Nickel-Eisen-Batterie oder Edison-Batterie: Funktion und Eigenschaften

Welche Batterie wird von Tag zu Tag beliebter, da es einen großen Entwicklungsraum gibt, um die Batterie in eine Hochenergie-Dichte-Batterie für elektrische Fahrzeuge zu verwandeln? Die Antwort wäre Nickel-Eisen-Batterie oder Edison-Batterie. In einem Wort ist eine Ni-Fe-Batterie eine sehr robuste Batterie. Diese Batterie hat eine sehr hohe Toleranz gegenüber Überladung, Überentladung, Kurzschlüssen usw. Diese Batterie kann auch dann gut funktionieren, wenn wir sie über einen langen Zeitraum nicht aufladen. Aufgrund ihres hohen Gewichts wird diese Batterie in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Gewicht der Batterie keine Rolle spielt, zum Beispiel im Solarenergie-System, im Windenergiesystem usw. als Backup. Die Haltbarkeit und Lebensdauer einer Nickel-Eisen-Zelle sind viel höher als die einer Blei-Säure-Batterie, trotzdem hat die Nickel-Eisen-Batterie an Beliebtheit verloren, aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten.

Schauen wir uns einige spezifische Merkmale der Nickel-Eisen- (Ni-Fe-) oder Edison-Batterie an.

Diese Batterie kann 30 bis 50 kW Energie pro kg ihres Gewichts liefern. Die Ladeeffizienz dieser Batterie beträgt etwa 65 %. Das bedeutet, dass 65 % der eingebrachten elektrischen Energie während des Ladeprozesses als chemische Energie in der Batterie gespeichert werden. Die Entladeeffizienz beträgt etwa 85 %. Das bedeutet, dass die Batterie 85 % der gespeicherten Energie als elektrische Energie an die Last abgibt und der Rest durch Selbstentladung entladen wird. Wenn die Batterie 30 Tage unbenutzt bleibt, verliert sie nur 10 % bis 15 % ihrer gespeicherten Energie durch Selbstentladung. Die Nickel-Eisen-Batterie hat eine erheblich längere Lebensdauer, und diese beträgt 30 bis 100 Jahre. Diese Zeitspanne ist viel länger als die normale Lebensdauer einer Blei-Säure-Batterie, die etwa zehn Jahre beträgt. Die nominelle Spannung pro Nickel-Eisen-Zelle beträgt 1,4 V.

Nickel-Eisen-Batterie

Die grundlegenden Komponenten, die in der Nickel-Eisen-Batterie verwendet werden, sind Nickel(III)-hydroxid als Kathode, Eisen als Anode und Kaliumhydroxid als Elektrolyt. Wir fügen Nikelsulfat und Eisensulfid dem aktiven Material hinzu.

Aufbau von Edison-Batterien

Die Kapazität der Ne-Fe-Zelle hängt von der Größe und der Anzahl der positiven und negativen Platten ab. Das Aussehen beider positiver und negativer Platten in dieser Art von Batteriezellen ist gleich. Beide Platten bestehen aus einem rechteckigen Gitter aus nickelbeschichtetem Eisen. Jedes der Gitterlöcher ist mit einer flachen und fein perforierten Stahlbox aus nickelbeschichtetem Stahl gefüllt.

Obwohl beide Platten gleich erscheinen, enthalten sie unterschiedliche aktive Materialien. Die perforierten Stahlboxen der positiven Platten enthalten eine Mischung aus Nickeloxid und gepulvertem Kohlenstoff, und einige der negativen Platten enthalten feine Körner von Eisenoxid mit feinem Kohlenstoffstaub. In beiden Platten hilft der feine Kohlenstoffstaub, gemischt mit den aktiven Materialien, die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Als Elektrolyt verwenden wir 20% verdünnte kaustische Potasche.

