Nikkeli-rauta-akun tai Edison-akun toiminta ja ominaisuudet

Mikä akku tulee yhä suositumpaksi päivä kerrallaan, kun sen kehittämisen mahdollisuudet ovat valtavat tehdä siitä korkean energiatiheyden akun sähköajoneuvoille? Vastaus olisi nikkelirauta-akku tai Edisonin akku. Yhdellä sanalla, Ni-Fe-akku on erittäin kestävä akku. Tällä akulla on hyvin korkea sietokyky ylikulutukselle, alikulutukselle, lyhytsolmuille jne. Tämä akku suoriutuu yhtä hyvin vaikka sitä ei ladata pitkään aikaan. Sen painon vuoksi tätä akkua käytetään sellaisissa sovelluksissa, joissa akun paino ei ole merkityksellinen, esimerkiksi aurinkoenergiasysteemissä, tuulivoimasysteemissä jne. varannaksena. Nikkelirautasolun kestavyys ja elinkaari ovat paljon pidempiä kuin lyijy happoakun, mutta huolimatta tästä nikkelirauta-akun suosio on laskenut sen korkean valmistuskustannuksen vuoksi.

Tutkitaanpa niiden erityispiirteitä, jotka liittyvät nikkelirauta- (Ni-Fe) tai Edisonin akkuun.

Tämä akku voi toimittaa 30–50 kW energiaa kilogrammaa kohti sen painosta. Tämän akun latauseffektiivisyys on noin 65 %. Tämä tarkoittaa, että 65 % syötettyä sähköenergiaa tallentuu tähän akkuun kemiallisena energiana sen latausprosessin aikana. Purkuseffektiivisyys on noin 85 %. Tämä tarkoittaa, että akku voi toimittaa 85 % varastoitusta energiasta kulutukseen sähköenergiana, ja loput purku tapahtuu akun itsepurkumisen vuoksi. Jos akku jää käyttämättä 30 päivää, se menettää vain 10–15 % varastoitusta energiastaan itsepurkumisen vuoksi. Nikkelirauta-akun elinkaari on huomattavan pitkä, ja se on noin 30–100 vuotta. Tämä aika on paljon pidempi kuin normaali lyijyhappoakun elinkaari, joka on noin kymmenen vuotta. Nominaalinen jännite arvo per nikkelirautasolu on 1,4 V.

Nikkelirauta-akku

Peruskomponentit, jotka käytetään nikkelirauta-akussa, ovat nikkelihydroksiidi katodina, rauta anodina ja kaliumhydroksiidi elektrolytinä. Lisäämme aktiiviseen materiaaliin nikkelisulfaatin ja rautasulfiidin.

Edisonin akkujen rakennus

Ne-Fe-solun kapasiteetti riippuu positiivisten ja negatiivisten levyyden koon ja määrän. Positiivisten ja negatiivisten levien ulkonäkö on sama tässä tyypissä akkusoluissa. Molemmat levyet koostuvat nikkeliplaatatuista rautalevyistä. Jokainen ruudun reikä on täytetty pintaperäisillä ja hienosti perforoituilla nikkeliplaatatuilla teräsruuduilla.

Vaikka molemmat levyet näyttävät samoilta, ne sisältävät erilaisia aktiivisia materiaaleja. Perforoiduissa nikkeliplaatatuissa teräsruuduissa positiivisissa levyissä on sekoitus nikkelioxidista ja pölynytystä hiilestä, ja osassa negatiivisia levyjä on pieniä rautaoxidihiukkasia ja hienoa hiilenpölyä. Molemissa levyissä hieno hiilenpöly, joka on sekoitettu aktiiviseen materiaaliin, auttaa lisäämään sähköjohtavuutta. Käytämme 20 % pehmittettyä kaustista potashia elektrolytinä.

Nikkeliplaatattu rauta käytetään valmistamaan säiliötä, joka sisältää elektrolyttien ja elektrodien. Eboniititikkuja asetetaan eri napojen välille estääksemme niiden suoraa yhteyttä ja lyhytsolmun muodostumista. On myös toinen erityispiirre Edisonin akun tai nikkelirauta-akun rakenteessa, ja se on, että negatiivisten levien määrä on yksi enemmän kuin positiivisten levien määrä, ja viimeinen negatiivinen levy yhdistetään säiliöön sähköisesti. Saman napojen levit sidotaan yhteiseen nauhaan, ja ne muodostavat solun, ja useiden solujen yhdistämällä akku rakennetaan.

Nikkelirauta-akkujen toiminta

Tiedämme, että nikkelirauta-akun päätoiminta on kemiallinen reaktio akussa, jota kutsutaan sähkölyysiksi. Sähkölyysi on mitä tahansa kemiallista reaktiota, joka tapahtuu, kun on virtaa, se voi olla sekä syy että seuraus kemialliselle reaktiolle. Nikkelirautasolun kemiallisuus on hyvin monimutkainen, koska positiivisen aktiivisen materiaalin tarkka kaava ei ole vielä hyvin vakiintunut. Mutta jos voimme olettaa, että materiaali on Ni(OH)3, voimme selittää sen jossain määrin. Latauksen aikana nikkeliyhdiste positiivisissa leveissä muuttuu nikkeliperoxideksi. Latausprosessi muuttaa rautayhdisteen spongyrauteksi negatiivisissa leveissä.

Kun solu toimittaa virtaa, positiivisen levyn aktiivinen materiaali muuttuu Ni(OH)3:sta Ni(OH)2:ksi, ja negatiivisen levyn aktiivinen materiaali muuttuu raudaksi Fe(OH)2:ksi. Edisonin akun sähkökemiallinen prosessi voidaan ilmaista yhtälöllä

Yhtälö ilmaisee sekä latauksen että purkauksen ilmiöt. Yhtälön oikea puoli on purkauksen ilmiön reaktio, ja vasen puoli ilmaisee latauksen ilmiön. Reaktio tapahtuu sähköjen siirtymisen kautta ulkoisessa piirissä positiiviseen levylle purkauksen aikana. Sähkölyysin aikana tuottaman korroosiohumin poistamista varten on tarjolla järjestely, joten akun asentamisessa ei tarvita erityistä huolenpitoa.

Nikkelirauta-akkujen ominaisuudet

Täysin ladattuna Edisonin akun emf on 1,4 V. Keskimääräinen purkauksen jännite on noin 1,2 V, ja keskimääräinen latausjännite on noin 1,7 V per solu. Tämän tyyppisen akun ominaisuudet on esitetty alla olevassa kuviossa.