Ano ang pamantayang boltahe ng karaniwang mga selula ng baterya?

Nominal na Boltahe Ayon sa Kimika ng Selula ng Baterya

Alkaline, NiMH, at Mga Primaryang Lithium na AA/AAA na Selula

Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng karaniwang AA/AAA na baterya at mga rechargeable ay nakabase sa kanilang voltage levels, na lubhang mahalaga depende sa gamit. Ang karaniwang alkaline na baterya ay nagpapalabas ng humigit-kumulang 1.5 volts halos hanggang maubos ito. Samantala, ang mga rechargeable na NiMH ay karaniwang gumagana sa 1.2 volts, ngunit maaaring umabot ng halos 1.4 volts kaagad pagkatapos mag-charge bago bumaba. Ang lithium na baterya (tulad ng Li-FeS2) ay may parehong rating na 1.5 volts tulad ng alkaline, ngunit mas matatag ang performance nito sa matinding paggamit dahil mas mataas ang enerhiya nito at mas magaling labanan ang panloob na pagkawala. Dahil dito, mainam ito para sa mga aparato na mabilis kumonsumo ng kuryente tulad ng digital camera o malakas na flashlight. Ang dahilan nito ay nauugnay sa kemikal na komposisyon. Ang alkaline at NiMH na baterya ay gumagamit ng tubig bilang bahagi sa loob, kaya hindi nila maaaring lampasan ang 1.5 volts nang hindi nagdudulot ng problema tulad ng pagsira sa tubig. Ang lithium na baterya naman ay gumagamit ng iba't ibang kemikal na nagbibigay-daan sa mas mataas na voltage nang natural. Isang babala lamang: kung ilalagay ang 1.2 volt na NiMH baterya sa isang aparatong idinisenyo para sa karaniwang 1.5 volt na alkaline, maaaring mas maaga ang pag-shutdown ng device—mga 20% na mas mabilis kaysa inaasahan—dahil lang sa voltage ng baterya ay bumaba sa inaasahan ng gadget.

Karaniwang Boltahe ng Li-ion na Sylindrikal at Prismatikong Cell ng Baterya

Ang mga lithium-ion na cell ng baterya ang nangunguna sa modernong mga aplikasyon na muling napapagana, kung saan ang nominal na boltahe ay nabubuo batay sa kemikal na katoda. Ang sylindrikal (hal., 18650) at prismatikong anyo ay nagbabahagi ng mga pangunahing uri na ito:

Ang uri ng cathode material ang siyang nagpapabago dito. Ang cobalt oxide (LCO) ay nagbibigay ng mataas na voltage at nakakapag-imbak ng maraming enerhiya sa maliliit na espasyo, na mainam para sa ilang aplikasyon. Ang iron phosphate (LFP), sa kabilang banda, ay hindi gaanong nagpapalabas ng mataas na voltage ngunit outstanding kapag dating sa pagpapanatiling cool sa ilalim ng presyon at mas matagal ang buhay. Kaya naman maraming tao ang lumiliko sa LFP para sa mga bagay tulad ng home battery storage system kung saan mas mahalaga ang kaligtasan kaysa sa pinakamataas na output ng kuryente. Meron din naman ang NMC, na nasa gitna-gitanan ng dalawang ito. Gusto ng mga tagagawa ang NMC para sa mga electric vehicle dahil ito ay kayang gampanan ang parehong pangangailangan sa pagganap nang maayos nang hindi masyadong kinukompromiso ang alinman sa dalawa. Kapag pinagsama-sama ang iba't ibang kemikal na komposisyon ng baterya, maaaring magdulot ito ng masamang epekto kung sila ay binabaan ng higit sa kanilang ligtas na limitasyon. Halimbawa, ang LFP cells na bumaba sa ilalim ng 2.5 volts o ang NMC na bumaba sa ilalim ng 3 volts—ang ganitong sitwasyon ay nagpapabilis sa pagsusuot at posibleng masira ang buong battery pack sa paglipas ng panahon.

