Nikel Demir Pil veya Edison Pilinin Çalışma Prensibi ve Özellikleri

Hangi pil, elektrikli araçlar için yüksek enerji yoğunluğuna sahip pil haline getirilebileceği için gün geçtikçe daha popüler hale geliyor? Cevap, Nikel Demir Pil veya Edison Pil olabilir. Tek bir kelimeyle, Ni-Fe pil çok dayanıklı bir pildir. Bu pil, aşırı şarj, aşırı boşaltma, kısa devre vb. durumlara karşı çok yüksek bir tolerans gösterir. Bu pil, uzun süre şarj edilmesede eşit performans gösterebilir. Ağırlığı nedeniyle, bu pil, pilin ağırlığının önemli olmadığı uygulamalarda kullanılır, örneğin, güneş enerji sistemi, rüzgar enerji sistemi vb. gibi yedek olarak. Nikel demir hücrenin dayanıklılık ve ömrü, kurşun asit pil'den çok daha yüksektir, ancak yine de, yüksek üretim maliyeti nedeniyle nikel demir pil popülerliğini kaybetmiştir.

Şimdi nikel-demir (Ni-Fe) veya Edison pilinin bazı özel özelliklerine bakalım.

Bu pil, kilosu başına 30 ila 50 kW enerji verme kapasitesine sahip olabilir. Bu pilin şarj etkinliği yaklaşık %65'tir. Bu, girdi elektrik enerjisinin %65'inin pilin şarj sürecinde kimyasal enerji olarak depolandığı anlamına gelir. Boşaltma etkinliği yaklaşık %85'tir. Bu, pilin depolanan enerjinin %85'ini yük olarak elektrik enerjisi olarak teslim edebileceğini ve geri kalanının pilin kendiliğinden boşalması nedeniyle boşaltılacağını ifade eder. Eğer pil 30 gün boyunca kullanılmazsa, kendiliğinden boşalma nedeniyle depolanan enerjisinin sadece %10 ila %15'ini kaybedecektir. Nikel Demir pilin ömrü oldukça uzundur ve yaklaşık 30 ila 100 yıl arasındadır. Bu süre, normalde yaklaşık on yıl olan kurşun asit pil'in ömründen çok daha uzundur. Nominal gerilim değeri, her bir nikel demir hücre için 1.4 V'dir.

Nikel Demir Pili

Nikel demir pilde kullanılan temel bileşenler, katot olarak nikel(III) hidroksit, anot olarak demir ve elektrolit olarak potasyum hidroksittir. Aktif maddeye nikel sülfat ve ferros sülfür eklenir.

Edison Batterilerinin Yapısı

Ne-Fe hücrenin kapasitesi, pozitif ve negatif plakaların büyüklüğüne ve sayısına bağlıdır. Bu tür pil hücrelerinde, hem pozitif hem de negatif plakaların görünümü aynıdır. Her iki plaka da nikel kaplı demirden yapılmış dikdörtgen bir ızgara içerir. Her bir ızgara deliği, ince delikli nikel kaplı çelik kutu ile doldurulmuştur.

Her iki plakanın görünümü aynı olsa da, farklı aktif maddeler içerir. Pozitif plakaların ince delikli nikel kaplı çelik kutuları, nikel oksidin ve tozlaştırılmış karbonun karışımı içermektedir, ve bazı negatif plakalar, ince karbon tozuyla karıştırılmış demir oksidin ince taneciklerini içerir. Her iki plakada, aktif malzemelerle karıştırılan ince karbon tozu, elektriksel iletkenliği artırmaya yardımcı olur. Elektrolit olarak %20 seyreltilmiş alkol potaş kullanıyoruz.

Elektrolit ve elektrotları içeren kap, nikel kaplı demirden yapılır. Ebenit çubuklar, farklı polaritedeki plakalar arasında yerleştirilerek doğrudan temasını önler ve kısa devreye neden olmayı engeller. Edison pilinin yapısı veya nikel demir pilinin yapısında, negatif plakaların sayısı pozitif plakaların sayısından bir fazla olup, son negatif plaka kap ile elektriksel olarak bağlanır. Aynı polardaki plakalar, ortak bir bant ile birleştirilir ve bir hücre oluşturur, birkaç hücre birleştirilerek pil oluşturulur.

Nikel Demir Pilinin İşlemi

Zaten nikel-demir pilinin ana işlemi, pil içinde gerçekleşen kimyasal reaksiyon olan elektrolizdir. Akım akışı olduğunda gerçekleşen kimyasal reaksiyondur, bu reaksiyon hem neden hem de sonuç olabilir. Nikel-demir hücrenin kimyası çok karmaşıktır çünkü pozitif aktif malzemenin tam formülü henüz iyi belirlenmemiştir. Ancak, malzemenin Ni(OH)3 olduğunu varsayarsak, bu konuyu bir miktar açıklayabiliriz. Şarj sırasında, pozitif plakalardaki nikel bileşiği nikel peroksitle okside edilir. Şarj süreci, negatif plakalardaki demir bileşiklerini sponji demire dönüştürür.

Tamamen şarj edilmiş durumda, pozitif plakaların aktif maddesi nikel hidroksit [Ni(OH)3], negatif plakanın ceplerindeki aktif madde ise demir, Fe'dir. Hücre yüküne akım sağladığında, pozitif plakanın aktif maddesi Ni(OH)3’ten Ni(OH)2’ye, negatif plakanın aktif maddesi ise demirden ferros hidroksit (Fe(OH)2)’e değişir. Edison pilinde gerçekleşen elektrokimyasal süreç, aşağıdaki denklemle ifade edilebilir

Denklem, hem şarj hem de boşaltma fenomenlerini ifade eder. Denklemin sağ tarafındaki akış, boşaltma fenomeninin reaksiyonunu, sol tarafındaki akış ise şarj fenomeninin reaksiyonunu ifade eder. Boşaltma sırasında dış devredeki elektronların transferi ile reaksiyon gerçekleşir. Elektroliz sırasında pilin içinde oluşacak koruyucu buharın salınmasına imkan tanılmıştır, bu nedenle hücrenin montajında özel bir dikkat gerekmektedir.

Nikel Demir Pilinin Özellikleri

Tamamen şarj edilmiş bir Edison pilinin emfi 1.4 V'dir. Ortalama boşaltma gerilimi yaklaşık 1.2 V ve ortalama şarj gerilimi hücre başına yaklaşık 1.7 V'dir. Bu tür pilin özellikleri, aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

Nikel Demir pilinin gerilim özellikleri, kurşun asit hücresinin gerilim özelliklerine benzerdir. Tamamen şarj edilmiş emfi 1.4 V'dir ve yavaşça 1.3 V'ye, ardından çok yavaşça 1.1 veya 1.0 V'ye düşer. Grafikten, boşaltma emfinin sıfır olduğu bir alt sınır olmadığını görebiliriz. Bu nedenle, belirli bir süre sonra pil herhangi bir çıktı vermeyi bırakır. Bir pilin emfi, sıcaklıkla doğru orantılıdır, bu da pilin emfinin sıcaklık arttıkça arttığını ifade eder.
Pilin ortalama şarj süresi 7 saat, boşaltma süresi 5 saattir. Edison pilinin başka bir özelliği, daha yüksek sıcaklıklarda sürekli çalışmanın pilin ömrünü azaltmasıdır. Aynı