Нікелево-залізний акумулятор або батарея Едісона: принцип роботи та характеристики
Який акумулятор стає все популярнішим з кожним днем, оскільки існує великий потенціал для розвитку, щоб перетворити його на акумулятор з високою енергетичною густиною для електромобілів? Відповідь буде Нікелевий-железний акумулятор або Едісонівський акумулятор. Одним словом, Ni-Fe акумулятор — це дуже надійний акумулятор. Цей акумулятор має високу стійкість до перевантаження, розрядження, короткого замикання тощо. Цей акумулятор може працювати однаково добре, навіть якщо його довго не заряджати. Через свою важку вагу, цей акумулятор використовується в тих застосуваннях, де вага акумулятора не має значення, наприклад, в системах сонячної енергії, в системах вітрової енергії тощо, як резервне джерело. Протяжність життя та довговічність нікелево-железного елемента набагато вища, ніж у свинцево-кислотного акумулятора, але, незважаючи на це, нікелевий-железний акумулятор втратив свою популярність через високі витрати на виробництво.
Подивимось на деякі специфічні характеристики нікелевого-железного (Ni-Fe) або Едісонівського акумулятора.
Цей акумулятор може мати здатність доставляти 30–50 кВт енергії на кг своєї ваги. Ефективність зарядження цього акумулятора становить приблизно 65%. Це означає, що 65% вхідної електричної енергії зберігається в цьому акумуляторі як хімічна енергія під час процесу зарядження. Ефективність розрядження становить приблизно 85%. Це означає, що акумулятор може доставляти 85% збереженої енергії до навантаження як електричну енергію, а решта витрачається через саморозряд акумулятора. Якщо акумулятор не використовується протягом 30 днів, він втратить лише 10–15% збереженої енергії через саморозряд. Нікелевий-железний акумулятор має значно більший термін служби, і він становить приблизно 30–100 років. Цей період набагато довший, ніж звичайний термін служби свинцево-кислотного акумулятора, який становить приблизно 10 років. Номінальний напруга на один нікелево-железний елемент становить 1,4 В.
Нікелевий-железний акумулятор
Основні компоненти, використані в нікелево-железному акумуляторі, — гідроксид нікеля(III) як катод, залізо як анод і гідроксид калію як електроліт. Ми додаємо сульфат нікеля і сульфід ферру до активного матеріалу.
Конструкція Едісонівських акумуляторів
Здатність Ne-Fe елемента залежить від розміру та кількості додатних та від'ємних пластин. Зовнішній вигляд як додатних, так і від'ємних пластин у цьому типі акумуляторних елементів однаковий. Обидві пластина складаються з прямокутної сітки, виконаної з нікелеваного заліза. Кожна з отворів сітки заповнена мілими перфорованими коробками з нікелеваної сталі.
Хоча обидві пластина виглядають однаково, вони містять різні активні матеріали. Перфоровані коробки з нікелеваної сталі додатних пластин містять суміш оксиду нікеля та подрібненого вуглецю, а деякі з від'ємних пластин містять мілі зерна оксиду заліза з мілим пилом вуглецю. У обох пластинах мілий пил вуглецю, змішаний з активними матеріалами, допомагає збільшити електричну провідність. Ми використовуємо 20% розчинену каустичну поташ як електроліт.
Нікелеване залізо використовується для виготовлення судна, що містить електроліт та електроди. Палички ебаніту розміщені між пластинами різних полярностей, щоб запобігти їх прямому контакту та короткому замиканню. Є ще одна особливість в конструкції Едісонівського акумулятора або нікелево-железного акумулятора, а саме, число від'ємних пластин на одну більше, ніж число додатних пластин, і ми електрично з'єднуємо останню від'ємну пластину з контейнером. Пластина однакової полярності сварюються до спільного ременя, і вони формують елемент, а поєднуючи кілька елементів, виготовляється акумулятор.
Робота нікелевих-железних акумуляторів
Ми вже знаємо, що основна робота нікелевого-железного акумулятора — це хімічна реакція всередині акумулятора, яка відома як електроліз. Електроліз — це ніщо інше, як хімічна реакція, яка відбувається, коли є потік, він може бути як причиною, так і результатом хімічної реакції. Хімія нікелево-железного елемента дуже складна, оскільки точна формула для додатного активного матеріалу ще не встановлена. Але якщо ми можемо припустити, що матеріал буде Ni(OH)3, то ми можемо пояснити це до певної міри. Під час зарядження, нікелевий компонент на додатних пластинах окислюється до нікелевого пероксиду. Процес зарядження змінює залізовий компонент на губчасте залізо на від'ємних пластинах.
У повністю зарядженому стані активний матеріал додатних пластин — гідроксид нікеля [Ni(OH)3], а в кишенях від'ємних пластин — залізо, Fe. Коли елемент передає струм до навантаження, активний матеріал додатних пластин змінюється з Ni(OH)3 на Ni(OH)2, а від'ємних пластин — з заліза на гідроксид ферру (Fe(OH)2). Електрохімічний процес в Едісонівському акумуляторі можна виразити рівнянням
Це рівняння виражає як явище зарядження, так і розрядження. Правий потік рівняння — це реакція явища розрядження, а лівий потік рівняння виражає явище зарядження. Реакція відбувається завдяки перенесенню електронів через зовнішній контур до додатної пластини під час розрядження. Є можливість відведення корозійних пар, які генеруються під час електролізу всередині акумулятора, тому не потрібно спеціальних заходів для монтажу елемента.
