Prinsip dan definisi

2020-08-11 08:07

Kapasitas dan energi baterai atau sistem penyimpanan

Kapasitas baterai atau akumulator adalah jumlah energi yang disimpan menurut suhu tertentu, nilai arus pengisian dan pengosongan, serta waktu pengisian atau pengosongan.

Kapasitas penilaian dan tingkat C.

C-rate digunakan untuk mengukur arus pengisian dan pengosongan baterai. Untuk kapasitas tertentu, C-rate adalah ukuran yang menunjukkan pada saat apa baterai diisi dan habis untuk mencapai kapasitas yang ditentukan. 

Pengisian daya 1C (atau C / 1) memuat baterai yang diberi nilai, katakanlah, 1000 Ah pada 1000 A selama satu jam, sehingga pada akhir jam tersebut baterai mencapai kapasitas 1000 Ah; Pengosongan 1C (atau C / 1) menguras baterai pada kecepatan yang sama.
Pengisian 0,5C atau (C / 2) memuat baterai yang diberi nilai, katakanlah, 1000 Ah pada 500 A sehingga membutuhkan dua jam untuk mengisi baterai pada kapasitas nilai 1000 Ah;
Pengisian daya 2C memuat baterai yang diberi nilai, katakanlah, 1000 Ah pada 2000 A, jadi secara teoritis diperlukan waktu 30 menit untuk mengisi baterai pada kapasitas pengenal 1000 Ah;
Peringkat Ah biasanya ditandai pada baterai.
Contoh terakhir, baterai asam timbal dengan kapasitas pengenal C10 (atau C / 10) 3000 Ah harus diisi atau dikosongkan dalam 10 jam dengan arus pengisian atau pengosongan 300 A.

Mengapa penting untuk mengetahui C-rate atau C-rating baterai

C-rate adalah data penting untuk baterai karena untuk sebagian besar baterai, energi yang disimpan atau tersedia bergantung pada kecepatan arus pengisian atau pengosongan. Umumnya, untuk kapasitas tertentu Anda akan memiliki lebih sedikit energi jika Anda mengosongkan dalam satu jam daripada jika Anda mengosongkan dalam 20 jam, sebaliknya Anda akan menyimpan lebih sedikit energi dalam baterai dengan muatan arus 100 A selama 1 jam dibandingkan dengan muatan saat ini sebesar 10 A selama 10 jam.

Formula untuk menghitung Arus tersedia dalam output sistem baterai

Bagaimana cara menghitung arus keluaran, daya dan energi baterai menurut C-rate?
Rumus paling sederhana adalah:

I = Cr * Er
atau
Cr = I / Er
Dimana
Er = energi pengenal yang disimpan dalam Ah (kapasitas pengenal baterai yang diberikan oleh pabrikan)
I = arus pengisian atau pengosongan dalam Ampere (A)
Cr = C-rate baterai
Persamaan untuk mendapatkan waktu pengisian atau pengisian atau pengosongan "t" menurut kapasitas arus dan pengenal adalah:
t = Er / I
t = waktu, durasi pengisian atau pengosongan (runtime) dalam jam
Hubungan antara Cr dan t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Kr

Cara Kerja Baterai Lithium-ion

Baterai lithium-ion sangat populer akhir-akhir ini. Anda dapat menemukannya di laptop, PDA, ponsel, dan iPod. Mereka sangat umum karena, pound untuk pound, mereka adalah beberapa baterai isi ulang paling energik yang tersedia.

Baterai lithium-ion juga menjadi berita akhir-akhir ini. Itu karena baterai ini memiliki kemampuan untuk kadang-kadang terbakar. Ini tidak terlalu umum - hanya dua atau tiga kemasan baterai per satu juta yang bermasalah - tetapi ketika itu terjadi, itu ekstrim. Dalam beberapa situasi, tingkat kegagalan dapat meningkat, dan ketika itu terjadi Anda berakhir dengan penarikan kembali baterai di seluruh dunia yang dapat merugikan produsen jutaan dolar.

Jadi pertanyaannya adalah, apa yang membuat baterai ini begitu energik dan populer? Bagaimana mereka meledak menjadi nyala api? Dan adakah yang dapat Anda lakukan untuk mencegah masalah atau membantu baterai Anda bertahan lebih lama? Di artikel ini, kami akan menjawab pertanyaan-pertanyaan ini dan banyak lagi.

