Pin nickel sắt hoặc Pin Edison: Nguyên lý hoạt động và Đặc điểm

Pin loại nào pin đang trở nên phổ biến ngày càng nhiều khi có tiềm năng phát triển để chuyển đổi pin thành pin mật độ năng lượng cao cho xe điện? Câu trả lời sẽ là Pin Niken Sắt hoặc Pin Edison. Trong một từ, Pin Ni-Fe là một loại pin rất chắc chắn. Loại pin này có khả năng chịu đựng rất cao đối với việc sạc quá mức, xả quá mức, ngắn mạch, v.v. Pin này có thể hoạt động tốt ngay cả khi chúng ta không sạc pin trong thời gian dài. Do trọng lượng nặng, loại pin này được sử dụng trong các ứng dụng mà trọng lượng của pin không quan trọng, ví dụ như trong hệ thống năng lượng mặt trời, trong hệ thống năng lượng gió, v.v. như một nguồn dự phòng. Độ bền và tuổi thọ của pin niken sắt cao hơn nhiều so với pin axit-chì, nhưng dù vậy, pin niken sắt đã mất đi sự phổ biến do chi phí sản xuất cao.

Hãy cùng xem xét một số đặc điểm cụ thể của pin niken sắt (Ni-Fe) hoặc pin Edison.

Loại pin này có thể cung cấp năng lượng từ 30 đến 50 kW trên mỗi kg trọng lượng. Hiệu suất sạc của pin này khoảng 65%. Điều đó có nghĩa là 65% năng lượng điện đầu vào được lưu trữ dưới dạng năng lượng hóa học trong quá trình sạc. Hiệu suất xả khoảng 85%. Điều đó có nghĩa là pin có thể cung cấp 85% năng lượng đã lưu trữ cho tải dưới dạng năng lượng điện và phần còn lại bị xả do tự xả. Nếu pin được giữ không sử dụng trong 30 ngày, nó chỉ mất 10% đến 15% năng lượng đã lưu trữ do tự xả. Pin niken sắt có tuổi thọ rất dài, khoảng 30 đến 100 năm. Thời gian này dài hơn nhiều so với tuổi thọ bình thường của pin axit-chì, khoảng mười năm. Điện áp định mức mỗi tế bào niken sắt là 1,4 V.

Pin Niken Sắt

Các thành phần cơ bản được sử dụng trong pin niken sắt bao gồm hydroxit niken(III) làm cực dương, sắt làm cực âm và hydroxit kali làm điện giải. Chúng ta thêm sulfat niken và sulfide ferrous vào vật liệu hoạt động.

Xây dựng Pin Edison

Dung lượng của tế bào Ne-Fe phụ thuộc vào kích thước và số lượng các tấm cực dương và cực âm. Hình dạng của cả hai tấm cực dương và cực âm trong loại tế bào pin này là giống nhau. Cả hai tấm đều bao gồm lưới hình chữ nhật làm bằng sắt mạ niken. Mỗi lỗ lưới được lấp đầy bằng hộp thép mạ niken nông và có lỗ nhỏ.

Mặc dù cả hai tấm trông giống nhau, chúng chứa các vật liệu hoạt động khác nhau. Các hộp thép mạ niken có lỗ của tấm cực dương chứa hỗn hợp oxit niken và cacbon xay nhuyễn, và một số tấm cực âm chứa hạt nhỏ của oxit sắt với bụi cacbon mịn. Trong cả hai tấm, bụi cacbon mịn, trộn với vật liệu hoạt động, giúp tăng điện dẫn. Chúng ta sử dụng 20% kali ăn da pha loãng làm điện giải.

Sắt mạ niken được sử dụng để làm vỏ chứa điện giải và điện cực. Các que ebonite được đặt giữa các tấm có cực tính khác nhau để ngăn chúng tiếp xúc trực tiếp và gây ra ngắn mạch. Có một đặc điểm khác trong xây dựng pin Edison hoặc pin niken sắt, đó là số lượng tấm cực âm nhiều hơn một so với số lượng tấm cực dương, và chúng ta kết nối điện cực âm cuối cùng với vỏ. Các tấm cùng cực tính được hàn vào một dải chung, và chúng tạo thành một tế bào, và bằng cách kết hợp nhiều tế bào, pin được xây dựng.

Cách hoạt động của Pin Niken Sắt

Chúng ta đã biết rằng hoạt động chính của pin niken sắt là phản ứng hóa học bên trong pin, được gọi là điện phân. Điện phân không gì khác ngoài phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện, nó có thể là nguyên nhân và kết quả của phản ứng hóa học. Hóa học của tế bào niken sắt rất phức tạp vì công thức chính xác cho vật liệu hoạt động cực dương chưa được thiết lập rõ ràng. Nhưng nếu chúng ta giả sử vật liệu là Ni(OH)3, thì chúng ta có thể giải thích nó ở mức độ nào đó. Trong quá trình sạc, hợp chất niken ở cực dương được oxy hóa thành peroxide niken. Quá trình sạc chuyển đổi hợp chất sắt thành sắt xốp ở cực âm.

Trong điều kiện sạc đầy, vật liệu hoạt động của cực dương là hydroxit niken [Ni(OH)3], trong khi đó ở túi cực âm là sắt, Fe. Khi tế bào cung cấp dòng điện cho tải, vật liệu hoạt động của cực dương thay đổi từ Ni(OH)3 sang Ni(OH)2 và cực âm thay đổi từ sắt sang hydroxit ferrous (Fe(OH)2). Quá trình điện hóa trong pin Edison có thể được biểu diễn bằng phương trình

Phương trình này thể hiện cả hiện tượng sạc và xả. Dòng bên phải của phương trình là phản ứng của hiện tượng xả, và dòng bên trái của phương trình thể hiện hiện tượng sạc. Phản ứng xảy ra thông qua việc chuyển electron qua mạch ngoại vi đến cực dương trong quá trình xả. Có cơ chế để thoát hơi ăn mòn được tạo ra trong quá trình điện phân bên trong pin, vì vậy không cần chăm sóc đặc biệt khi lắp đặt tế bào.

Đặc điểm của Pin Niken Sắt

Điện thế của pin Edison khi sạc đầy là 1,4 V. Điện áp xả trung bình là khoảng 1,2 V và điện áp sạc trung bình là khoảng 1,7 V mỗi tế bào. Đặc điểm của loại pin này được hiển thị dưới đây trong hình vẽ.

Đặc điểm điện áp của pin niken sắt tương tự như của tế bào axit-chì. Khi điện áp sạc đầy là 1,4 V và nó giảm dần xuống 1,3 V và sau đó rất chậm đến 1,1 hoặc 1,0 V trong quá trình xả. Từ đồ thị, chúng ta có thể thấy không có giới hạn thấp cho điện áp xả vượt quá đó, năng lượng đầu ra của pin sẽ là không. Vì vậy, sau một thời gian nhất định, pin sẽ ngừng cung cấp năng lượng. Điện thế của pin tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nghĩa là điện thế của pin tăng khi nhiệt độ tăng.
Thời gian sạc trung bình của pin là 7 giờ và thời gian xả là 5 giờ. Một đặc điểm khác của pin Edison là hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ của pin, điều tương tự xảy ra nếu pin được sạc vượt quá thời gian sạc trung bình.
Hiệu suất ampe-giờ và watt-giờ của pin niken sắt lần lượt là 85% và 60%. Tại nhiệt độ 4oC, dung lượng của pin Edison giảm về không, vì vậy pin cần được làm nóng trước khi hoạt động, mặc dù trong quá trình hoạt động, tổn thất I2R giữ cho pin nóng và hoạt động.