بطارية النيكل والحديد أو بطارية إديسون: العمل والخصائص

أي بطارية تكتسب شعبية يومًا بعد يوم مع وجود نطاق واسع للتطوير لتحويل البطارية إلى بطارية ذات كثافة طاقة عالية لمركبات الكهربائية؟ الجواب سيكون البطارية النيكلية الحديدية أو بطارية إديسون. بكلمة واحدة، فإن بطارية ني-ف هي بطارية قوية جدًا. هذه البطارية لديها تحمل عالي جدًا للشحن الزائد والتفريغ الزائد والتعرض للضد الكهربائي، وغيرها. يمكن لهذه البطارية أن تعمل بشكل جيد حتى إذا لم يتم شحنها لفترة طويلة. بسبب وزنها الثقيل، تستخدم هذه البطارية في التطبيقات التي لا يهم فيها وزن البطارية، مثل نظام الطاقة الشمسية، وفي نظام الطاقة الرياحية، وغيرها كاحتياطي. متانة ومدة حياة خلية النيكل والحديد أعلى بكثير من تلك الخاصة بـ بطارية الحمض الرصاصي، ولكن ما زالت بطارية النيكل والحديد فقدت شعبيتها بسبب تكلفتها العالية في التصنيع.

لنلق نظرة على بعض الخصائص المحددة لبطارية النيكل والحديد (ني-ف) أو بطارية إديسون.

يمكن لهذه البطارية أن تصل إلى طاقة تسليم تتراوح بين 30 إلى 50 كيلوواط لكل كيلوجرام من وزنها. كفاءة الشحن لهذه البطارية حوالي 65٪. هذا يعني أن 65٪ من الطاقة الكهربائية المدخلة تخزن في هذه البطارية كطاقة كيميائية أثناء عملية الشحن. كفاءة التفريغ حوالي 85٪. هذا يعني أن البطارية يمكن أن تقدم 85٪ من الطاقة المخزنة للأحمال كطاقة كهربائية، والباقي يتفرغ بسبب التفريغ الذاتي للبطارية. إذا تم ترك البطارية غير مستخدمة لمدة 30 يومًا، فسوف تفقد فقط 10٪ إلى 15٪ من الطاقة المخزنة بسبب التفريغ الذاتي. تتمتع بطارية النيكل والحديد بعمر افتراضي أطول بكثير، ويبلغ حوالي 30 إلى 100 عام. هذه الفترة أطول بكثير من العمر الافتراضي الطبيعي لـ بطارية الحمض الرصاصي الذي يبلغ حوالي عشر سنوات. التقييد الاسمي للجهد لكل خلية من خلايا النيكل والحديد هو 1.4 فولت.

بطارية النيكل والحديد

المكونات الأساسية المستخدمة في بطارية النيكل والحديد هي هيدروكسيد النيكل (III) كقطب موجب، والحديد كقطب سالب، وهيدروكسيد البوتاسيوم كمحلول كهربائي. نضيف سلفات النيكل والفيروسيلفيد إلى المادة النشطة.

بناء بطاريات إديسون

يعتمد سعة الخلية الني-ف على حجم وعدد الألواح الإيجابية والسالبة. مظهر كل من الألواح الإيجابية والسالبة في هذا النوع من خلايا البطاريات هو نفسه. تتكون كلتا اللوحتين من شبكة مستطيلة مصنوعة من الحديد المطلي بالنيكل. يتم ملء كل فتحة في الشبكة بصندوق صغير من الفولاذ المطلي بالنيكل.

رغم أن مظهر كلتا اللوحتين يبدو متشابهًا، إلا أنهما تحتويان على مواد نشطة مختلفة. الصناديق المثقبة من الفولاذ المطلي بالنيكل في الألواح الإيجابية تحتوي على خليط من أكسيد النيكل والكربون المسحوق، بينما تحتوي بعض الألواح السالبة على حبيبات دقيقة من أكسيد الحديد مع الغبار الدقيق من الكربون. في كلتا اللوحتين، يساعد الغبار الدقيق من الكربون المختلط بالمادة النشطة على زيادة الموصلية الكهربائية. نستخدم هيدروكسيد البوتاسيوم المخفف بنسبة 20٪ كمحلول كهربائي.

