นิยามเคมีไฟฟ้า
แหล่งพลังงานเคมีไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ได้รับการศึกษาภายใต้สาขาวิชาสหวิทยาการของไฟฟ้าเคมีที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของตัวนำไฟฟ้า (วัสดุออกฤทธิ์) และตัวนำไอออนิก (อิเล็กโทรไลต์) การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์เคมี (หรือการแปลงพลังงานเคมี) เป็นพลังงานไฟฟ้า) และปฏิกิริยาย้อนกลับซึ่งเซลล์อิเล็กโทรไลต์ถูกใช้สำหรับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี
แหล่งพลังงานเคมีไฟฟ้า (แบตเตอรี่)
กระบวนการแปลงพลังงานในแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน (ปฏิกิริยารีดอกซ์) เซลล์แบ่งออกเป็นเซลล์อิเล็กโทรไลต์และเซลล์กัลวานิก ตัวอย่างสำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลต์คือเซลล์ที่ใช้สำหรับการสกัดโลหะ เช่น อะลูมิเนียม แมกนีเซียม เป็นต้น และแบตเตอรี่เมื่อถูกชาร์จ เซลล์หรือแบตเตอรี่กัลวานิกสามารถส่งกระแสไฟฟ้าให้เราได้ เมื่อเทียบกับเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเราต้องผ่านกระแสเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา
ออกซิเดชันหมายถึงการกำจัดอิเล็กตรอน/อิเล็กตรอน (ออกจากแอโนดระหว่างปฏิกิริยาการคายประจุ) และการลดลงเป็นกระบวนการของการเพิ่มอิเล็กตรอนเหล่านี้ไปยังอิเล็กโทรดอื่น (แคโทด) ผ่านวงจรภายนอก อิเล็กโทรไลต์ที่นำไฟฟ้าเป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนไอออนภายใน เซลล์ ในระหว่างการปลดปล่อยเซลล์ อิเล็กตรอนจะส่งผ่านจากแอโนด (แผ่นลบ) ไปยังแคโทด (แผ่นบวก) ผ่านวงจรภายนอกและการไหลของไอออนภายในเซลล์เพื่อแปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า
ตัวอย่างทั่วไปสำหรับแอโนดคือ:
หลี่ → หลี่ + + อี –
Pb → Pb 2+ + 2e –
Zn → Zn 2+ + 2e –
ตัวอย่างของแคโทดคือ:
PbO 2 ⇄ Pb 2+ +2e – (แบตเตอรี่ตะกั่วกรด)
LiFePO 4 (แบตเตอรี่ Li-iron sulphate)
NiOOH + 2e – ⇄ Ni(OH) 2 (แบตเตอรี่ Ni-cadmium)
Cl 2 + 2e ⇄ 2Cl – (แบตเตอรี่สังกะสี-คลอรีน)
Br 2 + 2e ⇄ 2Br – (แบตเตอรี่สังกะสี-โบรมีน)
เซลล์ปฐมภูมิและทุติยภูมิ - เคมีไฟฟ้า
เซลล์เป็นหน่วยอิสระของระบบกัลวานิก เมื่อมีเซลล์มากกว่าหนึ่งเซลล์เชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน การจัดเรียงนี้เรียกว่าแบตเตอรี่ ส่วนประกอบที่สำคัญของเซลล์ ได้แก่ อิเล็กโทรดหรือเพลตบวก (แคโทด) อิเล็กโทรดหรือเพลตลบ (แอโนด) อิเล็กโทรไลต์ และส่วนประกอบที่ไม่ใช้งานอื่นๆ เช่น ภาชนะ ตัวคั่น ชิ้นส่วนขนาดเล็ก เช่น แท่งบัส เสาหลัก เสาขั้ว ฯลฯ
