Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Никель-железный аккумулятор
Никель-железные батареи Томаса Эдисона.jpg
Никель-железные батареи, произведенные в период с 1972 по 1975 год под маркой Exide, первоначально разработанные в 1901 году Томасом Эдисоном.
Удельная энергия19-25 [1] Вт · ч / кг
Плотность энергии30 [2] Вт · ч / л
Удельная мощность100 [3] Вт / кг
Эффективность заряда / разряда<65% [4]
Энергия / потребительская цена1,5 [2] - 6,6 [3] Вт · ч / долл. США
Скорость саморазряда20% [2] [3] - 30% [3] / месяц
Долговечность во времени30 [4] - 50 лет [2] [5]
Долговечность циклаПовторные глубокие разряды существенно не сокращают жизнь. [2] [4]
Номинальное напряжение ячейки1,2 В [3]
Температурный интервал зарядкимин. −40 ° C - макс. 46 ° C [6]
Томас Эдисон в 1910 году со своим никель-железным элементом из собственной производственной линии.

Железо-никелевый аккумулятор (батарея NiFe) представляет собой перезаряжаемый аккумулятор , имеющий никель (III) , оксид-гидроксид положительных пластин и железа отрицательные пластины, с электролитом из гидроксида калия . Активные материалы хранятся в стальных никелированных трубках или перфорированных карманах. Это очень прочный аккумулятор, устойчивый к неправильному обращению (перезаряд, переразряд и короткое замыкание) и может иметь очень долгий срок службы даже при таком обращении. [7]Он часто используется в ситуациях резервного копирования, когда он может непрерывно заряжаться и может работать более 20 лет. Из-за низкой удельной энергии, плохого удержания заряда и высокой стоимости производства другие типы аккумуляторных батарей вытеснили никель-железные батареи в большинстве приложений. [8]

Использует [ редактировать ]

Во многих железнодорожных транспортных средствах используются батареи NiFe. [9] [10] Некоторыми примерами являются лондонские подземные электровозы и вагон метро Нью-Йорка - R62A .

Эта технология снова стала популярной для приложений, не связанных с сетью, где ежедневная зарядка делает ее подходящей технологией . [11] [12] [13]

Никель-железные батареи исследуются для использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для производства водорода для автомобилей и хранилищ на топливных элементах . Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и при полной зарядке они производили бы водород. [14] [15] [16]

Прочность [ править ]

Способность этих батарей выдерживать частые циклы работы обусловлена ​​низкой растворимостью реагентов в электролите. Образование металлического железа во время загрузки происходит медленно из-за низкой растворимости гидроксида двухвалентного железа . Хотя медленное образование кристаллов железа сохраняет электроды, оно также ограничивает высокую производительность: эти элементы заряжаются медленно и могут только медленно разряжаться. [7] Никель-железные элементы не следует заряжать от источника постоянного напряжения, так как они могут быть повреждены из-за теплового разгона ; внутреннее напряжение элемента падает, когда начинается выделение газа, повышая температуру, что увеличивает потребляемый ток и, таким образом, еще больше увеличивает выделение газа и температуру.

Электрохимия [ править ]

Реакция Полуэлемент на положительной пластине из черного никеля (III) , оксид-гидроксид NiO (OH) , до зеленого никеля (II) , гидроксид Ni (OH) 2  :

2 NiO (OH) + 2 H 2 O + 2 e - ↔ 2 Ni (OH) 2 + 2 OH -

а на отрицательной пластине:

Fe + 2 OH - ↔ Fe (OH) 2 + 2 e -

(Разрядка читается слева направо, зарядка - справа налево.) [17]

Напряжения холостого хода составляет 1,4 вольт, сбрасывают до 1,2 вольт при разряде. [7] В качестве электролита смесь гидроксида калия и гидроксида лития не расходуется в зарядки или разрядки, так что в отличие от свинцово-кислотной батареи удельная электролита силы тяжести не указывает состояние заряда. [7] Напряжение, необходимое для зарядки NiFe-аккумулятора, равно или превышает 1,6 В на элемент. [18] Включение гидроксида лития улучшает характеристики элемента. Напряжение выравнивающего заряда составляет 1,65 В.

