니켈 철 배터리 또는 에디슨 배터리 작동 원리와 특성

어느 배터리가 날이 갈수록 인기가 높아지고 있으며, 전기차를 위한 고에너지 밀도 배터리로 발전할 가능성이 큰가? 그 답은 니켈 철 배터리 또는 에디슨 배터리입니다. 한마디로 Ni-Fe 배터리는 매우 견고한 배터리입니다. 이 배터리는 과충전, 과방전, 단락 등의 상황에도 매우 높은 내성을 가지고 있습니다. 이 배터리는 오랜 시간 충전하지 않아도 동일한 성능을 유지할 수 있습니다. 무게가 무거워서 배터리의 무게가 중요한 경우 이 배터리는 사용되지 않습니다. 예를 들어, 태양 에너지 시스템이나 풍력 에너지 시스템 등에서 백업으로 사용됩니다. 니켈-철 셀의 내구성과 수명은 연산 배터리보다 훨씬 높지만, 제조 비용이 높아 인기가 줄었습니다.

니켈-철(Ni-Fe) 또는 에디슨 배터리의 특정 특징을 살펴보겠습니다.

이 배터리는 무게당 30~50kW의 에너지를 공급할 수 있습니다. 이 배터리의 충전 효율은 약 65%입니다. 즉, 충전 과정에서 입력된 전기 에너지의 65%가 화학 에너지로 저장됩니다. 방전 효율은 약 85%입니다. 즉, 배터리는 저장된 에너지의 85%를 부하에 전기 에너지로 제공하며, 나머지는 배터리의 자발적 방전으로 소모됩니다. 배터리를 30일 동안 사용하지 않으면 자발적 방전으로 인해 저장된 에너지의 10%~15%만 손실됩니다. 니켈-철 배터리는 매우 긴 수명을 가지고 있으며, 약 30년에서 100년까지입니다. 이 기간은 일반적인 연산 배터리의 수명인 약 10년보다 훨씬 길습니다. 니켈-철 셀 당 명목 전압은 1.4V입니다.

니켈-철 배터리

니켈-철 배터리에 사용되는 주요 구성 요소는 양극으로 니켈(III) 수산화물, 음극으로 철, 전해질로 포타슘 수산화물을 사용합니다. 활성 물질에 니켈 황산과 철 황화물을 추가합니다.

에디슨 배터리의 구조

Ne-Fe 셀의 용량은 양극과 음극 플레이트의 크기와 수에 따라 달라집니다. 이 종류의 배터리 셀에서 양극과 음극 플레이트의 외관은 같습니다. 두 플레이트 모두 니켈 도금 철로 만든 직사각형 그리드로 구성되어 있으며, 각 그리드 구멍에는 얕고 미세한 구멍이 있는 니켈 도금 강철 상자가 채워져 있습니다.

두 플레이트가 비슷하게 보이지만, 포함된 활성 물질은 다릅니다. 양극 플레이트의 니켈 도금 강철 상자에는 니켈 산화물과 분쇄된 탄소 혼합물이 들어 있고, 음극 플레이트에는 철 산화물과 미세한 탄소 먼지가 들어 있습니다. 두 플레이트 모두 활성 물질과 혼합된 미세한 탄소 먼지가 전기 전도도를 증가시키는 데 도움이 됩니다. 우리는 20% 희석된 카우스틱 포타시를 전해질로 사용합니다.

니켈 도금 철은 전해질과 전극을 담는 용기에 사용됩니다. 서로 다른 극성의 플레이트 사이에 에본아이트 막대가 놓여 있어 직접 접촉하여 단락을 일으키는 것을 방지합니다. 에디슨 배터리 또는 니켈-철 배터리의 구조에는 또 다른 특성이 있는데, 그것은 음극 플레이트의 수가 양극 플레이트의 수보다 하나 더 많으며, 마지막 음극 플레이트는 용기에 전기적으로 연결된다는 것입니다. 같은 극성의 플레이트는 공통 스트랩에 용접되어 셀을 형성하고, 여러 셀을 결합하여 배터리를 구성합니다.

니켈-철 배터리의 작동

우리는 이미 니켈-철 배터리의 주요 작동 원리가 배터리 내에서 발생하는 화학 반응인 전해작용이라는 것을 알고 있습니다. 전해작용은 전류가 흐를 때 발생하는 화학 반응이며, 이는 화학 반응의 원인이 될 수도 있고 결과가 될 수도 있습니다. 니켈-철 셀의 화학은 매우 복잡하며, 양극 활성 물질에 대한 정확한 공식이 아직 확립되지 않았습니다. 그러나 우리가 양극 활성 물질을 Ni(OH)3라고 가정한다면 이를 어느 정도 설명할 수 있습니다. 충전 중에는 양극 플레이트의 니켈 화합물이 니켈 과산화물로 산화됩니다. 충전 과정은 음극 플레이트의 철 화합물을 스펀지 철로 바꿉니다.

완전히 충전된 상태에서 양극 플레이트의 활성 물질은 니켈 수산화물 [Ni(OH)3]이고, 음극 플레이트의 포켓에는 철(Fe)이 들어 있습니다. 셀이 부하에 전류를 공급할 때, 양극 플레이트의 활성 물질은 Ni(OH)3에서 Ni(OH)2로 변화하고, 음극 플레이트의 활성 물질은 철에서 철 수산화물(Fe(OH)2)로 변화합니다. 에디슨 배터리의 전기화학적 과정은 다음과 같은 방정식으로 표현할 수 있습니다

이 방정식은 충전과 방전 현상을 모두 나타냅니다. 방정식의 오른쪽 흐름은 방전 현상의 반응을 나타내며, 왼쪽 흐름은 충전 현상을 나타냅니다. 방전 중에는 전자들이 외부 회로를 통해 양극으로 이동하여 반응이 발생합니다. 배터리 내부에서 발생하는 부식성 연기를 배출할 수 있는 장치가 있어 셀을 설치할 때 특별한 관리가 필요하지 않습니다.

니켈-철 배터리의 특성

완전히 충전된 에디슨 배터리의 전압은 1.4V입니다. 평균 방전 전압은 약 1.2V이고, 평균 충전 전압은 셀당 약 1.7V입니다. 이러한 유형의 배터리의 특성은 아래 그림에 표시되어 있습니다.

니켈-철 배터리의 전압 특성은 연산 셀과 유사합니다. 완전히 충전된 전압은 1.4V이며, 방전 중에 서서히 1.3V로 감소한 다음 1.1V 또는 1.0V로 매우 천천히 감소합니다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 출력이 0이 되는 방전 전압의 하한선은 없습니다. 따라서 일정 기간 후에 배터리는 출력을 멈춥니다. 배터리의 전압은 온도와 직접적으로 비례하므로, 온도가 높아질수록 배터리의 전압도 증가합니다.
배터리의 평균 충전 시간은 7시간이고, 방전 시간은 5시간입니다. 에디슨 배터리의 또 다른 특성은 고온에서의 연속적인 작동이 배터리의 수명을 줄이는 것입니다. 또한, 배터리를 평균 충전 시간 이상으로 충전하면 같은 일이 발생합니다.
이 니켈-철 배터리의 암페어-시간 효율과 와트-시간 효율은 각각 85%와 60%입니다. 4