תא ניקל פחמן או תא אדיסון: פעולה ומאפיינים
איזה בטריה מתפתחת יותר ויותר כל יום, מכיוון שיש לה סקופ עצום להתפתח לבטריה בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה עבור רכב חשמלי? התשובה תהיה בטריית ניקל-ברזל או בטריית אדיסון. במילה אחת, בטריית Ni-Fe היא בטרייה חזקה מאוד. הבטרייה הזו יש לה סובלנות גבוהה מאוד לטעינה יתר, פריקה יתר, קצר מעגל ועוד. הבטרייה יכולה לעבוד בצורה טובה גם אם לא טעינו אותה לאורך זמן רב. בשל משקלה הכבד, הבטרייה משתמשת בה באפליקציות שבהן המשקל של הבטרייה אינו חשוב, למשל, במערכת אנרגיה סולארית, במערכת אנרגיית רוח וכדומה כגיבוי. קיומם והישרדותם של תאים של ניקל-ברזל גבוהים הרבה יותר משל בטריית עופרת חומצה, אבל עדיין הבטרייה של ניקל-ברזל איבדה את הפופולריות שלה עקב עלות ייצור גבוהה.
בואו נסתכל על כמה תכונות ספציפיות של בטריית ניקל-ברזל (Ni-Fe) או בטריית אדיסון.
הבטרייה יכולה לספק יכולת מסירת אנרגיה של 30 עד 50 kW לכל קילוגרם משקלה. יעילות הטעינה של הבטרייה היא בערך 65%. זה אומר ש-65% מהאנרגיה החשמלית שהוכנסה לתוך הבטרייה מאוחסנת כאנרגיה כימית במהלך תהליך הטעינה. יעילות הפריקה היא בערך 85%. זה אומר שהבטרייה יכולה לספק 85% מהאנרגיה המאוחסנת ל עומס כאנרגיה חשמלית והשאר מופרק בגלל הפריקה העצמית של הבטרייה. אם הבטרייה נשמרת ללא שימוש למשך 30 ימים, היא תאבד רק 10% עד 15% מהאנרגיה המאוחסנת שלה בשל הפריקה העצמית. לניקל ברזל יש חיים ארוכים באופן משמעותי, וזה בין 30 ל-100 שנים. התקופה הזו ארוכה הרבה יותר מהחיים הנורמליים של בטריית עופרת חומצה שהם בערך עשר שנים. מתח נומינלי לכל תא ניקל ברזל הוא 1.4 וולט.
בטריית ניקל ברזל
הרכיבים הבסיסיים המשמשים בבטריית ניקל ברזל הם הידרוקסיד ניקל(III) כקתרודה, ברזל jako anoda oraz wodny roztwór wodorotlenku potasu jako elektrolit. Dodajemy siarczan niklu i siarczany żelaza do materiału aktywnego.
בנייה של בטריות אדיסון
הקיבולת של תא Ni-Fe תלויה בגודל ובמספר הלוחות החיוביים והשליליים. המראה של שני הלוחות בסוג זה של תאים זהה. שני הלוחות כוללים רשת מלבנית מיוצרת מברזל מצופה ניקל. כל אחת מהחורים ברשת מלאה בתיבה פנימית מצופה ניקל עם חורים קטנים ופרפורציה.
למרות שנראים אותו הדבר, הם מכילים חומרים פעילים שונים. תיבות פנימיות מצופות ניקל של הלוחות החיוביים מכילות תערובת של אוקסיד ניקל ופחם כתוש, וחלק מהלוחות השליליים מכילים חלקיקים דקים של אוקסיד ברזל עם אבקת פחם דקה. בשני הלוחות, האבקת פחם הדקה, מעורבת בחומרים פעילים, עוזרת להגדיל נשאיות חשמלית. אנו משתמשים ב-20% פוטאש קואסטי מתמך כאלקטרוליט.
ברזל מצופה ניקל משמש לייצור הכלי המכילה את האלקטרוליט והאלקטודות. מקלות אבוניט ממוקמים בין הלוחות של קוטביות שונות כדי למנוע מהם מגעת ישירה ולהוביל לקצר מעגל. יש עוד תכונה מיוחדת בבניית בטריית אדיסון או בטריית ניקל ברזל, מספר הלוחות השליליים גדול ב-1 מהלוחות החיוביים, ואנו מחברים את הלוח השלילי האחרון לכלי. הלוחות של אותו הקוטב מחוברים לשטיח משותף, והם יוצרים תא, ומיזוג מספר תאים, הבטרייה נבנית.
