Batteria al nichel-ferro o batteria di Edison funzionamento e caratteristiche
Quale batteria sta diventando sempre più popolare giorno dopo giorno, vista la vasta possibilità di sviluppo per trasformarla in una batteria ad alta densità energetica per veicoli elettrici? La risposta sarebbe Batteria al nichel-ferro o Batteria Edison. In una sola parola, una batteria Ni-Fe è una batteria molto robusta. Questa batteria ha una tolleranza molto elevata per il sovraccarico, il sovrascarico, i cortocircuiti, ecc. Questa batteria può funzionare altrettanto bene anche se non viene caricata per un lungo periodo. A causa del suo peso, questa batteria viene utilizzata in quelle applicazioni in cui il peso della batteria non è importante, ad esempio, nel sistema di energia solare, nel sistema di energia eolica, ecc. come backup. La durata e la longevità di una cella al nichel-ferro sono molto superiori a quelle di una batteria a piombo-acido, ma comunque, la batteria al nichel-ferro ha perso la sua popolarità a causa del suo alto costo di produzione.
Diamo un'occhiata a alcune caratteristiche specifiche della batteria al nichel-ferro (Ni-Fe) o Batteria Edison.
Questa batteria può avere una capacità di erogazione di energia di 30 a 50 kW per kg del suo peso. L'efficienza di carica di questa batteria è circa del 65%. Ciò significa che il 65% dell'energia elettrica in ingresso viene immagazzinato in questa batteria come energia chimica durante il processo di carica. L'efficienza di scarica è circa dell'85%. Ciò significa che la batteria può fornire l'85% dell'energia immagazzinata alla carica come energia elettrica e il resto viene scaricato a causa dello scarico automatico della batteria. Se la batteria viene lasciata inutilizzata per 30 giorni, perderà solo il 10% - 15% dell'energia immagazzinata a causa dello scarico automatico. La batteria al nichel-ferro ha una durata significativamente più lunga, e varia da 30 a 100 anni. Questo periodo è molto più lungo della durata normale di una batteria a piombo-acido, che è di circa dieci anni. La tensione nominale per cella al nichel-ferro è di 1,4 V.
Batteria al Nichel-Ferro
I componenti di base utilizzati nella batteria al nichel-ferro sono l'idrossido di nichel(III) come catodo, il ferro come anodo e l'idrossido di potassio come elettrolita. Aggiungiamo solfato di nichel e solfuro di ferro al materiale attivo.
Costruzione delle Batterie Edison
La capacità della cella Ne-Fe dipende dalla dimensione e dal numero di lastre positive e negative. L'aspetto di entrambe le lastre in questo tipo di celle è lo stesso. Entrambe le lastre consistono in una griglia rettangolare realizzata in ferro rivestito di nichel. Ogni foro della griglia è riempito con una scatola di acciaio rivestito di nichel perforata e poco profonda.
Anche se entrambe le lastre sembrano uguali, contengono materiali attivi diversi. Le scatole di acciaio rivestito di nichel perforate delle lastre positive contengono una miscela di ossido di nichel e carbonio polverizzato, e alcune delle lastre negative contengono fini granuli di ossido di ferro con la polvere fine di carbonio. In entrambe le lastre, la polvere fine di carbonio, mescolata ai materiali attivi, aiuta ad aumentare la conduttività elettrica. Utilizziamo idrossido di potassa diluito al 20% come elettrolita.
Il ferro rivestito di nichel viene utilizzato per realizzare il contenitore che contiene l'elettrolita ed gli elettrodi. Bastoncini di ebonite vengono posizionati tra le lastre di polarità diversa per impedire loro di venire in contatto diretto e causare un cortocircuito. C'è un'altra specialità nella costruzione della batteria Edison o batteria al nichel-ferro, ovvero il numero di lastre negative è uno in più rispetto al numero di lastre positive, e collegiamo elettricamente l'ultima lastra negativa al contenitore. Le lastre della stessa polarità sono saldate a una cinghia comune e formano una cella, e combinando diverse celle, si costruisce la batteria.
Funzionamento delle Batterie al Nichel-Ferro
Sappiamo già che l'operazione principale della batteria al nichel-ferro è la reazione chimica all'interno della batteria, nota come elettrolisi. L'elettrolisi non è altro che la reazione chimica che si verifica quando c'è corrente, può essere sia causa che risultato della reazione chimica. La chimica della cella al nichel-ferro è molto complessa perché la formula esatta per il materiale attivo positivo non è ancora ben stabilita. Ma se possiamo assumere che il materiale sia Ni(OH)3, allora possiamo spiegarlo in parte. Durante la carica, il composto di nichel sulle lastre positive si ossida in perossido di nichel. Il processo di carica trasforma il composto di ferro in ferro spugnoso nelle lastre negative.
Nelle condizioni completamente cariche, il materiale attivo delle lastre positive è idrossido di nichel [Ni(OH)3], mentre quello nelle tasche delle lastre negative è ferro, Fe. Quando la cella fornisce corrente alla carica, il materiale attivo delle lastre positive cambia da Ni(OH)3 a Ni(OH)2 e quello delle lastre negative cambia da ferro a idrossido di ferro (Fe(OH)2). Il processo elettrochimico nella batteria Edison può essere espresso dall'equazione
L'equazione esprime sia il fenomeno di carica che di scarica. Il flusso a destra dell'equazione rappresenta la reazione del fenomeno di scarica, mentre il flusso a sinistra dell'equazione esprime il fenomeno di carica. La reazione avviene tramite il trasferimento di elettroni attraverso il circuito esterno alla lastra positiva durante lo scarico. C'è una disposizione per rilasciare il fumo corrosivo generato durante l'elettrolisi all'interno della batteria, in modo che non sia necessaria alcuna cura particolare nel montaggio della cella.
Caratteristiche delle Batterie al Nichel-Ferro
La f.e.m. di una batteria Edison completamente carica è di 1,4 V. La tensione di scarica media è di circa 1,2 V e la tensione di carica media è di circa 1,7 V per cella. Le caratteristiche di questo tipo di batteria sono mostrate nella figura sottostante.
Le caratteristiche di tensione della batteria al nichel-ferro sono simili a quelle della cella a piombo-acido. Con la f.e.m. completamente carica di 1,4 V, diminuisce lentamente a 1,3 V e poi molto lentamente a 1,1 o 1,0 V durante lo scarico. Dalla grafica, possiamo vedere che non c'è un limite inferiore per la f.e.m. di scarica oltre il quale l'uscita della batteria sarà zero. Per questo motivo, dopo un certo periodo, la batteria smette di fornire qualsiasi uscita. La f.e.m. di una batteria è direttamente proporzionale alla temperatura, il che significa che la f.e.m. della batteria aumenta con l'aumento della temperatura.
Il tempo medio di carica di una batteria è di 7 ore e il tempo di scarica è di 5 ore. Un'altra caratteristica della batteria Edison è che l'operazione continua a temperature elevate riduce la vita della batteria, la stessa cosa accade se la batteria viene caricata per più del tempo medio di carica.
L'efficienza ampere-ora e watt-ora di questa batteria al nichel-ferro è rispettivamente dell'85% e del 60%. A 4