История [ править ]

Смотрите также: История батареи

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею в 1899 году. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных пропорциях, включая 100% железо. Jungner обнаружил , что основное преимущество над химией никель-кадмиевой была стоимостью, но из - за низкую эффективность реакции зарядки и более выраженного образование водорода (газообразование), то никель - железо технология была обнаружена желанием и отказалась. У Юнгнера было несколько патентов на железную версию своей батареи (шведский патент № 8.558 [ постоянная мертвая ссылка ] / 1897, 10.177 / 1899, 11.132 / 1899,11.487 / 1899 и Патент Германии No 110.210 / 1899). Кроме того, у него был один патент на NiCd аккумулятор: Swed.pat № 15.567 / 1899. [19]

Компания по хранению аккумуляторов Эдисона

В 1901 году Томас Эдисон запатентовал и коммерциализировал NiFe в Соединенных Штатах и ​​предложил его в качестве источника энергии для электромобилей , таких как Detroit Electric и Baker Electric . Эдисон утверждал, что никель-железная конструкция «намного превосходит батареи с использованием свинцовых пластин и кислоты» ( свинцово-кислотные батареи ). [20] У Эдисона было несколько патентов: патент США 678722/1901 , патент США 692507/1902 и патент Германии № 157.290/1901. [19]

Эдисон был разочарован тем, что его аккумулятор не был принят для запуска двигателей внутреннего сгорания, и что электромобили были сняты с производства всего через несколько лет после того, как его аккумулятор был представлен. Он разработал аккумуляторную батарею для электромобилей , которые были предпочтительным видом транспорта в начале 1900-х годов (за которыми следовали бензин и пар). Батареи Эдисона имели значительно более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, которые использовались в то время, и их можно было заряжать вдвое быстрее; однако они плохо работали при низких температурах и были более дорогими.

Работа Юнгнера была в значительной степени неизвестна в США до 1940-х годов, когда там начали производство никель-кадмиевых батарей. Никель-железная батарея на 50 вольт была основным источником питания постоянного тока в немецкой ракете Фау-2 времен Второй мировой войны , вместе с двумя батареями на 16 вольт, которые питали четыре гироскопа (генераторы с турбинным приводом обеспечивали переменный ток для сервомеханизмов, управляемых магнитным усилителем ). Меньшая версия использовалась в летающей бомбе Фау-1 . (а именно чертежи операции "Обратный огонь" 1946 года .)

Батареи Эдисона производились с 1903 по 1972 год компанией Edison Storage Battery Company в Вест-Ориндж, штат Нью-Джерси . В 1972 году компания по производству аккумуляторов была продана Exide Battery Corporation, которая прекратила выпуск продукта в 1975 году. Аккумулятор широко использовался для железнодорожной сигнализации, вилочных погрузчиков и резервных источников питания .

Изготовлены никель-железные элементы емкостью от 5 до 1250 Ач. Многие из первоначальных производителей больше не производят никелевые железные элементы [7], но производство новых компаний началось в нескольких странах.

Три группы пластин внутри современной никель-железной батареи

Тарелки [ править ]

Активный материал пластин батареи содержится в ряде заполненных трубок или карманов, надежно закрепленных в поддерживающей и проводящей раме или решетке. Опора находится в хорошем электрическом контакте с трубками. Сетка представляет собой легкий каркас-каркас, штампованный из тонколистовой стали, с армирующей шириной вверху. Решетки, а также все другие внутренние металлические поверхности никелированы для предотвращения коррозии. Элементы должны оставаться покрытыми электролитом; если они высыхают, отрицательные пластины окисляются и требуют очень длительного заряда. [18]

Элементы никелево-железного (NiFe) элемента

Активный материал положительных пластин представляет собой гидрат никеля . Держатели трубок изготовлены из тонкой стальной ленты, мелко перфорированной и никелированной, около 4 дюймов в длину и 1/4 дюйма и 1/8 дюйма. в диаметре. Лента намотана по спирали, с нахлестанными швами, а трубки усилены с интервалом примерно 1/2 дюйма небольшими стальными кольцами. В эти трубки загружают гидрат никеля и чистый чешуйчатый никель тонкими чередующимися слоями (примерно 350 слоев каждого на трубку) и плотно набивают или утрамбовывают. Цель чешуйчатого никеля - обеспечить хороший контакт между гидратом никеля и трубками и тем самым обеспечить проводимость. Трубки, когда они заполнены и закрыты, затем устанавливаются вертикально в решетки. [18]

Положительная пластина заполнена гидратом никеля.

Активный материал отрицательных пластин - оксид железа . Удерживающие карманы изготовлены из тонкой перфорированной никелированной стали прямоугольной формы, шириной 1/2 дюйма, длиной 3 дюйма и максимальной толщиной 1/8 дюйма. Оксид железа в виде мелкодисперсного порошка плотно утрамбовывается в эти карманы, после чего они устанавливаются в решетки. После монтажа их прижимают, заставляя плотно прилегать к сеткам. Это гофрирует стороны карманов, чтобы обеспечить пружинный контакт кармана с активным материалом. [18]

Активный материал отрицательных пластин оксид железа.