เซลล์กัลวานิกแบ่งออกเป็นเซลล์ปฐมภูมิและทุติยภูมิ ใน เซลล์ปฐมภูมิ ปฏิกิริยาไม่สามารถย้อนกลับได้เมื่อการคายประจุสิ้นสุดลงเนื่องจากการหมดแรงของสารออกฤทธิ์ ในขณะที่ใน เซลล์ทุติยภูมิ สาร ออกฤทธิ์สามารถนำกลับไปสู่สถานะก่อนหน้าได้โดยการส่งกระแสเข้าสู่เซลล์ในเซลล์ ทิศทางตรงกันข้าม
ตัวอย่างที่คุ้นเคยของเซลล์ปฐมภูมิ ได้แก่ เซลล์ที่ใช้ในนาฬิกาข้อมือ ไฟฉายไฟฟ้า และส่วนควบคุมต่างๆ เช่น รีโมททีวีและรีโมท AC แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ที่ใช้ได้ทั่วไปสำหรับสตาร์ทรถยนต์และอินเวอร์เตอร์สำหรับใช้ในบ้าน/UPS และเซลล์ Ni-Cd, Ni-MH และ Li-ion เป็นตัวอย่างสำหรับแบตเตอรี่สำรอง เซลล์เชื้อเพลิงแตกต่างจากแบตเตอรี่ (หลัก) ในแง่ที่ว่าองค์ประกอบปฏิกิริยาถูกป้อนจากภายนอก เทียบกับความพร้อมของแบตเตอรี่ภายในแบตเตอรี่
ศักยภาพของอิเล็กโทรด (ครึ่งเซลล์) และแรงดันไฟฟ้าของเซลล์และเอนทิตีที่ไม่ขึ้นกับมวลของเซลล์กัลวานิก:
ศักย์ (แรงดัน) ของอิเล็กโทรดเป็นสมบัติทางไฟฟ้าเคมีพื้นฐาน และค่าของอิเล็กโทรดไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณของวัสดุอิเล็กโทรด ในทางอุณหพลศาสตร์ เป็นคุณสมบัติที่เข้มข้นเมื่อเทียบกับความจุ (ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่กว้างขวาง) ของอิเล็กโทรดซึ่งขึ้นอยู่กับมวลของวัสดุที่ใช้งานอยู่ในนั้น
แรงดันไฟฟ้าของเซลล์คือการรวมกันของค่าศักย์ไฟฟ้าหรือค่าแรงดันไฟของขั้วบวก (ขั้วลบหรือเพลต) และขั้วลบ (ขั้วบวกหรือเพลต) ค่าศักย์ไฟฟ้าของขั้วลบจะเป็นค่าลบเสมอ (อยู่ต่ำกว่าศูนย์โวลต์ในซีรีส์ EMF ดูหนังสือเรียนหรือคู่มือมาตรฐาน) ศูนย์โวลต์หมายถึงศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานของอิเล็กโทรดไฮโดรเจน (SHE)
วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบนั้นเป็นโลหะหรือโลหะผสมอย่างสม่ำเสมอ โดยมีข้อยกเว้นบางประการ เช่น คาร์บอนและไฮโดรเจน ซึ่งเป็นวัสดุแอกทีฟเชิงลบในเซลล์ Ni-MH และ Ni-H2 แคโทดมีศักยภาพในเชิงบวกและส่วนใหญ่เป็นออกไซด์ เฮไลด์ ซัลไฟด์ เป็นต้น ยกเว้นออกซิเจนซึ่งทำหน้าที่เป็นสารออกฤทธิ์ของแคโทดในเซลล์โลหะ-อากาศ ควรมีอิเล็กโทรไลต์เพื่อนำไอออนภายในเซลล์
แรงดันไฟเป็นตัวขับเคลื่อนกระแส เป็นการรวมกัน (ผลต่างเชิงพีชคณิต) ของค่าศักย์บวกและค่าลบทั้งสองค่า แรงดันสามารถเปรียบได้กับความสูงของถังเก็บน้ำหรือระดับน้ำในถังและกระแสกับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่ออกมาจากถัง ยิ่งระดับน้ำในถังสูง น้ำก็จะออกมาเร็วขึ้น ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อสูงเท่าไร ปริมาณน้ำที่ไหลออกมาก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ได้อย่างไร?
