 3,7 V - to će biti njegov EMF, pored kojeg će se nalaziti i unutarnji otpor r jednak, za naš primjer, otprilike 0,028 Ohm.

Doista, ako izmjerite napon na otporniku spojenom na bateriju s vrijednošću R = 1 Ohm, ispada da će biti približno 3,6 V, a 0,1 V će stoga pasti na unutarnji otpor r baterije. Dakle, ako otpornik ima otpor od 1 ohma, napon izmjeren na njemu bio je 3,6 V, dakle struja kroz otpornik je I = 3,6 A. Zatim, ako je na bateriju pala u = 0,1 V, a krug koji imamo je zatvoren, serijski, to znači da je struja kroz bateriju I = 3,6 A, prema tome, prema Ohmovom zakonu, njezin unutarnji otpor bit će r = u / I = 0,1 / 3,6 = 0,0277 ohma.

Što određuje unutarnji otpor baterije

U stvarnosti, unutarnji otpor različitih vrsta baterija nije uvijek konstantan. Dinamična je i ovisi o nekoliko parametara: o struji opterećenja, o kapacitetu baterije, o stupnju napunjenosti baterije, kao i o temperaturi elektrolita unutar baterije.

Što je veća struja opterećenja, manji je, u pravilu, unutarnji otpor akumulatora, budući da su procesi prijenosa naboja unutar elektrolita u ovom slučaju intenzivniji, više iona je uključeno u proces, ioni se aktivnije kreću u elektrolitu od elektrode do elektrode. Ako je opterećenje relativno malo, intenzitet kemijskih procesa na elektrodama i u elektrolitu akumulatora također će biti manji, pa će se, čini se, unutarnji otpor činiti velikim.

Za baterije s većim kapacitetom, područje elektroda je veće, što znači da je područje interakcije elektroda s elektrolitom veće. Stoga je više iona uključeno u proces prijenosa naboja, više iona stvara struju. Dokazan je sličan princip. s paralelnim spajanjem kondenzatora - što je veći kapacitet, to se više naboja može koristiti u blizini određenog napona. Dakle, veći je kapacitet baterije - manji je njezin unutarnji otpor.

Sada razgovarajmo o temperaturi. Svaka baterija ima svoj vlastiti sigurni raspon radne temperature unutar kojeg vrijedi sljedeće. Što je viša temperatura baterije, to će brže doći do difuzije iona unutar elektrolita, stoga će pri višoj radnoj temperaturi biti unutarnji otpor baterije.

Prve litijeve baterije, koje nisu imale zaštitu od pregrijavanja, čak su i eksplodirale jer je kisik prebrzo nastao zbog brzog propadanja anode (kao rezultat brze reakcije na nju). Na ovaj ili onaj način, baterije karakterizira gotovo linearna ovisnost unutarnjeg otpora o temperaturi u rasponu prihvatljivih radnih temperatura.

S pražnjenjem baterije njegov aktivni kapacitet opada, jer količina aktivne tvari ploča, koja još uvijek može sudjelovati u stvaranju struje, postaje sve manja. Stoga, struja postaje sve manja, odnosno, unutarnji otpor raste. Što je baterija više napunjena, to je manji njezin unutarnji otpor. Dakle, kako se baterija prazni, njezin unutarnji otpor postaje veći.