Baterai lithium-ion sangat populer karena memiliki sejumlah keunggulan penting dibandingkan teknologi pesaing:

• Mereka umumnya jauh lebih ringan daripada jenis baterai isi ulang lainnya dengan ukuran yang sama. Elektroda baterai litium-ion terbuat dari litium ringan dan karbon. Litium juga merupakan unsur yang sangat reaktif, artinya banyak energi yang dapat disimpan dalam ikatan atomnya. Ini berarti kepadatan energi yang sangat tinggi untuk baterai lithium-ion. Berikut adalah cara untuk mendapatkan perspektif tentang kepadatan energi. Baterai lithium-ion biasa dapat menyimpan listrik 150 watt-jam dalam 1 kilogram baterai. Paket baterai NiMH (nickel-metal hydride) dapat menyimpan mungkin 100 watt-jam per kilogram, meskipun 60 hingga 70 watt-jam mungkin lebih umum. Baterai timbal-asam hanya dapat menyimpan 25 watt-jam per kilogram. Menggunakan teknologi timbal-asam, dibutuhkan 6 kilogram untuk menyimpan jumlah energi yang sama dengan baterai lithium-ion 1 kilogram. Itu perbedaan yang sangat besar
• Mereka memegang kendali. Paket baterai lithium-ion hanya kehilangan sekitar 5 persen dari muatannya per bulan, dibandingkan dengan kehilangan 20 persen per bulan untuk baterai NiMH.
• Baterai tidak memiliki efek memori, yang berarti Anda tidak perlu mengosongkan baterai sepenuhnya sebelum diisi ulang, seperti pada beberapa bahan kimia baterai lainnya.
• Baterai lithium-ion dapat menangani ratusan siklus pengisian / pengosongan.

Itu tidak berarti bahwa baterai lithium-ion tidak memiliki cacat. Mereka juga memiliki beberapa kelemahan:

• Mereka mulai merendahkan diri begitu mereka meninggalkan pabrik. Mereka hanya akan bertahan dua atau tiga tahun sejak tanggal pembuatan apakah Anda menggunakannya atau tidak.
• Mereka sangat sensitif terhadap suhu tinggi. Panas menyebabkan kemasan baterai lithium-ion terdegradasi lebih cepat dari biasanya.
• Jika Anda benar-benar mengosongkan baterai lithium-ion, itu rusak.
• Paket baterai lithium-ion harus memiliki komputer terpasang untuk mengelola baterai. Hal ini membuat mereka lebih mahal dari sebelumnya.
• Ada kemungkinan kecil bahwa, jika paket baterai lithium-ion gagal, baterai akan meledak.

Banyak dari karakteristik ini dapat dipahami dengan melihat sifat kimiawi di dalam sel litium-ion. Kami akan melihat ini selanjutnya.

Paket baterai lithium-ion tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran, tetapi semuanya terlihat hampir sama di bagian dalam. Jika Anda akan membongkar paket baterai laptop (sesuatu yang TIDAK kami rekomendasikan karena kemungkinan baterai akan korsleting dan menyalakan api), Anda akan menemukan yang berikut ini:

• Sel litium-ion dapat berupa baterai silinder yang terlihat hampir identik dengan sel AA, atau dapat pula berbentuk prismatik, yang artinya berbentuk persegi atau persegi panjang. Komputer, yang terdiri dari:
• Satu atau lebih sensor suhu untuk memantau suhu baterai
• Sebuah konverter tegangan dan rangkaian regulator untuk menjaga tingkat tegangan dan arus yang aman
• Konektor notebook berpelindung yang memungkinkan daya dan informasi mengalir masuk dan keluar dari unit baterai
• Keran voltase, yang memantau kapasitas energi sel individu dalam kemasan baterai
• Monitor status pengisian daya baterai, yang merupakan komputer kecil yang menangani seluruh proses pengisian daya untuk memastikan baterai mengisi daya secepat dan sepenuhnya.

Jika unit baterai menjadi terlalu panas selama pengisian atau penggunaan, komputer akan mematikan aliran daya untuk mencoba mendinginkannya. Jika Anda meninggalkan laptop di dalam mobil yang sangat panas dan mencoba menggunakan laptop, komputer ini dapat mencegah Anda untuk menyalakannya hingga semuanya menjadi dingin. Jika sel benar-benar habis, baterai akan mati karena selnya rusak. Ini juga dapat melacak jumlah siklus pengisian / pengosongan dan mengirimkan informasi sehingga meteran baterai laptop dapat memberi tahu Anda berapa banyak daya yang tersisa di baterai.

Ini adalah komputer kecil yang cukup canggih, dan mengambil daya dari baterai. Penarikan daya ini adalah salah satu alasan mengapa baterai lithium-ion kehilangan 5 persen dayanya setiap bulan saat tidak digunakan.

