باتری نیکل آهن یا باتری ادیسون کارکرد و مشخصات

چه نوع باتری روز به روز محبوب‌تر می‌شود چون امکان توسعه آن برای تبدیل شدن به باتری با چگالی انرژی بالا برای خودروهای الکتریکی وجود دارد؟ پاسخ این سؤال می‌تواند باتری نیکل آهن یا باتری ادیسون باشد. به طور خلاصه، یک باتری Ni-Fe باتری بسیار قوی است. این باتری تحمل بالایی در برابر شارژ زیاد، دیشارژ زیاد و کوتاه شدن مدار دارد. حتی اگر این باتری برای مدت طولانی شارژ نشود، عملکرد مناسبی دارد. به دلیل وزن سنگین آن، این باتری در کاربردهایی که وزن باتری مهم نیست مورد استفاده قرار می‌گیرد، مثلاً در سیستم انرژی خورشیدی یا سیستم انرژی بادی به عنوان پشتیبان. عمر مفید و طول عمر یک سلول نیکل-آهن بسیار بیشتر از یک باتری اسیدی سرب 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 کیلووات انرژی بر کیلوگرم وزن خود داشته باشد. کارایی شارژ این باتری حدود 65% است. این به این معناست که 65% از انرژی الکتریکی ورودی به عنوان انرژی شیمیایی در طول فرآیند شارژ در این باتری ذخیره می‌شود. کارایی دیشارژ حدود 85% است. این به این معناست که باتری می‌تواند 85% از انرژی ذخیره شده را به بار به صورت انرژی الکتریکی تحویل دهد و بقیه به دلیل دیشارژ خودبه‌خود از دست می‌رود. اگر باتری برای 30 روز استفاده نشود، فقط 10 تا 15% از انرژی ذخیره شده آن به دلیل دیشارژ خودبه‌خود از دست خواهد رفت. باتری نیکل-آهن عمر مفید بسیار طولانی‌تری دارد و این دوره حدود 30 تا 100 سال است. این مدت بسیار بیشتر از عمر معمول یک باتری اسیدی سرب است که حدود ده سال است. ولتاژ اسمی هر سلول نیکل-آهن 1.4 وات است.

باتری نیکل-آهن

اجزای اصلی مورد استفاده در باتری نیکل-آهن شامل هیدروکسید نیکل(III) به عنوان آند، آهن به عنوان کاتد و هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت هستند. ما سولفات نیکل و سولفید آهن به ماده 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 مشابه است. هر دو صفحه شامل شبکه مستطیلی از آهن پوشیده شده با نیکل هستند. هر یک از سوراخ‌های شبکه با جعبه‌های فولادی پر سوراخ پوشیده شده با نیکل پر شده‌اند.

هرچند هر دو صفحه ظاهری مشابه دارند، اما مواد فعال مختلفی را شامل می‌شوند. جعبه‌های فولادی پر سوراخ پوشیده شده با نیکل صفحات مثبت شامل مخلوطی از اکسید نیکل و کربن پودری هستند، و برخی از صفحات منفی شامل ذرات ریز اکسید آهن با غبار کربنی هستند. در هر دو صفحه، غبار کربنی که با مواد فعال مخلوط شده، به افزایش رسانایی الکتریکی کمک می‌کند. ما از 20% پتاس کاوای تنها به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنیم.

آهن پوشیده شده با نیکل برای ساخت ظرف حاوی الکترولیت و الکترودها استفاده می‌شود. میله‌های ابونیت بین صفحات با قطبیت‌های مختلف قرار داده می‌شوند تا جلوی تماس مستقیم آنها و ایجاد کوتاه شدن مدار را بگیرند. یک ویژگی دیگر در ساختار باتری ادیسون یا باتری نیکل-آهن این است که تعداد صفحات منفی یکی بیشتر از تعداد صفحات مثبت است و آخرین صفحه منفی به ظرف متصل می‌شود. صفحات با قطبیت یکسان به یک ریزمجموعه متصل می‌شوند و یک سلول تشکیل می‌دهند، و با ترکیب چند سلول، باتری ساخته می‌شود.

عملکرد باتری‌های نیکل-آهن

ما می‌دانیم که عملکرد اصلی باتری نیکل-آهن واکنش شیمیایی درون باتری است که به عنوان الکترولیز شناخته می‌شود. الکترولیز همان واکنش شیمیایی است که زمانی رخ می‌دهد که جریان وجود دارد، که می‌تواند هم علت و هم نتیجه واکنش شیمیایی باشد. شیمی سلول نیکل-آهن بسیار پیچیده است چون فرمول دقیق ماده فعال مثبت هنوز به خوبی تأیید نشده است. اما اگر بتوانیم ماده را Ni(OH)3 فرض کنیم، می‌توانیم آن را تا حدودی توضیح دهیم. در طول شارژ، ترکیب نیکل در صفحات مثبت به پeroxide نیکل اکسید می‌شود. فرآیند شارژ ترکیب آهن را به آهن پنبه‌ای 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 صفحات منفی آهن (Fe) است. وقتی سلول جریان به بار تحویل می‌دهد، ماده فعال صفحات مثبت از Ni(OH)3 به Ni(OH)2 تغییر می‌کند و ماده فعال صفحات منفی از آهن به هیدروکسید آهن (Fe(OH)2) تغییر می‌کند. فرآیند الکتروشیمیایی در باتری ادیسون می‌تواند با معادله زیر بیان شود

این معادله هر دو پدیده شارژ و دیشارژ را بیان می‌کند. جریان سمت راست معادله واکنش دیشارژ را نشان می‌دهد و جریان سمت چپ معادله فرآیند شارژ را نشان می‌دهد. واکنش از طریق انتقال الکترون‌ها از طریق مدار خارجی به صفحه مثبت در حین دیشارژ اتفاق می‌افتد. برای دادن بوی مخربی که در طول الکترولیز در داخل باتری تولید می‌شود، ترتیبی وجود دارد تا نیازی به مراقبت خاص در نصب سلول نباشد.

ویژگی‌های باتری‌های نیکل-آهن