Bakit Nagkakaiba ang Voltage ng Battery Cell: Ang Electrochemistry sa Likod ng Nominal Voltage

Ang voltage sa mga battery cell ay hindi lamang mga random na numero sa isang tech spec sheet. Ito ay nagmumula sa likas na pagkakaiba sa mga electrochemical na katangian sa pagitan ng nangyayari sa anode kumpara sa cathode materials sa loob. Kapag pinag-uusapan ang nominal voltage, tinitingnan natin kung saan karaniwang umiiral ang cell habang dumadaan ito sa discharge cycle. Ang punto ng katatagan na ito ay nakabase sa lahat ng mga reaksiyong kimikal na nangyayari habang gumagana ang baterya. Ang lithium ion battery ay umabot sa halos 3.6 hanggang 3.7 volts dahil gumagamit ito ng malalakas na cathode materials tulad ng lithium cobalt oxide. Samantala, iba ang paraan ng NiMH battery. Umaasa ito sa nickel oxyhydroxide kasama ang ilang mga alloy na kayang sumipsip ng hydrogen, na nagbibigay sa kanila ng mas mababang output na humigit-kumulang 1.2 volts. May tatlong pangunahing dahilan kung bakit nagkakaiba ang mga voltage sa iba't ibang uri ng baterya:

• Mga puwang sa Redox potential : Ang malakas na reducing power at mataas na electron affinity ng lithium ay nagbubunga ng mas malalaking voltage differentials kaysa sa sosa (alkaline) o niquel (NiMH).
• Mga limitasyon ng elektrolito : Pinipigilan ng aqueous electrolytes ang usable voltage sa humigit-kumulang 1.5V upang maiwasan ang pagkabahin ng tubig; ang organic o solid-state electrolytes sa mga sistema ng lithium ang nagbubukas ng mas mataas na potensyal nang ligtas.
• Reaksyon ng kinetics at phase behavior : Ang mga kemikal na may single-phase discharge reactions—tulad ng silver oxide (1.55V) o LFP (3.2V)—ay nagbubunga ng patag na voltage plateaus, samantalang ang mga multi-step reaction ay nagdudulot ng mga sloping curve (halimbawa: alkaline).

Ang mga pagkakaiba-iba na ito ang direktang nagpapabalangkas sa arkitektura ng sistema: ang mga sel na may mas mataas na voltage ay binabawasan ang bilang ng kailangan sa serye para sa kompakto elektroniko, habang ang mga opsyon na may mas mababang voltage ay sumusuporta sa murang gastos at disenyo na may mababang kapangyarihan. Ang paglalaan ng mga batayan sa desisyon batay sa electrochemical principles ay tinitiyak ang optimal na pagganap, kaligtasan, at katagan.

Higit sa Nominal: Tunay na Pag-uugali ng Voltage ng Battery Cell Habang May Load

Mga Kurba ng Discharge Naikumpara sa Iba't Ibang Alkaline, NiMH, at Li-ion na Baterya