يُستخدم الحديد المطلي بالنيكل لصنع الوعاء الذي يحتوي على المحلول الكهربائي والأقطاب. يتم وضع قضبان الإيبونيت بين الألواح ذات القطبية المختلفة لمنعها من الاتصال المباشر وتسبب القصر الكهربائي. هناك خاصية أخرى في بناء بطارية إديسون أو بطارية النيكل والحديد، وهي أن عدد الألواح السالبة يزيد بمقدار لوحة واحدة عن عدد الألواح الإيجابية، ونقوم بتوصيل اللوحة السالبة الأخيرة بالوعاء. يتم ربط الألواح ذات القطبية نفسها بشريط مشترك، ويشكلون خلية، وبواسطة الجمع بين عدة خلايا، يتم بناء البطارية.

عملية بطاريات النيكل والحديد

نحن نعرف بالفعل أن العملية الرئيسية لبطارية النيكل والحديد هي التفاعل الكيميائي داخل البطارية والذي يعرف باسم التحليل الكهربائي. التحليل الكهربائي هو مجرد التفاعل الكيميائي الذي يحدث عندما يكون هناك تيار كهربائي، ويمكن أن يكون سببًا ونتيجة للتفاعل الكيميائي. كيمياء خلية النيكل والحديد معقدة جدًا لأن الصيغة الدقيقة للمادة النشطة الموجبة لم يتم تحديدها بشكل جيد حتى الآن. ولكن إذا استطعنا أن نفترض أن المادة تكون Ni(OH)3، فإنه يمكننا شرح ذلك إلى حد ما. أثناء الشحن، يتم تأكسد مركب النيكل في الألواح الإيجابية إلى بيروكسيد النيكل. عملية الشحن تغير مركب الحديد إلى الحديد الإسفنجي في الألواح السالبة.

في حالة الشحن الكامل، تكون المادة النشطة للألواح الإيجابية هي هيدروكسيد النيكل [Ni(OH)3]، بينما تكون المادة في جيوب اللوحة السالبة هي الحديد، Fe. عند تقديم الخلية للتيار إلى الحمل، تتغير المادة النشطة للألواح الإيجابية من Ni(OH)3 إلى Ni(OH)2 والمادة النشطة للوحة السالبة تتغير من الحديد إلى هيدروكسيد الحديد الثنائي (Fe(OH)2). يمكن التعبير عن العملية الكهروكيميائية في بطارية إديسون بالمعادلة

تعبر المعادلة عن ظاهرة الشحن والتفريغ. تدفق الجانب الأيمن للمعادلة هو رد فعل ظاهرة التفريغ، وتدفق الجانب الأيسر للمعادلة يعبر عن ظاهرة الشحن. يحدث التفاعل عن طريق نقل الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية إلى اللوحة الإيجابية أثناء التفريغ. هناك أداة لإعطاء الأبخرة المؤذية التي تولد خلال التحليل الكهربائي داخل البطارية بحيث لا يحتاج إلى رعاية خاصة عند تركيب الخلية.

خصائص بطاريات النيكل والحديد

القوة الكهربائية المحركة لبطارية إديسون المشحونة بالكامل هي 1.4 فولت. الجهد المتوسط للتفريغ هو حوالي 1.2 فولت والجهد المتوسط للشحن هو حوالي 1.7 فولت لكل خلية. تظهر خصائص هذا النوع من البطاريات في الشكل أدناه.

خصائص الجهد لبطارية النيكل والحديد مماثلة لتلك الخاصة بخلية الحمض الرصاصي. حيث أن الجهد المحرك الكامل 1.4 فولت ويقل ببطء إلى 1.3 فولت ثم ببطء شديد إلى 1.1 أو 1.0 فولت أثناء التفريغ. من الرسم البياني، يمكننا رؤية أنه لا يوجد حد أدنى لجهد التفريغ بعد الذي سيصبح فيه إخراج البطارية صفرًا. لهذا السبب، ستتوقف البطارية عن الإخراج بعد فترة معينة. الجهد المحرك للبطارية يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة، مما يعني أن جهد البطارية يزداد مع زيادة درجة الحرارة.
متوسط وقت الشحن للبطارية هو 7 ساعات ووقت التفريغ هو 5 ساعات. خاصية أخرى لـ بطارية إديسون هي أن التشغيل المستمر عند درجات حرارة أعلى يقلل من عمر البطارية، نفس الشيء يحدث إذا تم شحن البطارية لأكثر من متوسط وقت الشحن.
كفاءة الأمبير-الساعة وكفاءة الواط-الساعة لهذه البطارية النيكل والحديد هي 85٪ و60٪ على التوالي. عند درجة حرارة 4oC، تنخفض سعة بطارية إديسون إلى الصفر، لهذا السبب يجب تسخين البطارية قبل التشغيل رغم أن خسارة I2R تبقي البطارية ساخنة وتعمل.

مزايا بطاريات النيكل والحديد