Niklově-železná baterie nebo Edisonova baterie: Princip fungování a charakteristiky

Která baterie se stává den od dne populárnější vzhledem k velkému potenciálu rozvoje, který by mohl baterii přeměnit na baterii s vysokou energií pro elektrické vozidlo? Odpovědí by byla nikel-železná baterie nebo Edisonova baterie. Jedním slovem, Ni-Fe baterie je velmi robustní baterie. Tato baterie má velmi vysokou toleranci k přetížení, přetížení, krátkodobému zapojení apod. Tato baterie může stejně dobře fungovat i když ji dlouhou dobu nenabijeme. Díky své vysoké hmotnosti se tato baterie používá v aplikacích, kde hmotnost baterie nehraje roli, například v solárním energetickém systému, v větrném energetickém systému atd. jako záloha. Dlhověcnost a životnost nikl-železného článku jsou mnohem vyšší než u olověné baterie, ale přesto nikel-železná baterie ztratila na popularitě kvůli vysokým nákladům na výrobu.

Podívejme se na některé specifické vlastnosti nikl-železné (Ni-Fe) nebo Edisonovy baterie.

Tato baterie může dodávat 30 až 50 kW energie za kilogram své hmotnosti. Účinnost nabíjení této baterie je přibližně 65 %. To znamená, že 65 % vstupní elektrické energie se během procesu nabíjení uloží v baterii jako chemická energie. Účinnost vypouštění je přibližně 85 %. To znamená, že baterie může dodat 85 % uložené energie jako elektrickou energii a zbytek se vypustí kvůli samovypouštění baterie. Pokud baterii nebudeme používat po 30 dní, ztratí jen 10 % až 15 % uložené energie kvůli samovypouštění. Nikl-železná baterie má výrazně delší životnost, a to přibližně 30 až 100 let. Tento období je mnohem delší než normální životnost olověné baterie, která je asi deset let. Nominální napětí na nikl-železný článek je 1,4 V.

Nikl-železná baterie

Základní komponenty použité v nikl-železné baterii jsou hydroxid niklu(III) jako katoda, železo jako anoda a hydroxid draselný jako elektrolit. Přidáváme síran niklu a sulfid feritu do aktivního materiálu.

Konstrukce Edisonových baterií

Kapacita Ni-Fe článku závisí na velikosti a počtu kladných a záporných plátů. Vzhled jak kladných, tak záporných plátů v těchto typu bateriových článcích je stejný. Oba plány jsou tvořeny obdélníkovým mřížovým rámcem z niklu pokrytým železem. Každá dírka v mříži je vyplněna plochou a jemně perforovanou ocelovou skříňkou pokrytou niklem.

I když oba plány vypadají stejně, obsahují různé aktivní materiály. Perforované ocelové skříňky pokryté niklem na kladných plátech obsahují směs oxidu niklu a drobného uhlíku, a některé záporné plány obsahují jemné zrnky oxidu železa s jemným prachem uhlíku. V obou typech plátů pomáhá jemný prach uhlíku smíchaný s aktivním materiálem zvýšit elektrickou vodivost. Používáme 20% ředěný lísťový potaš jako elektrolit.

Železo pokryté niklem se používá k vytvoření nádrže obsahující elektrolyt a elektrody. Tyčinky z ebonitu jsou umístěny mezi pláty různé polarizace, aby zabránily jejich přímému kontaktu a způsobení krátkého spojení. Další specifikum konstrukce Edisonovy baterie nebo nikl-železné baterie spočívá v tom, že počet záporných plátů je o jeden více než počet kladných plátů, a poslední záporný plát je elektricky spojen s kontejnerem. Plány stejné polarizace jsou spojeny společnou páskou a tvoří článek, a kombinací několika článků se vytvoří baterie.

Funkce nikl-železných baterií

Už víme, že hlavní funkcí nikl-železné baterie je chemická reakce uvnitř baterie, která se nazývá elektrolyza. Elektrolyza není nic jiného než chemická reakce, která probíhá, když je proud, může být jak příčinou, tak výsledkem chemické reakce. Chemie nikl-železného článku je velmi komplikovaná, protože přesná formule pro kladný aktivní materiál dosud není dobře stanovena. Ale pokud můžeme předpokládat, že materiál je Ni(OH)3, pak to můžeme nějakým způsobem vysvětlit. Během nabíjení se niklový komplex na kladných plátech oxiduje na niklový peroxid. Proces nabíjení změní železný komplex na houbovitý železo v záporných plátech.

V plně nabitém stavu je aktivní materiál kladných plátů hydroxid niklu [Ni(OH)3], zatímco v kapsách záporných plátů je železo, Fe. Když článek dodává proud zátěži, aktivní materiál kladných plátů se mění z Ni(OH)3 na Ni(OH)2 a záporných plátů se mění z železa na hydroxid železa (Fe(OH)2). Elektrochemický proces v Edisonově baterii lze vyjádřit rovnicí

Rovnice vyjadřuje jak fenomén nabíjení, tak vybíjení. Pravá strana rovnice je reakce fenoménu vybíjení, a levá strana rovnice vyjadřuje fenomén nabíjení. Reakce probíhá přenosem elektronů přes externí obvod na kladný plát během vybíjení. Existuje možnost uvolnění korozního parníku, který se generuje během elektrolyzy uvnitř baterie, takže není potřeba žádná speciální péče při montáži článku.

Vlastnosti nikl-železných baterií

Elektromotorická síla plně nabité Edisonovy baterie je 1,4 V. Průměrné vybíjecí napětí je přibližně 1,2 V a průměrné nabíjecí napětí je přibližně 1,7 V na článek. Vlastnosti tohoto typu baterie jsou znázorněny v následujícím grafu.