แรงดันไฟฟ้าของเซลล์สามารถกำหนดได้จากค่าศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดสองค่า หรือคำนวณโดยใช้สมการกิบส์และพลังงานการก่อตัวของกิ๊บส์มาตรฐาน (Δ f G ˚) กิ๊บส์มาตรฐานปราศจากพลังงานแห่งการก่อตัว ของสารประกอบคือการเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระกิ๊บส์ที่มาพร้อมกับการก่อตัวของสาร 1 โมลในสถานะมาตรฐานจากองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบในสถานะมาตรฐาน (รูปแบบที่เสถียรที่สุดขององค์ประกอบที่ความดัน 1 บาร์และอุณหภูมิที่กำหนดโดยปกติ 298.15 K หรือ 25 °C)
กิ๊บส์ฟรีพลังงาน (G)
ในทางอุณหพลศาสตร์ พลังงานกิ๊บส์อิสระ เป็นตัวชี้วัดของงานที่สามารถดึงออกจากระบบได้ และในกรณีของแบตเตอรี่ งานจะกระทำโดยการปลดปล่อยไอออนที่อิเล็กโทรดหนึ่ง (แอโนด) ตามด้วยการเคลื่อนที่ไปยังอีกขั้วหนึ่ง (แคโทด) การเปลี่ยนแปลงของพลังงานส่วนใหญ่เท่ากับงานที่ทำ และในกรณีของเซลล์กัลวานิก งานไฟฟ้าจะทำผ่านการเคลื่อนที่ของไอออนเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างสารตั้งต้นทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ ดังนั้น พลังงานจะได้รับในรูปของ Δ G การ เปลี่ยนแปลงในพลังงานอิสระของกิบบ์ ซึ่งแสดงถึงปริมาณพลังงานเคมีสูงสุดที่อาจได้รับในระหว่างกระบวนการแปลงพลังงาน
เมื่อใดก็ตามที่เกิดปฏิกิริยา จะมีการ เปลี่ยนแปลง พลังงานอิสระของระบบ:
∆G = – nFE°
โดยที่ F = ค่าคงที่ที่เรียกว่าฟาราเดย์ (96,485 C หรือ 26.8 Ah)
n = จำนวนอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาปริมาณสัมพันธ์
E ° = ศักย์มาตรฐาน, V.
ค่าของ ∆G สามารถคำนวณได้จากค่าอื่นๆ อีกสามค่า ได้แก่ n, F และ E
แรงดันเซลล์ของเซลล์กัลวานิกสามารถคำนวณได้จากนิพจน์
ΔG° = ΣΔG° f ผลิตภัณฑ์ – ΣΔG° f สารตั้งต้น
พลังงานจากการก่อตัวของฟันกรามมาตรฐานสามารถหาได้จากหนังสือเรียนมาตรฐาน [Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.366]
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O
ΔG° = ΣΔG° f ผลิตภัณฑ์ – ΣΔG° f สารตั้งต้น
∆Gº = [2( − 193 . 89) + 2( − 56 . 69)] − [( − 52 . 34) + 0 – 2( − 177 . 34)]
= − 94 . 14 กิโลแคลอรี / โมล
= − 94 . 14 kcal / โมล × 4 . 184 kJ / โมล
= − 393 . 88 kJ / โมล
Eº = − Δ Gº/nF
= − ( − 393 . 88 × 1,000) / 2 × 96485
= 2 . 04 V
การ เพิ่มขึ้น ของพลังงานอิสระที่สอดคล้องกันจะเท่ากับงานไฟฟ้าที่ทำในระบบ เพราะฉะนั้น,