Sel litium-ion

Seperti kebanyakan baterai, Anda memiliki casing luar yang terbuat dari logam. Penggunaan logam sangat penting di sini karena baterai bertekanan. Casing logam ini memiliki semacam lubang ventilasi yang peka terhadap tekanan. Jika baterai menjadi sangat panas sehingga berisiko meledak karena tekanan berlebih, ventilasi ini akan melepaskan tekanan ekstra. Baterai mungkin tidak akan berguna setelahnya, jadi ini adalah sesuatu yang harus dihindari. Ventilasi benar-benar ada di sana sebagai ukuran keamanan. Begitu juga dengan sakelar Koefisien Suhu Positif (PTC), perangkat yang seharusnya menjaga baterai agar tidak terlalu panas.

Casing logam ini memegang spiral panjang yang terdiri dari tiga lembaran tipis yang ditekan bersama:

• Sebuah elektroda positif
• Elektroda negatif
• Sebuah pemisah

Di dalam casing, lembaran-lembaran ini direndam dalam pelarut organik yang bertindak sebagai elektrolit. Eter adalah salah satu pelarut yang umum.

Pemisah adalah lembaran plastik mikro berlubang yang sangat tipis. Seperti namanya, ini memisahkan elektroda positif dan negatif sambil membiarkan ion melewatinya.

Elektroda positif terbuat dari Lithium cobalt oxide, atau LiCoO2. Elektroda negatif terbuat dari karbon. Saat baterai terisi, ion litium bergerak melalui elektrolit dari elektroda positif ke elektroda negatif dan menempel pada karbon. Selama pelepasan, ion litium bergerak kembali ke LiCoO2 dari karbon.

Pergerakan ion litium ini terjadi pada tegangan yang cukup tinggi, sehingga setiap sel menghasilkan 3,7 volt. Ini jauh lebih tinggi daripada 1,5 volt yang biasa digunakan pada sel alkaline AA normal yang Anda beli di supermarket dan membantu membuat baterai lithium-ion lebih ringkas di perangkat kecil seperti ponsel. Lihat Bagaimana Baterai Bekerja untuk detail tentang kimia baterai yang berbeda.

Kita akan melihat bagaimana memperpanjang masa pakai baterai lithium-ion dan mencari tahu mengapa mereka bisa meledak selanjutnya.

Masa Pakai dan Kematian Baterai Lithium-ion

Paket baterai lithium-ion mahal, jadi jika Anda ingin membuatnya tahan lama, berikut beberapa hal yang perlu diingat:

• Bahan kimia ion litium lebih memilih pengosongan sebagian daripada pengosongan dalam, jadi sebaiknya hindari penggunaan baterai hingga nol. Karena bahan kimia lithium-ion tidak memiliki "memori", Anda tidak merusak baterai dengan pengosongan sebagian. Jika tegangan sel lithium-ion turun di bawah level tertentu, itu rusak.
• Usia baterai lithium-ion. Mereka hanya bertahan dua hingga tiga tahun, bahkan jika mereka duduk di rak yang tidak terpakai. Jadi jangan "menghindari" penggunaan baterai dengan pemikiran bahwa baterai dapat bertahan hingga lima tahun. Tidak akan. Selain itu, jika Anda membeli unit baterai baru, Anda ingin memastikan baterai tersebut benar-benar baru. Jika sudah disimpan di rak di toko selama setahun, itu tidak akan bertahan lama. Tanggal pembuatan itu penting.
• Hindari panas, yang menurunkan baterai.

Baterai Meledak

Sekarang kita tahu bagaimana menjaga baterai lithium-ion bekerja lebih lama, mari kita lihat mengapa mereka bisa meledak.

Jika baterai menjadi cukup panas untuk menyalakan elektrolit, Anda akan terbakar. Ada klip video dan foto di Web yang menunjukkan betapa seriusnya kebakaran ini. Artikel CBC, "Musim Panas Laptop yang Meledak," menyimpulkan beberapa dari insiden ini.

Saat kebakaran seperti ini terjadi, biasanya disebabkan oleh korsleting internal pada baterai. Ingat dari bagian sebelumnya bahwa sel lithium-ion mengandung lembaran pemisah yang memisahkan elektroda positif dan negatif. Jika lembaran itu bocor dan elektroda bersentuhan, baterai akan cepat panas. Anda mungkin pernah mengalami jenis panas yang dapat dihasilkan baterai jika Anda pernah memasukkan baterai 9 volt biasa ke dalam saku Anda. Jika koin mengalami arus pendek di kedua terminal, baterai menjadi cukup panas.

