Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Никель-водородный аккумулятор
Никель-водородный аккумулятор NASA.gif
Схема никель-водородного аккумулятора
Удельная энергия55-75 Вт · ч / кг [1] [2]
Плотность энергии~ 60 Вт · ч / л [2]
Удельная мощность~ 220 Вт / кг [3]
Эффективность заряда / разряда85%
Долговечность цикла> 20 000 циклов [4]

Батареи никель-водородные (NIH 2 или NiH 2 ) представляет собой перезаряжаемый источник питания Электрохимический на основе никеля и водорода . [5] Он отличается от никель-металлогидридной (NiMH) батареи тем, что в нем используется водород в газообразной форме, который хранится в герметичном элементе под давлением до 1200 фунтов на  квадратный дюйм (82,7  бар ). [6] Никель-водородная батарея была запатентована 25 февраля 1971 года Александром Ильичем Клоссом и Борисом Иоселевичем Центером в США. [7]

Элементы NiH 2, использующие 26% гидроксид калия (КОН) в качестве электролита , показали срок службы 15 лет или более при глубине разряда 80% (DOD) [8] Плотность энергии составляет 75  Втч / кг , 60 Втч / дм 3. [2] Удельная мощность 220 Вт / кг. [3] напряжение холостого хода составляет 1,55  В , среднее напряжение во время разряда составляет 1,25 В. [9]

Хотя плотность энергии составляет лишь около одной трети от плотности литиевой батареи , отличительным достоинством никель-водородной батареи является ее длительный срок службы: элементы выдерживают более 20 000 циклов зарядки [4] с энергоэффективностью 85% и 100% фарадеевской. эффективность .

Перезаряжаемые батареи NiH 2 обладают свойствами, которые делают их привлекательными для хранения энергии в спутниках [10] и космических зондах . Так , например, МКС , [11] Ртуть Коммуникатор , [12] Марс Одиссей [13] и Mars Global Surveyor [14] оснащены никель-водородных батарей. Космический телескоп Хаббла , когда его оригинальные батареи были изменены в мае 2009 года более чем 19 лет после запуска, во главе с наибольшим количеством циклов зарядки и разрядки любого NIH 2 [15] аккумулятор на низкой околоземной орбите . [16]

История [ править ]

Основная статья: История батареи § Никель-водородный и никель-металлогидридный

Разработка никель-водородной батареи началась в 1970 году на спутнике Comsat [17] и впервые была использована в 1977 году на борту спутника навигационных технологий ВМС США -2 (NTS-2). [18] В настоящее время основными производителями никель-водородных батарей являются Eagle-Picher Technologies и Johnson Controls, Inc.

Характеристики [ править ]

Никель-водородные батареи для Хаббла [19]

Никель-водородная батарея сочетает в себе положительный никелевый электрод никель-кадмиевой батареи и отрицательный электрод топливного элемента , включая катализатор и газодиффузионные элементы . Во время разряда водород, содержащийся в сосуде высокого давления, окисляется до воды, в то время как электрод с оксигидроксидом никеля восстанавливается до гидроксида никеля. Вода потребляется на никелевом электроде и образуется на водородном электроде, поэтому концентрация электролита гидроксида калия не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надежный индикатор состояния заряда. В одной батарее спутниковой связи давление при полной зарядке составляло более 500 фунтов / квадратный дюйм (3,4 МПа), а при полном разряде упало до 15 фунтов на квадратный дюйм (0,1 МПа).

Если ячейка чрезмерно заряжена, кислород, образующийся на никелевом электроде, вступает в реакцию с водородом, присутствующим в ячейке, и образует воду; как следствие, элементы могут выдерживать перезарядку до тех пор, пока выделяемое тепло может рассеиваться. [ сомнительно - обсудить ]

Недостатком элементов является относительно высокая скорость саморазряда, т.е. химическое восстановление Ni (III) до Ni (II) на катоде:

которое пропорционально давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% емкости может быть потеряно уже через несколько дней хранения. Саморазряд меньше при более низкой температуре.[1]

По сравнению с другими перезаряжаемыми батареями никель-водородная батарея обеспечивает хорошую удельную энергию 55-60 ватт-часов / кг и очень долгий срок службы (40 000 циклов при 40% DOD) и срок службы (> 15 лет) в спутниковых приложениях. Элементы могут выдерживать перезарядку и случайное изменение полярности, а давление водорода в элементе является хорошим индикатором состояния заряда. Однако газообразная природа водорода означает, что объемный КПД относительно низок (60-100 Вт · ч / л для ячейки IPV (индивидуальный сосуд высокого давления)), а высокое давление, необходимое для изготовления сосудов высокого давления, является дорогостоящим. [1]

Положительный электрод представляет собой спеченную [20] пористую никелевую пластину, содержащую гидроксид никеля . В отрицательном водородном электроде используется платиновый черный катализатор на тефлоновой связке при загрузке 7 мг / см2, а сепаратор представляет собой трикотажную ткань из диоксида циркония (ZYK-15 Zircar). [21] [22]