Nickelbeschichtetes Eisen wird verwendet, um den Behälter für den Elektrolyt und die Elektroden herzustellen. Ebonitstäbe werden zwischen den Platten verschiedener Polaritäten platziert, um ein direktes Berühren und Kurzschließen zu verhindern. Ein weiteres Merkmal des Aufbaus der Edison-Batterie oder Nickel-Eisen-Batterie ist, dass die Anzahl der negativen Platten um eins höher ist als die Anzahl der positiven Platten, und wir verbinden die letzte negative Platte elektrisch mit dem Behälter. Platten gleicher Polarität werden an einen gemeinsamen Streifen geschweißt und bilden eine Zelle, und indem man mehrere Zellen kombiniert, wird die Batterie konstruiert.

Betrieb von Nickel-Eisen-Batterien

Wir wissen bereits, dass der Hauptbetrieb der Nickel-Eisen-Batterie die chemische Reaktion innerhalb der Batterie ist, die als Elektrolyse bekannt ist. Elektrolyse ist nichts anderes als die chemische Reaktion, die stattfindet, wenn es Strom gibt, es kann sowohl Ursache als auch Ergebnis der chemischen Reaktion sein. Die Chemie der Nickel-Eisen-Zelle ist sehr kompliziert, weil die genaue Formel für das positive aktive Material noch nicht gut etabliert ist. Aber wenn wir annehmen können, dass das Material Ni(OH)3 ist, dann können wir es bis zu einem gewissen Grad erklären. Während des Aufladens wird das Nickelkomplex an den positiven Platten zu Nickelperoxyd oxidiert. Der Ladeprozess wandelt das Eisenkomplex in schwammiges Eisen in den negativen Platten um.

In vollständig geladenem Zustand ist das aktive Material der positiven Platten Nickelhydroxid [Ni(OH)3], während das in den Taschen der negativen Platte Eisen, Fe, ist. Wenn die Zelle Strom an die Last liefert, ändert sich das aktive Material der positiven Platte von Ni(OH)3 zu Ni(OH)2 und das der negativen Platte von Eisen zu Eisendihydroxid (Fe(OH)2). Der elektrochemische Prozess in der Edison-Batterie kann durch die Gleichung ausgedrückt werden

Die Gleichung drückt sowohl das Phänomen des Aufladens als auch des Entladens aus. Der rechte Fluss der Gleichung ist die Reaktion des Entladens, und der linke Fluss der Gleichung drückt das Phänomen des Aufladens aus. Die Reaktion erfolgt durch den Transfer von Elektronen durch den externen Kreislauf zur positiven Platte während des Entladens. Es gibt eine Möglichkeit, die korrosive Dampfentwicklung, die während der Elektrolyse innerhalb der Batterie entsteht, abzugeben, sodass keine besondere Pflege beim Montieren der Zelle erforderlich ist.

Merkmal von Nickel-Eisen-Batterien

Die Spannung einer vollständig geladenen Edison-Batterie beträgt 1,4 V. Die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt etwa 1,2 V und die durchschnittliche Ladungsspannung beträgt etwa 1,7 V pro Zelle. Die Merkmale dieser Art von Batterie sind unten in der Abbildung dargestellt.

Die Spannungskennlinien der Nickel-Eisen-Batterie sind ähnlich wie die der Blei-Säure-Zelle. Die vollständig geladene Spannung beträgt 1,4 V und sinkt langsam auf 1,3 V und dann sehr langsam auf 1,1 oder 1,0 V während der Entladung. Aus dem Diagramm kann man sehen, dass es kein unteres Limit für die Entladungsspannung gibt, bei dem die Ausgabe der Batterie Null sein würde. Deshalb hält die Batterie nach einer bestimmten Zeit ihre Ausgabe ein. Die Spannung der Batterie ist direkt proportional zur Temperatur, was bedeutet, dass die Spannung der Batterie mit zunehmender Temperatur steigt.
Die durchschnittliche Ladezeit einer Batterie beträgt 7 Stunden und die Entladezeit 5 Stunden. Ein weiteres Merkmals der Edison-Batterie ist, dass ein kontinuierlicher Betrieb bei höheren Temperaturen die Lebensdauer der