Dalam kegagalan separator, jenis korsleting yang sama terjadi di dalam baterai lithium-ion. Karena baterai lithium-ion sangat energik, baterai menjadi sangat panas. Panas menyebabkan baterai melepaskan pelarut organik yang digunakan sebagai elektrolit, dan panas (atau percikan api di dekatnya) dapat menyalakannya. Setelah itu terjadi di dalam salah satu sel, panas api mengalir ke sel lain dan seluruh pak terbakar.

Penting untuk dicatat bahwa kebakaran sangat jarang terjadi. Tetap saja, ini hanya membutuhkan beberapa api dan sedikit media cakupan untuk meminta penarikan kembali.

Teknologi Lithium yang berbeda

Pertama, penting untuk diperhatikan bahwa ada banyak jenis baterai "Lithium Ion". Hal yang perlu diperhatikan dalam definisi ini mengacu pada "keluarga baterai".
Ada beberapa baterai "Lithium Ion" yang berbeda dalam keluarga ini yang menggunakan bahan berbeda untuk katoda dan anoda. Hasilnya, mereka menunjukkan karakteristik yang sangat berbeda dan karenanya cocok untuk aplikasi yang berbeda.

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4)

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) adalah teknologi litium terkenal di Australia karena penggunaannya yang luas dan kesesuaian untuk berbagai aplikasi.
Karakteristik harga rendah, keamanan tinggi, dan energi spesifik yang baik, menjadikannya pilihan yang kuat untuk banyak aplikasi.
Tegangan sel LiFePO4 sebesar 3,2V / sel juga menjadikannya teknologi litium pilihan untuk penggantian asam timbal tersegel di sejumlah aplikasi utama.

Baterai LiPO

Dari semua pilihan litium yang tersedia, terdapat beberapa alasan mengapa LiFePO4 dipilih sebagai teknologi litium yang ideal untuk pengganti SLA. Alasan utama turun ke karakteristik yang menguntungkan ketika melihat aplikasi utama tempat SLA saat ini ada. Ini termasuk:

• Tegangan serupa dengan SLA (3,2V per sel x 4 = 12,8V) membuatnya ideal untuk penggantian SLA.
• Bentuk paling aman dari teknologi lithium.
• Ramah lingkungan - fosfat tidak berbahaya dan juga ramah lingkungan dan bukan risiko kesehatan.
• Kisaran suhu yang luas.

Fitur dan manfaat LiFePO4 jika dibandingkan dengan SLA

Di bawah ini adalah beberapa fitur utama baterai Lithium Iron Phosphate yang memberikan beberapa keunggulan SLA yang signifikan dalam berbagai aplikasi. Ini bukanlah daftar lengkap dengan segala cara, namun ini mencakup item-item utama. Baterai 100AH AGM telah dipilih sebagai SLA, karena ini adalah salah satu ukuran yang paling umum digunakan dalam aplikasi siklus dalam. RUPS 100AH ini telah dibandingkan dengan LiFePO4 100AH untuk membandingkan sejenis untuk sedekat mungkin.

Fitur - Berat:

Perbandingan

• LifePO4 kurang dari setengah berat SLA
• Siklus dalam RUPST - 27.5Kg
• LiFePO4 - 12.2Kg

Manfaat

• Meningkatkan efisiensi bahan bakar
  • Dalam aplikasi karavan dan perahu, bobot derek berkurang.
• Meningkatkan kecepatan
  • Dalam aplikasi perahu, kecepatan air dapat ditingkatkan
• Penurunan berat keseluruhan
• Waktu kerja lebih lama

Berat memiliki pengaruh yang besar pada banyak aplikasi, terutama jika melibatkan penarik atau kecepatan, seperti caravan dan berperahu. Aplikasi lain termasuk pencahayaan portabel dan aplikasi kamera di mana baterai perlu dibawa.

Fitur - Siklus Hidup Lebih Besar:

Perbandingan

• Hingga 6 kali siklus hidup
• AGM Deep cycle - 300 siklus @ 100% DoD
• LiFePO4 - 2000 siklus @ 100% DoD

Manfaat

• Total biaya kepemilikan yang lebih rendah (biaya per kWh jauh lebih rendah selama masa pakai baterai untuk LiFePO4)
• Pengurangan biaya penggantian - ganti RUPS hingga 6 kali sebelum LiFePO4 perlu diganti

Siklus hidup yang lebih besar berarti bahwa biaya ekstra dimuka baterai LiFePO4 lebih dari yang dibuat selama masa pakai baterai. Jika digunakan setiap hari, RUPS perlu diganti kira-kira. 6 kali sebelum LiFePO4 perlu diganti

Fitur - Kurva Debit Datar:

