Batería de níquel hierro o batería Edison funcionamiento y características
¿Qué batería está ganando cada vez más popularidad día a día debido al gran potencial de desarrollo para convertirla en una batería de alta densidad energética para vehículos eléctricos? La respuesta sería la Batería de Níquel Hierro o Batería Edison. En una sola palabra, una batería Ni-Fe es una batería muy robusta. Esta batería tiene una tolerancia muy alta a la sobrecarga, descarga excesiva, cortocircuitos, etc. Esta batería puede funcionar igualmente bien incluso si no se carga durante un largo período. Debido a su peso, esta batería se utiliza en aquellas aplicaciones donde el peso de la batería no importa, por ejemplo, en el sistema de energía solar, en el sistema de energía eólica, etc., como respaldo. La durabilidad y vida útil de una celda de níquel-hierro son mucho mayores que las de una batería de plomo-ácido, pero aún así, la batería de níquel-hierro ha perdido popularidad debido a su alto costo de fabricación.
Veamos algunas características específicas de la batería de níquel-hierro (Ni-Fe) o batería Edison.
Esta batería puede tener una capacidad de entrega de energía de 30 a 50 kW por kg de su peso. La eficiencia de carga de esta batería es aproximadamente del 65%. Eso significa que el 65% de la energía eléctrica de entrada se almacena en esta batería como energía química durante su proceso de carga. La eficiencia de descarga es de aproximadamente el 85%. Esto significa que la batería puede entregar el 85% de la energía almacenada a la carga como energía eléctrica y el resto se descarga debido a la autodescarga de la batería. Si la batería se mantiene sin usar durante 30 días, solo perderá el 10% al 15% de su energía almacenada debido a la autodescarga. La batería de níquel-hierro tiene una vida útil significativamente más larga, y es de unos 30 a 100 años. Este período es mucho más largo que la vida útil normal de una batería de plomo-ácido, que es de unos diez años. El voltaje nominal por celda de níquel-hierro es de 1,4 V.
Batería de Níquel Hierro
Los componentes básicos utilizados en la batería de níquel-hierro son hidróxido de níquel(III) como cátodo, hierro como ánodo y hidróxido de potasio como electrolito. Añadimos sulfato de níquel y sulfuro férrico al material activo.
Construcción de las Baterías Edison
La capacidad de la celda Ne-Fe depende del tamaño y número de placas positivas y negativas. La apariencia de ambas placas en este tipo de celdas de batería es la misma. Ambas placas consisten en una rejilla rectangular hecha de hierro chapado en níquel. Cada uno de los orificios de la rejilla está relleno con una caja de acero perforada y chapada en níquel.
Aunque ambas placas parecen ser iguales, contienen diferentes materiales activos. Las cajas de acero perforadas y chapadas en níquel de las placas positivas contienen una mezcla de óxido de níquel y carbono pulverizado, y algunas de las placas negativas contienen granos finos de óxido de hierro con polvo fino de carbono. En ambas placas, el polvo fino de carbono, mezclado con los materiales activos, ayuda a aumentar la conductividad eléctrica. Usamos potasa cáustica diluida al 20% como electrolito.
El hierro chapado en níquel se utiliza para hacer el recipiente que contiene el electrolito y los electrodos. Se colocan varillas de ébano entre las placas de diferentes polaridades para evitar que entren en contacto directo y causen un cortocircuito. Hay otra particularidad en la construcción de la batería Edison o batería de níquel-hierro, y es que el número de placas negativas es una más que el número de placas positivas, y conectamos la última placa negativa al recipiente. Las placas de la misma polaridad están soldadas a una correa común, y forman una celda, y combinando varias celdas, se construye la batería.
Funcionamiento de las Baterías de Níquel Hierro
Ya sabemos que la operación principal de la batería de níquel-hierro es la reacción química dentro de la batería, conocida como electrólisis. La electrólisis no es más que la reacción química que ocurre cuando hay corriente, y puede ser tanto causa como resultado de la reacción química. La química de la celda de níquel-hierro es muy complicada porque la fórmula exacta para el material activo positivo aún no está bien establecida. Pero si podemos asumir que el material es Ni(OH)3, entonces podemos explicarlo en cierta medida. Durante la carga, el compuesto de níquel en las placas positivas se oxida a peróxido de níquel. El proceso de carga cambia el compuesto de hierro a hierro esponjoso en las placas negativas.
En la condición completamente cargada, el material activo de las placas positivas es hidróxido de níquel [Ni(OH)3], mientras que en los bolsillos de la placa negativa es hierro, Fe. Cuando la celda suministra corriente a la carga, el material activo de la placa positiva cambia de Ni(OH)3 a Ni(OH)2 y el de la placa negativa cambia de hierro a hidróxido férrico (Fe(OH)2). El proceso electroquímico en la batería Edison se puede expresar mediante la ecuación
La ecuación expresa tanto el fenómeno de carga como de descarga. El flujo hacia la derecha de la ecuación es la reacción del fenómeno de descarga, y el flujo hacia la izquierda de la ecuación expresa el fenómeno de carga. La reacción ocurre por la transferencia de electrones a través del circuito externo a la placa positiva durante la descarga. Existe una disposición para liberar el humo corrosivo que se genera durante la electrólisis dentro de la batería, por lo que no se necesita ningún cuidado especial en la montaje de la celda.
Características de las Baterías de Níquel Hierro
La f.e.m. de una batería Edison completamente cargada es de 1,4 V. El voltaje promedio de descarga es de aproximadamente 1,2 V y el voltaje promedio de carga es de aproximadamente 1,7 V por celda. Las características de este tipo de batería se muestran a continuación en la figura.
Las características de voltaje de la batería de níquel-hierro son similares a las de la celda de plomo-ácido. Como la f.e.m. completamente cargada es de 1,4 V y disminuye lentamente a 1,3 V y luego muy lentamente a 1,1 o 1,0 V durante la descarga. A partir de la gráfica, podemos ver que no hay un límite inferior para el voltaje de descarga más allá del cual la salida de la batería será cero. Por eso, después de cierto tiempo, la batería deja de dar cualquier salida. La f.e.m. de la batería es directamente proporcional a la temperatura, lo que significa que la f.e.m. de la batería aumenta con el aumento de la temperatura.
El tiempo promedio de carga de una batería es de 7 horas y el tiempo de descarga es de 5 horas. Otra característica de la batería Edison es que la operación continua a temperaturas más altas disminuye la vida de la batería, lo mismo ocurre si la batería se carga durante más tiempo que el promedio de tiempo de carga.
La eficiencia en amperio-hora y vatios-hora de esta batería de níquel-hierro es del 85 % y del 60 %, respectivamente. A 4
