تطبيق قانون فاراداي في حساب قدرات البطاريات: أمثلة وحدود

وقانون الصيد المغناطيسي في فاراداي أساسي في فهم كيفية تخزين البطاريات وإطلاق الطاقة، وهو يتعلق بكمية الشحنات الكهربائية التي تنقل أثناء ردود الفعل الكهروكيميائية على كمية المواد التي ينطوي عليها ذلك، وكثيرا ما يستخدم هذا القانون لتقدير القدرة النظرية للبطاريات، ولكنه ينطوي على قيود عند تطبيقه على سيناريوهات العالم الحقيقي.

Understanding Faraday’s Law

وينص قانون فاراداي على أن كمية الشحنات الكهربائية التي تمر عبر دائرة ما متناسبة مع كمية المواد التي تخضع للتأكسد أو الخفض، ويعبر القانون عن ذلك بما يلي:

Q = n × F]

Where n] is the number of moles of electrons transferred, and ]F[F] is Faraday’s constant (~96,485 C/mol).

تطبيق قدرات البطاريات

وكثيرا ما تُحسب قدرة البطارية على أساس مجموع الرسوم التي تنقل أثناء ردود الفعل الكهروكيميائية، ويمكن تقدير القدرة النظرية (في ساعات عمل) باستخدام عدد الإلكترونيات التي تنطوي على رد الفعل والكتلة القطبية من المواد النشطة.

فعلى سبيل المثال، في بطارية الليثيوم -يون، تعتمد القدرة على عدد الليثيوم التي يمكن إدراجها واستخلاصها من المواد الكهرودية، وباستخدام قانون فاراداي، يمكن للمهندسين تقدير أقصى قدر ممكن من القدرة استنادا إلى قياسات الكيماويات.

أمثلة على حساب القدرات

يفترض أن يكون رد الفعل يتعلق بنقل خليط من الإلكترونات لكل خائن من المواد النشطة ويمكن حساب القدرة النظرية على النحو التالي:

Capacity (Ah) = (n × F) / 3600]

وبالنسبة لإحدى الخائنات الكهربائية، فإن هذا يُنتج حوالي 26.8 آه. وتمثل هذه القيمة الحد الأقصى للقدرات التي تفترض كفاءة 100 في المائة وتفاعلا كاملا.

حدود قانون فاراداي

وفي حين أن قانون فاراداي مفيد، فإنه ينطوي على قيود عندما يطبق على البطاريات الحقيقية، ويفترض ردود فعل كاملة وفعالة، نادرا ما تحدث في الممارسة العملية، وتخفض عوامل مثل تدهور الكهروود، وردود الفعل الجانبية، وعدم كفاية استخدام المواد النشطة القدرة الفعلية.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن القيود المادية مثل مساحة سطح الكهروود والسلوك الكهربائي تؤثر على الأداء، ولذلك فإن القدرة النظرية كثيرا ما تبالغ في تقدير القدرة العملية للبطارية.