Bateria niklowo-żelazna lub bateria Edisona Działanie i cechy

Która bateria staje się coraz popularniejsza z dnia na dzień, ponieważ istnieje ogromny potencjał rozwoju, aby przekształcić baterię w baterię o wysokiej gęstości energii dla pojazdów elektrycznych? Odpowiedzią jest Bateria niklu-żelaza lub Bateria Edisona. W jednym słowie, Ni-Fe bateria to bardzo solidna bateria. Ta bateria ma bardzo dużą tolerancję na przeciążanie, nadmierny rozładowywanie, zwarcia itp. Ta bateria może równie dobrze wykonywać swoją funkcję, nawet jeśli nie będziemy jej ładować przez długi czas. Ze względu na swoją dużą wagę, ta bateria jest używana w tych aplikacjach, gdzie waga baterii nie ma znaczenia, na przykład w systemie energii słonecznej, w systemie energii wiatrowej, itp. jako zapasowe. Wytrzymałość i długość życia komórki niklu-żelaza jest znacznie wyższa niż baterii kwasowo-ołowiowej, ale mimo to bateria niklu-żelaza straciła na popularności ze względu na wysoki koszt produkcji.

Przyjrzyjmy się niektórym specyficznym cechom baterii niklu-żelaza (Ni-Fe) lub Baterii Edisona.

Ta bateria może dostarczyć od 30 do 50 kW energii na kilogram swojej wagi. Efektywność ładowania tej baterii wynosi około 65%. To oznacza, że 65% wprowadzonej energii elektrycznej zostaje przechowane w tej baterii jako energia chemiczna podczas procesu ładowania. Efektywność rozładowania wynosi około 85%. To oznacza, że bateria może dostarczyć 85% przechowanej energii do obciążenia jako energię elektryczną, a reszta ulega samorozładowaniu baterii. Jeśli bateria pozostanie nieużywana przez 30 dni, straci tylko 10% do 15% przechowanej energii z powodu samorozładowania. Bateria niklu-żelaza ma znacznie dłuższy okres użytkowania, który wynosi od 30 do 100 lat. Ten okres jest znacznie dłuższy niż normalny okres użytkowania baterii kwasowo-ołowiowej, który wynosi około dziesięciu lat. Nominalne napięcie na komórkę niklu-żelaza wynosi 1,4 V.

Bateria Niklu-Żelaza

Podstawowe składniki używane w Baterii Niklu-Żelaza to hydroksyd niklu(III) jako katoda, żelazo jako anoda i wodorotlenek potasu jako elektrolit. Dodajemy siarczan niklu i siarczan żelaza do materiału aktywnego.

Konstrukcja Baterii Edisona

Pojemność komórki Ni-Fe zależy od rozmiaru i liczby płyt dodatnich i ujemnych. Wygląd zarówno płyt dodatnich, jak i ujemnych w tego typu komórkach baterii jest taki sam. Oba rodzaje płyt składają się z prostokątnych krat wykonanych z blachy żelaza pokrytej niklem. Każda z otworów w siatce jest wypełniona płytkimi, drobno perforowanymi skrzynkami z blachy stalowej pokrytej niklem.

Chociaż oba rodzaje płyt wyglądają tak samo, zawierają one różne materiały aktywne. Perforowane skrzynki z blachy stalowej pokrytej niklem, które są częścią płyt dodatnich, zawierają mieszankę tlenku niklu i mielonego węgla, a niektóre płyty ujemne zawierają drobne ziarna tlenku żelaza z drobnym pyłem węgla. W obu płytach, drobny pył węgla, zmieszany z materiałami aktywnymi, pomaga zwiększyć przewodność elektryczną. Używamy 20% rozcieńczonego potasu sodowego jako elektrolitu.

Blacha żelazna pokryta niklem służy do tworzenia naczynia zawierającego elektrolit i elektrody. Patyki z ebonitu są umieszczane między płytami o różnej polarności, aby zapobiec ich bezpośredniemu kontaktowi i powstaniu zwarcia. Jest jeszcze jedna specyfika w konstrukcji Baterii Edisona lub Baterii Niklu-Żelaza, polega ona na tym, że liczba płyt ujemnych jest o jedną większa niż liczba płyt dodatnich, a ostatnią płytę ujemną łączymy elektrycznie z pojemnikiem. Płyty o tej samej polarności są spawane do wspólnego pasa, tworząc komórkę, a połączenie kilku komórek tworzy baterię.

Działanie Baterii Niklu-Żelaza

Wiemy już, że główne działanie baterii niklu-żelaza to reakcja chemiczna wewnątrz baterii, która nazywana jest elektrolizą. Elektroliza to nic innego jak reakcja chemiczna zachodząca, gdy występuje prąd, może być zarówno przyczyną, jak i rezultatem reakcji chemicznej. Chemia komórki niklu-żelaza jest bardzo skomplikowana, ponieważ dokładna formuła dla materiału aktywnego dodatniego nie jest jeszcze dobrze ustalona. Ale jeśli możemy założyć, że materiał ten to Ni(OH)3, możemy to w pewnym stopniu wyjaśnić. Podczas ładowania, związek niklu na płytach dodatnich ulega utlenieniu do peroxylu niklu. Proces ładowania zmienia związek żelaza na gąbczaste żelazo na płytach ujemnych.

W pełnym stanie naładowania materiał aktywny płyt dodatnich to hydroksyd niklu [Ni(OH)3], podczas gdy w kieszeniach płyt ujemnych jest żelazo, Fe. Gdy komórka dostarcza prąd do obciążenia, materiał aktywny płyt dodatnich zmienia się z Ni(OH)3 na Ni(OH)2, a materiał aktywny płyt ujemnych zmienia się z żelaza na hydroksyd ferrowy (Fe(OH)2). Proces elektrochemiczny w Baterii Edisona można wyrazić równaniem

Równanie wyraża zarówno zjawisko ładowania, jak i rozładowania. Strumień prawy równania to reakcja zjawiska rozładowania, a strumień lewy równania wyraża zjawisko ładowania. Reakcja zachodzi poprzez transfer elektronów przez zewnętrzny obwód do płyty dodatniej podczas rozładowania. Istnieje możliwość odprowadzania korodujących oparów, które powstają podczas elektrolizy wewnątrz baterii, więc nie wymagana jest specjalna obsługa montażu komórki.

Cechy Baterii Niklu-Żelaza

Napięcie EMF w pełnym stanie naładowania Baterii Edisona wynosi 1,4 V. Średnie napięcie rozładowania wynosi około 1,2 V, a średnie napięcie ładowania wynosi około 1,7 V na komórkę. Cechy tego typu baterii przedstawiono poniżej na rysunku.

Charakterystyka napięcia Baterii Niklu-Żelaza jest podobna do charakterystyki komórki kwasowo-ołowiowej.