Bateria nichel-hidrogen (NiH 2 sau Ni-H 2 ) este o sursă de curent chimic reversibilă formată din electrozi de nichel și hidrogen [1] . Se deosebește de bateria nichel-hidrură metalică prin utilizarea hidrogenului sub formă gazoasă, stocat în stare comprimată în celulă la o presiune de 82,7 bar [2] .
Celulele NiH 2 care utilizează hidroxid de potasiu (KOH) 26% ca electrolit ating o durată de viață de 15 ani sau mai mult la 80% DOD [3] . Densitatea de energie este de 75 W•h / kg , 60 W•h/dm 3 [4] [5] . Tensiunea la contacte este de 1,55 V , tensiunea medie în timpul descărcării este de 1,25 V [6] .
În ciuda faptului că densitatea de energie este de doar aproximativ o treime din cea a unei baterii cu litiu , proprietatea specifică a unei baterii nichel-hidrogen este durata de viață lungă: celulele rezistă la mai mult de 20.000 de cicluri de descărcare [7] la o eficiență de 85%.
Bateriile NiH 2 au proprietăți electrice bune, ceea ce le face atractive pentru stocarea energiei electrice pe vehiculele spațiale [8] . De exemplu, ISS [9] , Messenger [10] , Mars Odyssey [11] , Mars Global Surveyor [12] și MRO sunt echipate cu baterii nichel-hidrogen. Telescopul Hubble , când bateriile sale originale au fost înlocuite în mai 2009, la 19 ani de la lansare, a obținut cel mai mare număr de cicluri de descărcare dintre orice baterie NiH 2 pe orbite de referință joase [13] .
Dezvoltarea bateriilor nichel-hidrogen a început în 1970 la COMSAT [14] unde au fost utilizate pentru prima dată în 1977 la bordul satelitului NTS-2 al Marinei SUA . [cincisprezece]
Bateria cu nichel-hidrogen combină electrodul pozitiv de nichel al celulei cu nichel-cadmiu și electrodul negativ, care include catalizatorul și porțiunea de difuzie a gazului a celulei de combustie . În timpul descărcării, hidrogenul conținut în vasul sub presiune interacționează cu oxigenul electrodului de nicheloxiclorură. Apa este consumată la electrodul de nichel și eliberată la electrodul de hidrogen, astfel încât concentrația de hidroxid de potasiu din electrolit nu se modifică. Pe măsură ce bateria se descarcă, presiunea hidrogenului scade, oferind o indicație fiabilă a stării de descărcare. În bateria unuia dintre sateliții de comunicație, presiunea a fost peste (3,4 MPa ) când era complet încărcată, scăzând la aproape (0,1 MPa) când era complet descărcată.
Dacă bateria încărcată continuă să fie încărcată, apa formată pe electrodul de nichel difuzează în electrodul de hidrogen și se disociază acolo; în consecință, bateriile pot rezista la supraîncărcare atâta timp cât căldura generată este disipată.
Bateriile au dezavantajul unei autodescărcări relativ ridicate, care este proporțională cu presiunea hidrogenului din celulă; în unele modele, capacitatea de 50% se poate pierde după câteva zile de depozitare. Autodescărcarea scade odată cu scăderea temperaturii. [16]
În comparație cu alte baterii, bateriile cu nichel-hidrogen au o densitate de energie bună de 60 Wh/kg și o durată de viață foarte lungă pe sateliți. Celulele pot rezista la supraîncărcare, inversarea accidentală a polarității , presiunea hidrogenului celulei oferă o bună indicație a gradului de descărcare. Cu toate acestea, natura gazoasă a hidrogenului înseamnă că eficiența volumetrică este destul de scăzută, iar presiunea ridicată necesară face necesară utilizarea vaselor sub presiune scumpe. [16]
Electrodul pozitiv este realizat dintr-un disc de nichel poros sinterizat [17] care conține hidroxid de nichel . Electrodul de hidrogen negativ folosește un catalizator de platină legat de teflon cu un separator de filamente de zirconiu [18] . [19]
Designul bateriei Individual Vessel (IPV) constă dintr-o celulă NiH 2 și un vas sub presiune. [douăzeci]
Designul bateriei Common Vessel (CPV) constă din două celule NiH 2 în serie și un vas sub presiune comun. CPV oferă o densitate de energie ceva mai mare decât IPV.
Designul SPV combină până la 22 de celule într-un vas comun.
Într-un design bipolar, un electrod suficient de gros este comun: pozitiv pentru unul și negativ pentru o celulă adiacentă în SPV. [21]
Designul Dependent Vessel (DPV) oferă mai multă densitate de energie la un cost mai mic. [22]
Designul vasului comun/dependent (C/DPV) este un hibrid de CPV și DPV cu eficiență volumetrică ridicată. [23]