Плата [ править ]

Заряд / разряд предполагает перенос кислорода от одного электрода к другому (от одной группы пластин к другой). Поэтому клетки этого типа иногда называют кислородными. В заряженном элементе активный материал положительных пластин переокислен, а материал отрицательных пластин находится в губчатом или восстановленном состоянии. [18]

Если нормальная емкость элемента недостаточна, можно использовать короткие заряды с повышенной скоростью при условии, что температура электролита не превышает 115˚F / 46˚C. Эти короткие заряды очень эффективны и не причиняют вреда. Скорость заряда, в три раза превышающая нормальную скорость заряда (определяемая как C, ток, равный номинальной емкости батареи, деленной на 1 час), можно использовать в течение 30 минут. [18]

Полная зарядка элемента NiFe занимает семь часов при нормальной скорости. В процессе эксплуатации размер начисленного заряда зависит от объема предыдущего разряда. Например, аккумулятор, разряженный наполовину, позволяет зарядить его за 3,5 часа по нормальному тарифу. Избыточный заряд приводит к потере тока и быстрому испарению воды из электролита.

Для постепенного уменьшения заряда необходимо поддерживать в среднем 1,67 вольт на выводах элементов во время заряда. Текущее значение в начале заряда зависит от электрического сопротивления . При отсутствии сопротивления стартовая скорость будет примерно вдвое выше нормальной, а скорость финиша - примерно 40% от нормальной. [18]

Выписка [ править ]

При разряде положительные пластины восстанавливаются («раскисляются»); кислород с его естественным сродством к железу направляется к отрицательным пластинам, окисляя их. Допускается непрерывный разряд с любой скоростью до 25% выше нормы и на короткие периоды с частотой до шести раз выше нормы. Когда скорость разряда превышает это значение, произойдет аномальное падение напряжения. [18]

Электролит [ править ]

Электролит не входит в химическую комбинацию для выполнения функций ячейки, действуя как конвейер. Его удельный вес не изменяется во время зарядки и разрядки, кроме испарения и изменения температуры. Допускается значительное изменение удельного веса, влияющее только на эффективность батареи. [18]

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Никель-железные батареи не содержат свинца или кадмия, как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, которые требуют обращения как опасные материалы .

См. Также [ править ]

  • Список типов батарей
  • Список размеров батарей
  • Сравнение типов батарей
  • Никель-цинковая батарея

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Плотность энергии от испытаний NREL Железным Эдисоном" (PDF) . Проверено 25 марта 2014 года .
  2. ^ a b c d e Описание китайской никель-железной батареи от BeUtilityFree [ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ a b c d e mpoweruk.com: Сравнение аккумуляторов и батарей (pdf)
  4. ^ a b c Mpower: Никель-железные батареи
  5. ^ «Никель-железные батареи. Часто задаваемые вопросы» BeUtilityFree
  6. ^ Резервное копирование веб-архива:оригинальная инструкция по эксплуатации Edison Battery Booklet для батареи Edison.
  7. ^ a b c d e Дэвид Линден, Томас Б. Редди (ред). Справочник батарей, 3-е издание , Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2002 ISBN 0-07-135978-8 , глава 25 
  8. ^ Ian Сутер (1 июля 2010). "Домашняя страница Ассоциации Никель-Железных Батарей" . Проверено 30 октября 2011 года .
  9. ^ "Систематический дизайн автономного гибридного локомотива | EUrailmag" . eurailmag.com. Архивировано из оригинального 17 августа 2018 года . Проверено 17 апреля 2013 года .
  10. ^ "Magma # 10 Project" . azrymuseum.org. 15 мая 2012 . Проверено 17 апреля 2013 года .
  11. ↑ Выпуск новостей Матери-Земли # 62 - март / апрель 1980 г.
  12. ^ http://www.nickel-iron-battery.com/
  13. ^ Главная Питание Magazine Issue # 80 декабря 2000 / январь 2001
  14. ^ FM Mulder и др.: Эффективное накопление электроэнергии с помощью баттолизера, интегрированной Ni-Fe-батареи и электролизера . Энергетика и экология . 2017, ‹см. Тфд› doi : 10.1039 / C6EE02923J
  15. ^ Вероник Амстутц и др.: Производство возобновляемого водорода из двухконтурной проточной окислительно-восстановительной батареи . Энергетика и экология . 2014, 2350-2358, ‹см. Tfd› doi : 10.1039 / C4EE00098F
  16. ^ http://news.stanford.edu/pr/2012/pr-ultrafast-edison-battery-062612.html
  17. ^ Электрохимия Ячейка Эдисона (железо-никелевая батарея) - Модель
  18. ^ a b c d e f g h i "Практическое руководство по использованию аккумуляторных батарей" (PDF) . Комитет по аккумуляторным батареям . Ассоциация осветительных компаний Эдисона. Архивировано из оригинального (PDF) 4 июля 2012 года . Проверено 5 июля 2012 года .
  19. ^ a b Журнал источников энергии, 12 (1984). С. 177–192.
  20. ^ Десмонд, Кевин (2016). Новаторы в аккумуляторных технологиях: профили 93 влиятельных электрохимиков . McFarland & Co. стр. 65. ISBN 9780786499335.