−ΔG = nFE หรือ ΔG = −nFE และ ΔGº = −nFEº
แรงดันเซลล์จากศักย์ไฟฟ้า
การรวมกันของศักย์ไฟฟ้าทั้งสองจะทำให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์:
E เซลล์ = E แคโทดหรืออิเล็กโทรดบวก – E แอโนดหรืออิเล็กโทรดลบ
หรือ E เซลล์ = E PP – E NP
ตามอนุสัญญา International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ในปี 1953 และ 1968 เซลล์กัลวานิกถูกเขียนในลักษณะที่ อิเล็กโทรดมือขวา (RHE) เป็นอิเล็กโทรดบวกโดยที่ การลดลง เกิดขึ้นและ อิเล็กโทรดมือซ้ายเป็นอิเล็ก โทรดลบ โดยที่ เกิดออกซิเดชัน และอิเล็กตรอนไหลจากซ้ายไปขวา [ แมคนิโคล BD; Rand, DAJ ใน McNicol BD; Rand, DAJ (ed.) แหล่งพลังงานสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า, บทที่ 4, Elsevier, Amsterdam, 1984 ] RHE คือแคโทด และ LHE คือแอโนด
E เซลล์ = E RHE − E LHE
สามารถหาค่าศักย์ไฟฟ้าได้จากตำราและคู่มือ
แรงดันเซลล์จากศักย์ไฟฟ้าสำหรับเซลล์ตะกั่ว-กรด
E เซลล์ = E แคโทดหรืออิเล็กโทรดบวก – E แอโนดหรืออิเล็กโทรดลบ
LHE Pb½H 2 SO 4 ½H 2 SO4½PbO 2 RHE
RHE คือแคโทด E ° Rev = 1.69 V สำหรับ Pb 4 + + 2e ⇄ Pb 2+ และ
แอโนด LHE E ° Rev = −0.358 V สำหรับ Pb º − 2e _ Pb 2+
เซลล์ E = 1.69 – (-0.358) = 2.048 V.
แรงดันเซลล์จากศักย์ไฟฟ้าสำหรับ Ni-Cd Cell
RHE Cd|เกาะ|เกาะ|NiOOH LHE
LHE E ° Rev = 0.49 สำหรับ NiOOH +2e ⇄Ni(OH)
RHE E ° Rev = – 0.828 V สำหรับ Cd ⇄ Cd 2+ +2e
อี เซลล์ =0 . 49 V – ( – 0 . 828) = 1 . 318 V
E ° Rev ของอิเล็กโทรดนิกเกิลภายใต้สภาวะมาตรฐานคือ 0.49 V E ° Rev ของอิเล็กโทรด MH ขึ้นอยู่กับแรงดันบางส่วนของวัสดุที่ขึ้นรูปไฮไดรด์ตาม
2MH ⇄ 2M + H 2 ↑
ความดันไฮโดรเจนบางส่วนที่ต้องการของอิเล็กโทรด MH อยู่ที่ 0.01 บาร์ ช่วง E ° Rev โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง –0.930 ถึง –0.860 V ดังนั้น
อี เซลล์ =0 . 49 V − ( − 0 . 89) = 1 . 3 ว.
แรงดันเซลล์จากศักย์ไฟฟ้าสำหรับเซลล์ Li-ion ของ LCO Chemistry
RHE C | LiPF 6 ใน DMC +ธันวาคม +PC | LiCoO2 LHE
RHE E ° Rev = 0.1 V (เทียบกับโลหะ Li) สำหรับ LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6
LHE E ° Rev = 3.8 V (เทียบกับโลหะ Li) สำหรับ Li 1-x CoO 2 + xe Discharge → LiCoO 2
ปฏิกิริยาทั้งหมดคือ C 6 +LiCoO 2 ⇄Li x C 6 + Li 1-x CoO 2
เซลล์ E = 3.8 – (0.1) = 3.7 V.
