Схема никель-водородного аккумулятора | |
Удельная энергия | 55-75 Вт · ч / кг [1] [2] |
---|---|
Плотность энергии | ~ 60 Вт · ч / л [2] |
Удельная мощность | ~ 220 Вт / кг [3] |
Эффективность заряда / разряда | 85% |
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 ]
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-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
]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, а также очень длительный 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 состоит из спеченной [20] пористой никелевой пластины, содержащей 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]
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 ]
- ^ 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»
- ^ a b c Энергетические системы космических аппаратов Стр.9
- ^ a b NASA / CR — 2001-210563 / PART2 -Pag.10 Архивировано 19 декабря 2008 г. в Wayback Machine.
- ^ a b Обновленная информация за пять лет: обзор никель-водородной промышленности
- ^ Упрощенная физическая модель никель-водородной батареи.
- ^ Практика обращения и хранения никель-водородных батарей космических аппаратов
- ^ Герметичный никель-водородный аккумулятор Патент США 3669744
- ^ Электролит гидроксида калия для долгосрочных никель-водородных геостационарных миссий.
- ^ Оптимизация подсистем электроснабжения космических аппаратов - Стр.40
- ^ Характеристики клеток Ni-H 2 для программ ИНТЕЛСАТ
- ↑ Проверка модели электрических характеристик Международной космической станции с помощью телеметрии на орбите. Архивировано 18 февраля 2009 г. на Wayback Machine.
- ^ http://www.nasa.gov/pdf/168019main_MESSENGER_71504_PressKit.pdf
- ^ Легкая высоконадежная система питания на одной батарее для межпланетных космических кораблей.
- ^ Mars Global Surveyor архивации 2009-08-10 в Wayback Machine
- ^ Космический телескоп Хаббл обслуживает батареи миссии 4
- ^ Влияние надежности NiH 2 на замену батареи космического телескопа Хаббл
- ^ «Технология никель-водородных аккумуляторов - Развитие и состояние» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 18 марта 2009 года . Проверено 29 августа 2012 .
- ↑ Характеристики никель-водородной батареи NTS-2 31 Архивировано 10 августа 2009 г., Wayback Machine
- ^ Космический телескоп Хаббл, обслуживающий Миссию 4 Батареи
- ^ Сравнение производительности NiH 2 ячеек с сухим агломератом и электродами из суспензии.
- ^ [1] Архивировано 17 августа 2008 г. в Wayback Machine .
- ^ Никель-водородные батареи
- ^ Космический телескоп Хаббл обслуживает батареи миссии 4
- ^ Никель-водородные батареи - обзор. Архивировано 12 апреля 2009 г. на Wayback Machine.
- ^ Разработка крупномасштабной биполярной батареи NiH 2 .
- ^ 1995 - зависимый сосуд высокого давления (DPV)
- ^ Никель-водородные батареи с общим / зависимым резервуаром под давлением
Дальнейшее чтение [ править ]
- Альберт Х. Циммерман (редактор), Принципы и практика 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.