Perbandingan

• Pada debit 0.2C (20A)
• RUPST - turun di bawah 12V setelahnya
• 1,5 jam waktu proses
• LiFePO4 - turun di bawah 12V setelah sekitar 4 jam waktu kerja

Manfaat

• Penggunaan kapasitas baterai lebih hemat
• Daya = Volt x Amp
• Setelah voltase mulai turun, baterai perlu memasok ampli yang lebih tinggi untuk memberikan jumlah daya yang sama.
• Tegangan lebih tinggi lebih baik untuk elektronik
• Waktu kerja yang lebih lama untuk peralatan
• Penggunaan kapasitas penuh bahkan pada laju pelepasan yang tinggi
• RUPST @ debit 1C = Kapasitas 50%
• LiFePO4 @ 1C debit = 100% kapasitas

Fitur ini sedikit diketahui tetapi merupakan keunggulan kuat dan memberikan banyak manfaat. Dengan kurva pelepasan datar LiFePO4, tegangan terminal bertahan di atas 12V untuk penggunaan kapasitas hingga 85-90%. Karena itu, lebih sedikit amp yang diperlukan untuk memasok daya dalam jumlah yang sama (P = VxA) dan oleh karena itu, penggunaan kapasitas yang lebih efisien menyebabkan runtime yang lebih lama. Pengguna juga tidak akan menyadari perlambatan perangkat (kereta golf misalnya) sebelumnya.

Seiring dengan ini, efek hukum Peukert jauh lebih signifikan dengan litium dibandingkan dengan RUPS. Ini menghasilkan persentase yang besar dari kapasitas baterai tidak peduli berapa tingkat pengosongannya. Pada 1C (atau 100A pengosongan untuk baterai 100AH) opsi LiFePO4 masih akan memberi Anda 100AH vs hanya 50AH untuk RUPS.

Fitur - Peningkatan Penggunaan Kapasitas:

Perbandingan

• RUPS merekomendasikan DoD = 50%
• LiFePO4 merekomendasikan DoD = 80%
• AGM Deep cycle - 100AH x 50% = 50Ah dapat digunakan
• LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
• Selisih = 30Ah atau 60% penggunaan kapasitas lebih banyak

Manfaat

• Peningkatan waktu kerja atau baterai berkapasitas lebih kecil untuk penggantian

Peningkatan penggunaan kapasitas yang tersedia berarti pengguna dapat memperoleh runtime hingga 60% lebih banyak dari opsi kapasitas yang sama di LiFePO4, atau sebagai alternatif memilih baterai LiFePO4 berkapasitas lebih kecil sambil tetap mencapai runtime yang sama dengan RUPS berkapasitas lebih besar.

Fitur - Efisiensi Pengisian Lebih Besar:

Perbandingan

• RUPST - Pengisian penuh membutuhkan waktu sekitar. 8 jam
• LiFePO4 - Pengisian daya penuh bisa minimal 2 jam

Manfaat

• Baterai terisi dan siap digunakan kembali dengan lebih cepat

Manfaat kuat lainnya dalam banyak aplikasi. Karena resistansi internal yang lebih rendah di antara faktor-faktor lain, LiFePO4 dapat menerima tagihan dengan tarif yang jauh lebih tinggi daripada RUPS. Ini memungkinkan mereka untuk mengisi daya dan siap digunakan lebih cepat, yang menghasilkan banyak manfaat.

Fitur - Tingkat Self Discharge Rendah:

Perbandingan

• RUPS - Pembongkaran hingga 80% SOC setelah 4 bulan
• LiFePO4 - Discharge hingga 80% setelah 8 bulan

Manfaat

• Dapat disimpan di penyimpanan untuk waktu yang lebih lama

Fitur ini adalah salah satu yang besar untuk kendaraan rekreasi yang hanya dapat digunakan selama beberapa bulan dalam setahun sebelum disimpan selama sisa tahun tersebut seperti karavan, perahu, sepeda motor dan Jet Ski dll. Bersamaan dengan hal ini, LiFePO4 tidak mengapur dan bahkan setelah dibiarkan untuk waktu yang lama, baterai cenderung tidak rusak secara permanen. Baterai LiFePO4 tidak rusak karena tidak ditinggalkan dalam penyimpanan dalam keadaan terisi penuh.

Jadi, jika aplikasi Anda menjamin salah satu fitur di atas, maka Anda pasti akan mendapatkan uang Anda senilai dengan pengeluaran ekstra untuk baterai LiFePO4. Artikel tindak lanjut akan menyusul dalam beberapa minggu mendatang yang akan mencakup aspek keamanan pada LiFePO4 dan bahan kimia Lithium yang berbeda.