แรงดันเซลล์จากศักย์ไฟฟ้าสำหรับเซลล์ Li-ion ของเคมี LiFePO4
RHE C | LiPF 6 หรือ LiODFB ใน (EC+EMC+DEC) | LiFePO 4 LHE
RHE E ° Rev = 0.1 V (เทียบกับโลหะ Li) สำหรับ LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6
LHE E ° Rev = 3.5 V (เทียบกับโลหะ Li) สำหรับ FePO 4 + xe + xLi + = Discharge → xLiFePO 4 + (1-x) FePO 4
LIODFB = ลิเธียมไดฟลูออโร(ออกซาลาโต)บอเรต
ปฏิกิริยาทั้งหมด LiFePO 4 + 6C →LiC 6 + FePO 4
เซลล์ E = 3.3 – (0.1) = 3.2 V
ปริมาณเซลล์กัลวานิกที่ขึ้นกับมวล: กระแส กำลัง และพลังงาน
กำลังไฟฟ้ามีหน่วยเป็นวัตต์และปัจจัยด้านเวลาไม่เกี่ยวข้องกับกำลังไฟฟ้า
P = W = V*A
พลังงานหมายถึงพลังงานที่ใช้ไปในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ดังนั้นหน่วยจึงใช้เวลาหลายชั่วโมง
พลังงาน 1 W.Second = 1 Joule
พลังงาน = Wh = W*h = V*A*h = 3600 จูล
1 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง = 1,000 วัตต์ต่อชั่วโมง
ความจุคือปริมาณไฟฟ้า (Ah) ที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้
หากกำหนดสองเทอมใน Wh หรือ kWh ให้คำนวณอีกคำหนึ่งได้ (Wh = VAh)
850 Wh ของแบตเตอรี่ 12 V สามารถส่งได้ 850 Wh/12 V = 71 Ah ระยะเวลาที่สามารถวาด 71 Ah นี้ได้นั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับกระแสเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับประเภทของเคมีด้วย ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สามารถส่งพลังงานได้ 70 A เป็นเวลา 1 ชั่วโมง แต่ในทางกลับกัน แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดสามารถอยู่ได้นานถึง 1 ชั่วโมง หากกระแสไฟดิสชาร์จอยู่ที่ 35 A แต่แบตเตอรี่ VRLA สามารถจ่ายกระแสไฟ 70A ได้เพียงประมาณ 40 นาทีเท่านั้น
กำลังไฟฟ้าที่จ่ายโดยเซลล์ Li-ion ที่ 70 A = 70 A*3.6 V= 252 W
แต่กำลังไฟฟ้าจากเซลล์ตะกั่ว-กรดที่ 70 A = 70 A* 1.9 V= 133 W.
จะเห็นได้ว่าเซลล์ Li-ion สามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้มากกว่าต่อเซลล์สำหรับกระแสไฟเดียวกัน
ในทำนองเดียวกัน พลังงานที่ส่งโดยเซลล์ Li-ion ที่ 70 A = 70 A*3.6 V *1h= 252 Wh
แต่พลังงานที่ส่งโดยเซลล์ตะกั่วกรด VR ที่ 70 A = 70 A* 1.9 V * 0.66 h= 88 Wh
เราจะเห็นได้ว่าเซลล์ Li-ion สามารถส่งพลังงานต่อเซลล์ได้มากขึ้นสำหรับกระแสไฟเท่าเดิม
ความจุจำเพาะ คือ Ah ต่อหน่วยน้ำหนัก (Ah/kg หรือ mAh/g)
พลังงานจำเพาะ คือ Wh ต่อหน่วยน้ำหนัก (Wh/kg)
ความหนาแน่นของพลังงาน คือ Wh ต่อหน่วยปริมาตร (Wh/ลิตร)
บันทึก:
คำ ว่าความหนาแน่นพลังงาน กราวิเมตริกถูกแทนที่ด้วย พลังงานจำเพาะ และ ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรด้วยความหนาแน่นของพลังงาน
เคมีไฟฟ้า - ความจุจำเพาะทางทฤษฎีและพลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของวัสดุแอกทีฟอิเล็กโทรด
หน่วยของไฟฟ้าคือคูลอมบ์ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 1 แอมแปร์วินาที (As) ค่าคงที่ฟาราเดย์ (F) หมายถึงปริมาณประจุที่อิเล็กตรอน 1 โมลบรรทุก เนื่องจากอิเล็กตรอน 1 ตัวมีประจุ 1.602 x 10 – 19 คูลอมบ์ (C) อิเล็กตรอนหนึ่งโมลจึงควรมีประจุที่ 96485 C/โมล
1 F = 1(6.02214 *10 23 ) * (1.60218*10 -19 C) = 96485 C (เช่น 96485 C/โมล)
6.02214 *10 23 คือ เลขอาโวกาโดร (ค่าคงที่อะโวกาโดร) ซึ่งกำหนดเป็นจำนวนอะตอม โมล หรือไอออนในหนึ่งโมลของสารนั้น มีประโยชน์ในการเชื่อมโยงมวลของสารกับจำนวนอนุภาคในสาร ดังนั้น 0.2 โมลของสารใดๆ จะมี 0.2 *จำนวนอโวกาโดร ประจุของอิเล็กตรอนตามการทดลองสมัยใหม่คือ 1.60217653 x 10 -19 คูลอมบ์ต่ออิเล็กตรอน หากคุณแบ่งประจุบนโมลของอิเล็กตรอนด้วยประจุของอิเล็กตรอนตัวเดียว คุณจะได้ค่าของจำนวน Avogadro ที่ 6.02214154 x 10 23 อนุภาคต่อโมล [ https://www.scientificamerican.com/article/how-was-avogadros -หมายเลข/ ].