פעולת בטריות ניקל ברזל
אנחנו כבר יודעים שהפעולה הראשית של בטריית ניקל-ברזל היא התגובה הכימית בתוך בטרייה שנקראת אלקטרוליזה. אלקטרוליזה היא פשוט התגובה הכימית שמתרחשת כאשר יש זרם חשמלי, זו יכולה להיות גם הגורם וגם התוצאה של התגובה הכימית. הכימיה של תא ניקל-ברזל היא מאוד מורכבת כי הנוסחה המדויקת לחומר פעיל חיובי עדיין לא נקבעה היטב. אבל אם נוכל להניח שהחומר הוא Ni(OH)3, אז ניתן להסביר זאת במידה מסוימת. במהלך הטעינה, חומר הניקל בטאבים החיוביים מת趸 לניקל פרוקסיד. תהליך הטעינה משנה את חומר הברזל לטאבנים שליליים לספוגי ברזל.
במצב הטעינה המלא, החומר פעיל של הטאבים החיוביים הוא הידרוקסיד ניקל [Ni(OH)3], בעוד שהחומר בנקעים של הטאבים השליליים הוא ברזל, Fe. כשהתא מספק זרם לעומס, החומר פעיל של הטאבים החיוביים משתנה מ-Ni(OH)3 ל-Ni(OH)2 והחומר של הטאבים השליליים משתנה מברזל להידרוקסיד ברזל (Fe(OH)2). התהליך האלקטרוכימי בבטריית אדיסון יכול להינתן על ידי המשוואה
המשוואה מציגה הן את תופעת הטעינה והן את תופעת הפריקה. זרימת הצד הימני של המשוואה היא תגובת הפריקה, וזרימת הצד השמאלי של המשוואה מציגה את תופעת הטעינה. התגובה מתרחשת על ידי העברת אלקטרונים דרך המעגל החיצוני לטאבים החיוביים במהלך הפריקה. יש אפשרות לתת את הגז המ ănך שנוצר במהלך האלקטרוליזה בתוך הבטרייה כך שאין צורך בטיפול מיוחד בהתקנת התא.
תכונות של בטריות ניקל ברזל
המתח של בטריית אדיסון טעונה לחלוטין הוא 1.4 וולט. המתח הממוצע של הפריקה הוא בערך 1.2 וולט והמתח הממוצע של הטעינה הוא בערך 1.7 וולט לכל תא. התכונות של סוג זה של בטריה מוצגות להלן בגרף.
התכונות של המתח בבטריית ניקל ברזל דומות לאלה של תא עופרת חומצה. המתח המלא הוא 1.4 וולט והוא יורד לאט ל-1.3 וולט ואז לאט מאוד ל-1.1 או 1.0 וולט במהלך הפריקה. מהגרף אפשר לראות שאין גבול תחתון לפריקת מתח מעבר אליו הפלט של הבטרייה יהיה אפס. לכן לאחר תקופה מסוימת הבטרייה תפסיק לספק פלט. המתח של הבטרייה הוא פרופורציונלי לטמפרטורה, מה שאומר שהמתח של הבטרייה עולה עם עליית הטמפרטורה.
הזמן הממוצע של טעינת הבטרייה הוא 7 שעות והזמן של הפריקה הוא 5 שעות. תכונה נוספת של בטריית אדיסון היא שהפעלה מתמשכת בטמפרטורה גבוהה מפחיתה את חיי בטרייה, אותו הדבר קורה אם הבטרייה טוענת יותר מהזמן הממוצע של הטעינה.
יעילות האמפר-שעה והוואט-שעה של בטריית ניקל-ברזל היא 85% ו-60% בהתאמה. בטמפרטורה של 4oC, הקיבולת של בטריית אדיסון יורדת לאפס, ולכן יש לחמם את הבטרייה לפני ההפעלה, אך במהלך ההפעלה, האיבוד I2R שומר על הבטרייה חמה ופועלת.