Сменные батареи Хаббла производятся методом мокрой суспензии, при котором связующий агент и порошковые металлические материалы формуются и нагреваются до кипения жидкости. [23]

Дизайн [ править ]

  • Конструкция индивидуального сосуда высокого давления (IPV) состоит из единого блока элементов NiH 2 в сосуде высокого давления. [24]
  • Конструкция обычного сосуда высокого давления (CPV) состоит из двух наборов ячеек NiH 2, соединенных последовательно в общем сосуде высокого давления. CPV обеспечивает немного более высокую удельную энергию, чем IPV.
  • Конструкция с одним сосудом высокого давления (SPV) объединяет до 22 последовательно соединенных ячеек в одном сосуде высокого давления.
  • Биполярная конструкция основана на использовании толстых электродов , соединенных положительным и отрицательным полюсами друг за другом в SPV. [25]
  • Конструкция ячейки с зависимым сосудом под давлением (DPV) обеспечивает более высокую удельную энергию и меньшую стоимость. [26]
  • Общий / зависимый резервуар высокого давления (C / DPV) представляет собой гибрид обычного резервуара высокого давления (CPV) и зависимого резервуара высокого давления (DPV) с высокой объемной эффективностью. [27]
  • Схемы

См. Также [ править ]

  • Список типов батарей
  • Список размеров батарей
  • Сравнение типов батарей
  • Никель-металлогидридная батарея
  • Соотношение мощности к весу
  • Сосуд под давлением
  • Хронология водородных технологий
  • Батареи в космосе

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Дэвид Линден, Томас Редди (ред.) Справочник по батареям, третье издание , McGraw-Hill, 2002 ISBN  0-07-135978-8 Глава 32, «Никель-водородные батареи»
  2. ^ a b c Энергетические системы космических аппаратов Стр.9
  3. ^ a b NASA / CR — 2001-210563 / PART2 -Pag.10 Архивировано 19 декабря 2008 г. в Wayback Machine.
  4. ^ a b Обновленная информация за пять лет: обзор никель-водородной промышленности
  5. ^ Упрощенная физическая модель никель-водородной батареи.
  6. ^ Практика обращения и хранения никель-водородных батарей космических аппаратов
  7. ^ Герметичный никель-водородный аккумулятор Патент США 3669744
  8. ^ Электролит гидроксида калия для долгосрочных никель-водородных геостационарных миссий.
  9. ^ Оптимизация подсистем электроснабжения космических аппаратов - Стр.40
  10. ^ Характеристики клеток Ni-H 2 для программ ИНТЕЛСАТ
  11. ↑ Проверка модели электрических характеристик Международной космической станции с помощью телеметрии на орбите. Архивировано 18 февраля 2009 г. на Wayback Machine.
  12. ^ http://www.nasa.gov/pdf/168019main_MESSENGER_71504_PressKit.pdf
  13. ^ Легкая высоконадежная система питания на одной батарее для межпланетных космических кораблей.
  14. ^ Mars Global Surveyor архивации 2009-08-10 в Wayback Machine
  15. ^ Космический телескоп Хаббл обслуживает батареи миссии 4
  16. ^ Влияние надежности NiH 2 на замену батареи космического телескопа Хаббл
  17. ^ «Технология никель-водородных аккумуляторов - Развитие и состояние» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 18 марта 2009 года . Проверено 29 августа 2012 .
  18. ↑ Характеристики никель-водородной батареи NTS-2 31 Архивировано 10 августа 2009 г., Wayback Machine
  19. ^ Космический телескоп Хаббл, обслуживающий Миссию 4 Батареи
  20. ^ Сравнение производительности NiH 2 ячеек с сухим агломератом и электродами из суспензии.
  21. ^ [1] Архивировано 17 августа 2008 г. в Wayback Machine .
  22. ^ Никель-водородные батареи
  23. ^ Космический телескоп Хаббл обслуживает батареи миссии 4
  24. ^ Никель-водородные батареи - обзор. Архивировано 12 апреля 2009 г. на Wayback Machine.
  25. ^ Разработка крупномасштабной биполярной батареи NiH 2 .
  26. ^ 1995 - зависимый сосуд высокого давления (DPV)
  27. ^ Никель-водородные батареи с общим / зависимым резервуаром под давлением

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Альберт Х. Циммерман (редактор), Принципы и практика использования никель-водородных батарей , The Aerospace Press, Эль-Сегундо, Калифорния. ISBN 1-884989-20-9 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Обзор конструкции, разработки и применения никель-водородных батарей
  • Имплантируемые никель-водородные батареи для биоэнергетики
  • Справочник НАСА по никель-водородным батареям
  • Никель-водородная батарея для наземных фотоэлектрических систем
  • Микро-никель-водородный аккумулятор с использованием методов толстопленочной печати.