Ang konsepto ng nominal voltage ay talagang isang punto ng paglulunsad lamang. Kapag inilagay natin ang mga baterya sa tunay na mga workload, nakikita natin ang ilang makabuluhang pagkakaiba sa kanilang pagganap. Kunin ang alkaline batteries halimbawa. Nagsisimula sila sa humigit-kumulang 1.5 volts ngunit unti-unting nawawalan ng lakas habang nauubos ang singa, at madalas bumababa sa ilalim ng 1.1 volts kapag halos wala na. Ang nickel metal hydride (NiMH) naman ay iba ang kuwento. Ang mga ito ay nananatiling medyo matatag sa paligid ng 1.2 volts sa karamihan ng kanilang buhay bago biglang bumagsak kapag umabot na sa humigit-kumulang 80% na paggamit. Ang lithium ion batteries? Iba pa ito nang husto. Parehong NMC at LFP lithium chemistries ay pinapanatili ang kanilang voltage na medyo pare-pareho sa humigit-kumulang 3.6 volts o 3.2 volts ayon sa pagkakabanggit, hanggang sa 80% ng kabuuang kapasidad dahil sa pare-parehong galaw ng lithium sa loob nila. Ang katatagan na ito ang nagpapagulo sa mga aplikasyon kung saan mahalaga ang tiyak na oras ng pagpapatakbo, isipin ang mga drone na lumilipad sa ibabaw ng mga pananim o medikal na kagamitan sa mga ospital. At kapag ang mga device ay kailangang humawak sa biglang pangangailangan ng kuryente, lalong lumalaki ang agwat. Ang alkaline batteries ay may tendensyang bumagsak nang malaki ang voltage sa panahon ng maikling sandaling mataas ang demand, samantalang ang lithium ion ay patuloy na nagpapadala ng kuryente nang maayos. Ang katatagan na ito ang nagiging sanhi kung bakit napakahalaga ng lithium para sa mga gadget na talagang hindi kayang tanggapin ang hindi matatag na suplay ng kuryente.

Pagbaba ng Boltahe, Mga Threshold ng Pagputol, at mga Panganib sa Kakayahang Magamit ng Device

Kapag may biglang pagbaba sa boltahe habang mataas ang demand ng kuryente, ang pangyayaring ito na kilala bilang voltage sag ay lubhang nakadepende sa komposisyon ng baterya. Ang mga alkaline battery ay malaki ang sag, na minsan ay bumababa hanggang sa 1.0 volts kapag nasa ilalim ng mabigat na karga. Mas maayos namang nailalaban ng mga lithium-ion battery ang mga ganitong sitwasyon dahil sa mas mababang panloob na resistensya at mas mahusay na paggalaw ng mga ion. Karamihan sa mga device ay mayroong built-in na proteksyon na pumipigil sa suplay ng kuryente sa ilang antas ng boltahe upang maprotektahan ang baterya at ang mga konektadong elektronik. Karaniwang antas ng pagputol ay mga 2.8 volts bawat cell para sa karaniwang lithium-ion battery, 2.5 volts para sa lithium iron phosphate, at halos 1.0 volts para sa nickel metal hydride cells. Ang paghahalo ng iba't ibang uri ng baterya ay maaaring magdulot ng tunay na problema. Halimbawa, ang pagtatangkang gamitin ang isang kagamitan na idinisenyo para sa 3.6 volt lithium-ion battery gamit ang karaniwang 1.5 volt alkaline cell, kahit na umaangkop nang pisikal sa parehong puwang. Ang hindi pagkakatugma na ito ay madalas na nagreresulta sa brownout, di-regular na operasyon, o simpleng hindi magpoprokisa. Bago palitan ang mga baterya, napakahalaga na suriin hindi lamang ang rated na boltahe kundi pati ang pinakamababang katanggap-tanggap na operating voltage batay sa teknikal na espesipikasyon ng tagagawa.