1 F 96485 C/โมล = 96485 As/60*60 s = 26.8014 Ah/โมล
ความจุจำเพาะและพลังงานจำเพาะสำหรับเซลล์ตะกั่ว-กรด
น้ำหนักโมเลกุลหรือน้ำหนักอะตอมเป็นกรัมหารด้วยจำนวนอิเล็กตรอนที่เข้าร่วมในปฏิกิริยาจะให้ค่า เท่ากับกรัม ของวัสดุแต่ละชนิด เทียบเท่าหนึ่งกรัมจะส่ง 96,485 คูลอมบ์ (ผู้เขียนส่วนใหญ่ปัดเศษเป็น 96,500 C) ซึ่งเท่ากับ 26.8014 Ah
โลหะตะกั่ว 207.2 กรัมสามารถบรรจุด้วยไฟฟ้า 2F = 2 × 26 . 8014 อา = 53.603 อา (ปฏิกิริยา: Pb →Pb 2+ + 2e – )
ดังนั้นปริมาณของสารออกฤทธิ์เชิงลบ (NAM) ในเซลล์ตะกั่ว-กรดที่ต้องการสำหรับ 1 Ah (ซึ่งเรียก ว่าความจุ-ความหนาแน่น ) = 207.2 / 53 603 = 3.866 g /Ah [ Bode, Hans, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.292 .]
ส่วนกลับของความหนาแน่นของความจุเรียกว่าความ จุจำเพาะ
ความจุจำเพาะ = nF / น้ำหนักโมเลกุล หรือ น้ำหนักอะตอม (n= จำนวนอิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา)
ความจุจำเพาะของสารออกฤทธิ์เชิงลบ
ความจุจำเพาะของสารออกฤทธิ์เชิงลบ (NAM), Pb = 56.3/207.2 = 0.259 mAh /g = 259 Ah/kg ค่านี้คูณด้วยศักย์สมดุลของเซลล์คือ พลังงานจำเพาะ เชิงทฤษฎี พลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของตะกั่ว NAM = 259*2.04 V = 528.36 Wh/kg
ความจุจำเพาะของสารออกฤทธิ์เชิงบวก (PAM)
ในทำนองเดียวกัน ปริมาณของสารออกฤทธิ์ที่เป็นบวกในเซลล์ตะกั่ว-กรดที่ต้องการสำหรับ 1 Ah (ซึ่งเรียก ว่าความหนาแน่นของความจุ ) = 239.2 / 53 603 = 4.46 ก./Ah
ความจุจำเพาะของสารออกฤทธิ์เชิงบวก (PAM), PbO 2 = 56.3/239 = 0.224 mAh /g = 224 Ah/กก. พลังงานจำเพาะตามทฤษฎีของ PAM ตะกั่วไดออกไซด์ = 224*2.04 V = 456.96 Wh/kg
เซลล์ลิเธียมไอออน
ความจุจำเพาะและพลังงานจำเพาะสำหรับแอโนดคาร์บอนเซลล์ Li-ion
ความจุจำเพาะ ของ LiC 6 = xF/n*น้ำหนักโมเลกุล
= 1 * 26.8 / 1*72 mAh/g (ต้องใช้ 72 g ของ C สำหรับ 1
โมลของการจัดเก็บ Li เพื่อสร้าง LiC 6 เนื่องจาก Li สามารถใช้ได้จากขั้วลบ LCO มวลของ Li จะไม่ถูกนำมาพิจารณาถึงมวลของขั้วบวกทั้งหมด พิจารณาเฉพาะคาร์บอนเท่านั้น X = 1; การแทรกซ้อน 100% ของ Li + )
= 0.372 Ah/g
= 372 mAh/g = 372 Ah/กก.
