Batterie au nickel-fer ou batterie Edison fonctionnement et caractéristiques

Quelle batterie gagne en popularité de jour en jour, alors qu'il y a un énorme potentiel de développement pour transformer la batterie en une batterie à haute densité d'énergie pour les véhicules électriques ? La réponse serait la Batterie Nickel Fer ou Batterie Edison. En un mot, une batterie Ni-Fe est une batterie très robuste. Cette batterie a une très grande tolérance au surcharge, à la décharge excessive, aux courts-circuits, etc. Cette batterie peut fonctionner de manière équivalente même si nous ne la rechargeons pas pendant une longue période. En raison de son poids, cette batterie est utilisée dans des applications où le poids de la batterie n'a pas d'importance, par exemple, dans le système d'énergie solaire, dans le système d'énergie éolienne, etc., comme une source de secours. La durabilité et la durée de vie d'une cellule nickel-fer sont beaucoup plus élevées que celles d'une batterie au plomb-acide, mais malgré cela, la batterie nickel-fer a perdu de sa popularité en raison de son coût de fabrication élevé.

Jetons un coup d'œil à certaines caractéristiques spécifiques de la batterie nickel-fer (Ni-Fe) ou Batterie Edison.

Cette batterie peut avoir une capacité de livraison d'énergie de 30 à 50 kW par kg de son poids. L'efficacité de charge de cette batterie est d'environ 65 %. Cela signifie que 65 % de l'énergie électrique d'entrée est stockée dans cette batterie sous forme d'énergie chimique lors de son processus de charge. L'efficacité de décharge est d'environ 85 %. Cela signifie que la batterie peut fournir 85 % de l'énergie stockée à la charge sous forme d'énergie électrique, le reste étant déchargé en raison de la décharge auto-induite de la batterie. Si la batterie est laissée inutilisée pendant 30 jours, elle ne perdra que 10 % à 15 % de son énergie stockée en raison de la décharge auto-induite. La batterie nickel-fer a une durée de vie significativement plus longue, qui est d'environ 30 à 100 ans. Cette période est beaucoup plus longue que la durée de vie normale d'une batterie au plomb-acide qui est d'environ dix ans. La tension nominale par cellule nickel-fer est de 1,4 V.

Batterie Nickel Fer

Les composants de base utilisés dans la batterie Nickel Fer sont l'hydroxyde de nickel(III) comme cathode, le fer comme anode et l'hydroxyde de potassium comme électrolyte. Nous ajoutons du sulfate de nickel et du sulfure de fer au matériau actif.

Construction des Batteries Edison

La capacité de la cellule Ni-Fe dépend de la taille et du nombre de plaques positives et négatives. L'apparence des plaques positives et négatives dans ce type de cellules de batterie est la même. Les deux plaques sont constituées d'une grille rectangulaire en fer plaqué nickel. Chaque trou de la grille est rempli d'une boîte en acier perforée et plaquée nickel.

Bien que les deux plaques semblent identiques, elles contiennent des matériaux actifs différents. Les boîtes en acier perforé et plaqué nickel des plaques positives contiennent un mélange d'oxyde de nickel et de carbone pulvérisé, et certaines des plaques négatives contiennent des grains fins d'oxyde de fer avec de la poussière fine de carbone. Dans les deux plaques, la poussière fine de carbone, mélangée aux matériaux actifs, aide à augmenter la conductivité électrique. Nous utilisons 20% de potasse caustique diluée comme électrolyte.

Le fer plaqué nickel est utilisé pour fabriquer le récipient contenant l'électrolyte et les électrodes. Des bâtons en ébonite sont placés entre les plaques de polarités différentes pour empêcher leur contact direct et éviter un court-circuit. Il y a une autre particularité dans la construction de la batterie Edison ou batterie nickel-fer, c'est que le nombre de plaques négatives est d'une unité supérieur au nombre de plaques positives, et la dernière plaque négative est connectée électriquement au conteneur. Les plaques de même polarité sont soudées à une sangle commune, formant ainsi une cellule, et en combinant plusieurs cellules, la batterie est construite.

Fonctionnement des Batteries Nickel Fer

Nous savons déjà que le fonctionnement principal de la batterie nickel-fer est la réaction chimique à l'intérieur de la batterie, qui est connue sous le nom d'électrolyse. L'électrolyse n'est rien d'autre que la réaction chimique qui se produit lorsque il y a un courant, il peut être à la fois la cause et le résultat de la réaction chimique. La chimie de la cellule nickel-fer est très compliquée car la formule exacte pour le matériau actif positif n'est pas encore bien établie. Mais si nous pouvons supposer que le matériau est Ni(OH)3, alors nous pouvons l'expliquer dans une certaine mesure. Pendant la charge, le composé de nickel sur les plaques positives est oxydé en peroxyde de nickel. Le processus de charge transforme le composé de fer en fer poreux sur les plaques négatives.

Dans la condition pleinement chargée, le matériau actif des plaques positives est l'hydroxyde de nickel [Ni(OH)3], tandis que celui dans les poches des plaques négatives est le fer, Fe. Lorsque la cellule livre du courant à la charge, le matériau actif des plaques positives change de Ni(OH)3 à Ni(OH)2 et celui des plaques négatives change de fer à l'hydroxyde de fer (Fe(OH)2). Le processus électrochimique dans la batterie Edison peut être exprimé par l'équation

L'équation exprime à la fois le phénomène de charge et de décharge. Le flux de droite de l'équation est la réaction du phénomène de décharge, et le flux de gauche de l'équation exprime le phénomène de charge. La réaction se produit par le transfert d'électrons à travers le circuit externe vers la plaque positive pendant la décharge. Il y a une disposition pour libérer la fumée corrosive générée pendant l'électrolyse à l'intérieur de la batterie afin qu'aucun soin particulier ne soit nécessaire pour le montage de la cellule.

Caractéristiques des Batteries Nickel Fer

La f.e.m. d'une batterie Edison pleinement chargée est de 1,4 V. La tension moyenne de décharge est d'environ 1,2 V et la tension moyenne de charge est d'environ 1,7 V par cellule. Les caractéristiques de ce type de batterie sont montrées ci-dessous dans la figure.

Les caractéristiques de tension de la batterie Nickel Fer sont similaires à celles de la cellule au plomb-acide. Avec une f.e.m. pleinement chargée de 1,4 V, elle diminue lentement à 1,3 V puis très lentement à 1,1 ou 1,0 V pendant la décharge. D'après le graphique, on peut voir qu'il n'y a pas de limite inférieure pour la décharge de la f.e.m. au-delà de laquelle la sortie de la batterie sera nulle. C'est pourquoi après une certaine période, la batterie cesse de produire une sortie. La f.e.m. de la batterie est directement proportionnelle à la température, ce qui signifie que la f.e.m. de la batterie augmente avec l'augmentation de la température.
Le temps moyen de charge d'une batterie est de 7 heures et le temps de décharge est de 5 heures. Une autre caractéristique de la batterie Edison est que l'opération continue à haute température diminue la durée de vie de la batterie, la même chose se produit si la batterie est chargée pendant plus de temps que le temps moyen de charge.
L'efficacité en ampères-heures et en watts-heures de cette batterie nickel-fer est respectivement de 85 % et 60 %. À 4