Pagpili ng Tamang Cell ng Baterya Batay sa Mga Kinakailangan sa Voltage

Mahalaga ang pagkuha ng tamang voltage ng battery cell para sa kung ano ang kailangang pagsilbihan, dahil kung hindi, maaaring hindi ito gumana nang maayos, mas madaling masira, o kahit magdulot minsan ng mapanganib na sitwasyon. Magsimula sa pamamagitan ng pagtukoy kung ano ang saklaw ng voltage na kailangan talaga ng sistema upang gumana nang maayos. Karamihan sa mga tao ay nakikitungo sa karaniwang voltage tulad ng 3.3 volts para sa mga maliit na microcontroller board, 5 volts para sa mga USB device sa bahay, at 12 volts na makikita sa lahat mula sa mga sasakyan hanggang sa mga solar power setup. Kapag alam na ang pinakamabisang antas ng voltage, pumili ng uri ng baterya na malapit ang tugma sa numerong iyon habang akma rin sa dami ng kuryente na nauubos sa paglipas ng panahon. Halimbawa, ang mga solar charge controller na may rating na 12 volts ay kadalasang umaasa sa apat na lithium iron phosphate cell na konektado nang magkasama dahil bawat isa ay nagbibigay ng humigit-kumulang 3.2 volts kapag bago. Ang dahilan? Dahil ang mga LFP battery ay nagpapanatili ng medyo matatag na output sa buong kanilang life cycle at kayang tiisin ang mainit na araw ng tag-init at malamig na gabi ng taglamig nang walang masyadong problema.

Kapag tiningnan ang mga opsyon para sa baterya, huwag tumigil sa nakalimbag sa pakete bilang nominal na boltahe. Ang tunay na pagganap sa totoong buhay ay nagsasabi ng ibang kuwento. Ang mga bateryang lithium ion ay nagtatago ng higit sa 90 porsyento ng kanilang rated na boltahe hanggang sa halos maubos na ito. Ang mga bateryang alkaline naman ay gumagana nang magkaiba—patuloy na bumababa ang kanilang boltahe habang ginagamit, na maaaring lubhang makaapekto sa pagganap ng mga linear power supply. At narito ang isang mahalagang dapat suriin: bawat device ay may sariling minimum na kinakailangan sa boltahe. Maaaring tuluyan nang huminto ang ilang GPS tracking unit o maliliit na sensor ng IoT kapag bumaba ang bawat cell sa ilalim ng 3 volts, kahit pa tila may natitirang singa ang baterya ayon sa karaniwang rating. Ito ang dahilan kung bakit hindi sapat ang pagtutugma ng mga spec para sa maaasahang paggamit.

Para sa mga disenyo na madaling palawakin:

• Gumamit ng parallel na koneksyon upang mapataas ang kapasidad lamang gamit ang mga cell na magkaparehong chemistry, edad, at antas ng singa.
• Kalkulahin ang bilang ng series cell gamit ang praktikal na limitasyon:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

Ang pamamaraang ito ay nagpoprotekta laban sa pinsala dulot ng sobrang pagbaba ng singa at nakakatanggap ng mga pagbabago ng boltahe sa ilalim ng dinamikong karga—tinitiyak ang matibay at handa nang integrasyon ng baterya sa field.

FAQ

Ano ang nominal na boltahe sa mga baterya?

Ang nominal na boltahe ay tumutukoy sa karaniwang antas ng boltahe kung saan gumagana ang isang selula ng baterya sa panahon ng kanyang discharge cycle, na naaapektuhan ng kanyang elektrokemikal na katangian.

Bakit magkaiba ang nominal na boltahe ng alkaline at NiMH na baterya?

Ang mga alkaline baterya ay may mas mataas na nominal na boltahe dahil sa limitasyon ng kanilang aqueous electrolyte, samantalang ang mga NiMH baterya ay may mas mababang nominal na boltahe, na naaapektuhan ng kanilang komposisyon na kemikal.

Bakit ginustong gamitin ang lithium-ion na baterya para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng mataas na kapangyarihan?

Ang mga lithium-ion na baterya ay nag-aalok ng matatag na nominal na boltahe at mas mahusay na nakakapaghawak ng mataas na demand ng kapangyarihan dahil sa mababang panloob na resistensya at epektibong paggalaw ng ion.

Paano nakakaapekto ang kemika ng baterya sa compatibility ng device?

Ang iba't ibang komposisyon ay nagdudulot ng magkakaibang nominal na boltahe at pag-uugali sa paglabas ng kuryente, na maaaring makaapekto sa pagganap ng aparato kung hindi tugma ang boltahe ng baterya sa mga pangangailangan ng aparato.