พลังงานจำเพาะ LiC 6 = 372*3.7 V
= 1376 Wh/kg
ความจุจำเพาะและพลังงานจำเพาะสำหรับ LiCoO2 (LCO)
ความจุจำเพาะ LiCoO 2
= 0.5 Li + + 0.5 e + Li 0.5 CoO 2 (x= 0.5, การรบกวน 50 % ของ Li + )
= xF/n*โมล Wt
=0.5*26.8/ 1 * 98 Li= 6.94 Co = 58.93 2 O= 32
= 13.4 / 98 Ah/g = 0.1368 Ah/kg
= 137 mAh/g = 137 Ah/กก.
พลังงานจำเพาะของ LiCoO 2 = 137*3.7 V = 507 Wh/kg (x= 0.5, 50 % intercalation ของ Li + )
หากค่า x ถูกใช้เป็น 1 ความจุเฉพาะจะเพิ่มเป็นสองเท่า 137*2= 274 mAh/g = 274 Ah/kg
พลังงานจำเพาะ ของ LiCoO 2 = 274 *3.7 โวลต์ (x= 1 การรบกวนแบบเต็ม (100%) ของ Li + )
= 1,013 Wh/kg
ความจุจำเพาะและพลังงานจำเพาะสำหรับ LiFePO4
ความจุเฉพาะของ LiFePO 4
= xF/n*โมล Wt
= 26.8/157.75 = 169.9 mAh/g = 170 mAh/g = 170 Ah/kg
พลังงานจำเพาะของ LiFePO 4 = 170*3.2 V = 544 Wh/kg
เคมีไฟฟ้า - พลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของเซลล์
พลังงานจำเพาะสูงสุดที่ได้มาจากแหล่งพลังงานไฟฟ้าเคมีได้มาจาก:
พลังงานจำเพาะทางทฤษฎี = 26 . 8015 × ( nE/ Σmoles ) Wh/kg โดยที่ n และ E มีสัญลักษณ์ปกติ n , จำนวนอิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาและ E , แรงดันไฟฟ้าของเซลล์
บันทึก
- S โมล หมายถึงผลรวมของสารตั้งต้นทั้งหมดและไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์
- เนื่องจากหน่วยมีหน่วยเป็น Wh / kg (เขียนว่า Wh kg -1 ) จึงให้น้ำหนักรวมเป็นหน่วยกิโลกรัม
เซลล์กรดตะกั่วพลังงานจำเพาะ
ตัวอย่างที่คุ้นเคยจะถูกนำไปคำนวณพลังงานจำเพาะทางทฤษฎี
อันดับแรก เราต้องเขียนปฏิกิริยาและคำนวณค่าโมลาร์ของสารตั้งต้น เราไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด ปฏิกิริยาคือ:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O Eº = 2.04 V.
Σโมล = 239 +207+ 2*98 ใน g
= 0.642 กก.
พลังงานจำเพาะทางทฤษฎี = 26 . 8 × ( nE/ Σโมล) Wh/kg
= 26.8*(2*2.04/0.642) Wh/kg
= 26.8015*(6.3551) Wh/kg
= 170.3 วัตต์/กก.
