نيکل آهن باتری یا باتری ادیسون کارکرد و مشخصات

چه باتری روز به روز محبوب‌تر می‌شود، زیرا امکان توسعه آن به باتری با تراکم انرژی بالا برای خودروهای الکتریکی وجود دارد؟ پاسخ این است که باتری نیکل فولاد یا باتری ادیسون. در یک کلمه، یک باتری Ni-Fe بسیار محکم است. این باتری تحمل بالایی برای شارژ بیش از حد، رها شدن بیش از حد، کوتاه شدن مدار و غیره دارد. این باتری حتی در صورت عدم شارژ برای مدت طولانی هم عملکرد خوبی دارد. به دلیل وزن سنگین آن، این باتری در کاربردهایی استفاده می‌شود که وزن باتری مهم نیست، مثلاً در سیستم انرژی خورشیدی، در سیستم انرژی بادی و غیره به عنوان پشتیبان. عمر مفید و طول عمر سلول نیکل-آهن بسیار بیشتر از باتری اسید-سنگین است، اما هنوز باتری نیکل-آهن به دلیل هزینه تولید بالا محبوبیت خود را از دست داده است.

بیایید به برخی از ویژگی‌های خاص باتری نیکل-آهن (Ni-Fe) یا باتری ادیسون نگاهی بیندازیم.

این باتری می‌تواند ظرفیت تحویل 30 تا 50 kW انرژی برای هر کیلوگرم وزن خود داشته باشد. کارایی شارژ این باتری حدود 65% است. این بدان معناست که 65% از انرژی الکتریکی ورودی به عنوان انرژی شیمیایی در طول فرآیند شارژ در این باتری ذخیره می‌شود. کارایی رها شدن حدود 85% است. این بدان معناست که باتری می‌تواند 85% از انرژی ذخیره شده را به عنوان انرژی الکتریکی به بار تحویل دهد و بقیه به دلیل رها شدن خودبه‌خودی باتری تخلیه می‌شود. اگر باتری برای 30 روز بدون استفاده نگهداری شود، فقط 10 تا 15٪ از انرژی ذخیره شده خود را به دلیل رها شدن خودبه‌خودی از دست می‌دهد. باتری نیکل-آهن عمر مفید بسیار طولانی‌تری دارد و این دوره حدود 30 تا 100 سال است. این دوره بسیار طولانی‌تر از عمر معمولی یک باتری اسید-سنگین که حدود ده سال است. ولتاژ اسمی برای هر سلول نیکل-آهن 1.4 V است.

باتری نیکل-آهن

مؤلفه‌های اصلی استفاده شده در باتری نیکل-آهن شامل هیدروکسید نیکل(III) به عنوان الکترود مثبت، آهن به عنوان الکترود منفی و هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت هستند. ما سولفات نیکل و سولفید آهن را به مواد فعال اضافه می‌کنیم.

ساختار باتری‌های ادیسون

ظرفیت سلول Ne-Fe به اندازه و تعداد صفحات مثبت و منفی بستگی دارد. ظاهر هر دو صفحه مثبت و منفی در این نوع سلول‌های باتری یکسان است. هر دو صفحه شامل شبکه مستطیلی ساخته شده از آهن روی‌پوشیده هستند. هر یک از سوراخ‌های شبکه با جعبه فولادی نازک و متخلخل روی‌پوشیده پر شده است.

اگرچه هر دو صفحه ظاهری یکسان دارند، اما مواد فعال مختلفی دارند. جعبه‌های فولادی متخلخل روی‌پوشیده صفحات مثبت شامل مخلوطی از اکسید نیکل و کربن پودری شده هستند، و برخی از صفحات منفی شامل ذرات ریز اکسید آهن با غبار کربنی ریز هستند. در هر دو صفحه، غبار کربنی که با مواد فعال مخلوط شده، به افزایش رسانایی الکتریکی کمک می‌کند. ما از 20% پتاسیم هیدروکسید ترکیبی به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنیم.

آهن روی‌پوشیده برای ساخت ظرف حاوی الکترولیت و الکترودها استفاده می‌شود. عصی ابی‌رنگ بین صفحات با قطبیت‌های مختلف قرار داده می‌شود تا از تماس مستقیم آن‌ها و ایجاد کوتاه مدار جلوگیری کند. ویژگی دیگری در ساختار باتری ادیسون یا باتری نیکل-آهن وجود دارد که تعداد صفحات منفی یکی بیشتر از تعداد صفحات مثبت است، و صفحه منفی آخر به ظرف متصل می‌شود. صفحات با قطبیت‌های مشابه به یک لنت مشترک جوشکاری می‌شوند و یک سلول تشکیل می‌دهند، و با ترکیب چندین سلول، باتری ساخته می‌شود.

عملکرد باتری‌های نیکل-آهن

ما می‌دانیم که عملکرد اصلی باتری نیکل-آهن واکنش شیمیایی در داخل باتری است که به عنوان الکترولیز شناخته می‌شود. الکترولیز همان واکنش شیمیایی است که وقتی جریان الکتریکی وجود دارد رخ می‌دهد، می‌تواند هم علت و هم نتیجه واکنش شیمیایی باشد. شیمی سلول نیکل-آهن بسیار پیچیده است زیرا فرمول دقیق ماده فعال مثبت هنوز به خوبی تأیید نشده است. اما اگر فرض کنیم که ماده مورد نظر Ni(OH)3 باشد، می‌توانیم آن را تا حدی توضیح دهیم. در طول شارژ، ترکیب نیکل در صفحات مثبت به اکسید نیکل تبدیل می‌شود. فرآیند شارژ ترکیب آهن را به آهن پسفی در صفحات منفی تغییر می‌دهد.

در حالت کاملاً شارژ شده، ماده فعال صفحات مثبت هیدروکسید نیکل [Ni(OH)3] است، در حالی که ماده فعال در جیب‌های صفحه منفی آهن، Fe است. وقتی سلول جریان به بار تحویل می‌دهد، ماده فعال صفحه مثبت از Ni(OH)3 به Ni(OH)2 تغییر می‌کند و ماده فعال صفحه منفی از آهن به هیدروکسید آهن (Fe(OH)2) تغییر می‌کند. فرآیند الکتروشیمیایی در باتری ادیسون می‌تواند با معادله زیر بیان شود

این معادله هم پدیده شارژ و هم پدیده رها شدن را بیان می‌کند. جریان سمت راست معادله واکنش پدیده رها شدن است و جریان سمت چپ معادله پدیده شارژ را بیان می‌کند. واکنش با انتقال الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به صفحه مثبت در حین رها شدن اتفاق می‌افتد. برای دادن گازهای خوردگی که در طول الکترولیز در داخل باتری تولید می‌شوند، اقداماتی انجام شده است تا نیازی به مراقبت خاص در نصب سلول نباشد.

ویژگی‌های باتری‌های نیکل-آهن

emf یک باتری ادیسون کاملاً شارژ شده 1.4 V است. ولتاژ متوسط رها شدن حدود 1.2 V و ولتاژ متوسط شارژ حدود 1.7 V برای هر سلول است. ویژگی‌های ا