จากข้อมูลของ Tobias Placke [ J Solid State Electrochem (2017) 21:1939 – 1964 ] พลังงานจำเพาะสามารถคำนวณได้ตามที่ระบุด้านล่างสำหรับเซลล์ตะกั่ว-กรด:
พลังงานจำเพาะของเซลล์ =
=1[1/(224*2.04) + 1/(259*2.04) + 1/(273*2.04)]
= 1[(1/457) + (1/528) + (1/557)]
= 1/(0.002188 + 0.001893 + 0.001796)
= 1/0.005877
= 170 Wh/kg
พลังงานจำเพาะของ Ni-Cd cell
2NiOOH + Cd ⇄ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Eº = 1.33 V
พลังงานจำเพาะทางทฤษฎี = 26 . 8 × ( nE/ Σโมล) Wh/kg
= 26.8*(2*1.33/0.296) Wh/kg
= 26.8015*(8.9865) Wh/kg
= 240.8 Wh/kg
อิเล็กโทรไลต์ KOH ที่เป็นน้ำในเซลล์อัลคาไลน์เหล่านี้ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาของเซลล์และ
จึงไม่นำมาพิจารณาในขณะคำนวณค่าพลังงานจำเพาะ แต่ผู้เขียนบางคน
ต้องการรวมน้ำหนักของน้ำในการคำนวณ
จากนั้นตัวเลขของพลังงานจำเพาะจะลดลงเป็น 214.8 Wh/kg ถ้า Σ โมล ถูกแทนที่ด้วย
0.332. ผลลัพธ์จะเป็น 214 . 8 วัตต์/กก .
พลังงานจำเพาะของเซลล์ LiFePO4
(x=1. การแทรกสอด 100 %)
= 26 . 8015 × ( nE/ Σโมล) Wh/kg
= 26.8 [(1*3.2)/(72+157.75) LiFePO4 + 6C + ศูนย์ Li
= 26.8[(1*3.2)/(229.75)] = 26.8*0.013928
= 0.37329 Wh/g
= 373 Wh/kg
พลังงานจำเพาะของเซลล์ LCO
(x=1; การแทรกสอด 100%)
= 26 . 8015 × Wh/กก. 169.87
= 26.8 [(1*3.7)/(72+97.87)] LiCoO 2 + 6C + ศูนย์ Li
= 26.8 *[(3.7)/(169.87)]
= 26.8 *0.02178
= 0.58377 Wh/g
= 584 Wh/kg
ถ้า x = 0.5 (50 % การแทรกสอดของ Li ion) เราต้องแทนที่ 26.8 ด้วยครึ่งหนึ่งของค่านี้ นั่นคือ 13.4 ผลลัพธ์จะเป็น 584/2 = 292 Wh/kg
พลังงานจำเพาะที่ใช้งานได้จริง (จริง) ของเซลล์/แบตเตอรี่
https://pushevs.com/2015/11/04/gs-yuasa-improved-cells-lev50-vs-lev50n/
พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ = (แรงดันเฉลี่ย * Ah) / (มวลของแบตเตอรี่)
= (3.7 V*50 Ah 1 ) / 1.7 กก. (เซลล์เดียว Yuasa LEV50)
= 185 /1.7
= 108.8 Wh/kg
= (14.8*50)/ 7.5 (แบตเตอรี่ Yuasa LEV50-4)
= 98.7 Wh/kg
ความหนาแน่นพลังงานแบบเรียลไทม์ของแบตเตอรี่ = Wh/ปริมาตร = 17.1*4.4*11.5 = 865 cc
= 185/0.865 = 214 Wh / ลิตร
= Wh/ปริมาตร = 17.5*19.4*11.6 = 3938 ซีซี = 3.94 ลิตร
= 14.8*50 / 3.94 = 187 Wh / ลิตร
พลังงานจำเพาะจะลดลงประมาณ 10% เมื่อเปลี่ยนจากเซลล์เป็นแบตเตอรี่ (Low kWh) และความหนาแน่นของพลังงานลดลงประมาณ 13% เมื่อเปลี่ยนจากเซลล์เป็นแบตเตอรี่ (Low kWh)
