Baterie fier-nichel

O baterie cu fier-nichel este o sursă  secundară de curent chimic în care fierul  este anodul , electrolitul este o soluție apoasă de hidroxid de sodiu sau potasiu (cu adăugarea de hidroxid de litiu ), catodul  este oxid de nichel (III) hidrat .

Materialul activ este conținut în tuburi de oțel placate cu nichel sau buzunare perforate. În ceea ce privește costul și densitatea energiei, acestea sunt apropiate de bateriile litiu-ion , iar în ceea ce privește autodescărcarea, eficiența și tensiunea, sunt aproape de bateriile NiMH . Aceste baterii sunt destul de durabile, rezistente la manipulare brutală (supraîncărcare, descărcare profundă, scurtcircuit și șoc termic) și au o durată de viață foarte lungă.

Utilizarea lor a scăzut de când producția s-a oprit din cauza unui incendiu la fabrica/laboratorul lui Thomas Edison în 1914 [1] check link , din cauza performanței slabe a bateriei la temperaturi scăzute, a reținerii slabe a încărcăturii (cum ar fi bateriile NiMH) și a costurilor mari de producție comparabile cu cele mai bune baterii plumb-acid sigilate și până la 1/2 din costul bateriilor NiMH. Cu toate acestea, din cauza creșterii costului plumbului [2] în ultimii ani, prețul bateriilor cu plumb a crescut semnificativ, iar prețurile sunt aproape egale. [3]

Când comparăm bateriile cu bateriile cu plumb-acid, trebuie amintit că descărcarea operațională permisă a unei baterii cu plumb-acid este mult mai mică decât capacitatea maximă teoretică, iar fierul-nichel este foarte aproape de aceasta. Prin urmare, capacitatea reală de funcționare a unei baterii fier-nichel, cu o capacitate maximă teoretică egală, poate fi de câteva ori (în funcție de mod) mai mare decât cea a unei baterii plumb-acid.

Durabilitate

Capacitatea acestor baterii de a suporta cicluri frecvente de descărcare/încărcare este asociată cu solubilitatea scăzută a reactivilor din electrolit. Formarea pe termen lung a fierului metalic în timpul încărcării se datorează solubilității scăzute a Fe 3 O 4 . Procesul lung de formare a cristalelor de fier salvează electrozii, dar limitează și viteza de lucru: aceste baterii se încarcă lent și se descarcă la fel de încet.

Principalii factori care limitează durabilitatea bateriilor fier-nichel sunt arderea grafitului aditivului conductor din cauza eliberării de oxigen în timpul descompunerii apei, coroziunea carcasei și a lamelelor din fier nichelat, urmată de precipitarea mase active în nămol, depunerea de fier pe separatoare și o creștere a autodescărcării. Elementele fier-nichel produse de fabricile Edison la începutul anilor 1900 aveau un design tubular al unui electrod pozitiv de oxid-nichel cu un adaos conductiv de petale de nichel în loc de grafit și o tehnologie îmbunătățită de placare cu nichel pentru materialele structurale din fier (coacerea unui nichel cu mai multe straturi). acoperire obținută dintr-o soluție apoasă de sare de nichel în cuptoare cu atmosferă protectoare de hidrogen). În acest caz, durata de viață desemnată a fost de 100 de ani, iar intervalul recomandat de înlocuire a electroliților a fost o dată la 5-10 ani. În modelele mai ieftine ale bateriilor fier-nichel cu o durată de viață de primele zeci de ani, din cauza arderii aditivului conductiv de grafit în timpul funcționării celulei, electrolitul este contaminat mai repede cu carbonați, iar intervalele dintre înlocuirea electroliților sunt redus (intervalul recomandat pentru inlocuirea electrolitului in versiunile de baterii nichel cu grafit este de la 100 de cicluri sau o data pe an). De asemenea, după arderea unei cantități semnificative de grafit, capacitatea de ieșire se deteriorează și rezistența internă echivalentă a elementului crește din cauza deteriorării contactului masei active cu electrozii. Distrugerea finală a bateriei și defectarea completă au loc prin coroziune prin coroziune a elementelor structurale (lamele și/sau carcasa din oțel) din cauza calității limitate a placajului cu nichel a opțiunilor ieftine de baterie.

Bateriile nichel-fier au fost folosite de mult timp în industria minieră europeană datorită capacității lor de a rezista la vibrații, temperaturi ridicate și alte solicitări. Interesul pentru generatoarele solare și eoliene , transportul electric modern a crescut din nou.

Istoria invențiilor

Waldemar Jungner

Inventatorul suedez Waldemar Jungner a fost inventatorul bateriei cu nichel-cadmiu în 1899. Jungner a experimentat cu fierul ca înlocuitor pentru cadmiu, inclusiv o variantă cu 100% fier. Jungner a descoperit că principalul avantaj față de circuitul nichel-cadmiu a fost costul, dar din cauza eficienței de încărcare mai scăzute și a gazării mai mari, tehnologia nichel-fier a fost considerată inferioară și abandonată. Jungner a primit mai multe brevete pentru versiunea de fier a bateriei sale (brevetele suedeze nr. 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 și brevetul german nr. 110.210/1899).

Thomas Edison

Bateria fier-nichel a fost inventată independent de Thomas Edison în 1901 și a fost folosită ca sursă de energie pentru vehicule electrice, cum ar fi Detroit Electric și Baker Electric. Edison a susținut că bateriile cu nichel-fier ar fi „mult mai bune decât bateriile care folosesc plăci de plumb și acid”. Munca lui Jungner a fost practic necunoscută în Statele Unite până în anii 1940, când acolo a fost lansată producția de baterii cu nichel-cadmiu.

O baterie nichel-fier de 50 de volți a fost principala sursă de energie a rachetei germane V-2 (împreună cu două baterii de 16 volți pentru a alimenta 4 giroscoape, o versiune mai mică a fost folosită în racheta de croazieră V-1 ).

Opțiuni

Proces electrochimic

Jumătate de reacție la catod:

iar pe anod:

(Când este descărcată, reacția are loc de la stânga la dreapta, când este încărcată, de la dreapta la stânga.) [1]

Datorită valorii potențialului electrochimic al fierului în soluția alcalină de lucru, în timpul depozitării unei baterii încărcate, hidrogenul este eliberat și electrodul de fier se autodescărcă. De asemenea, din cauza valorii scăzute a supratensiunii de degajare a hidrogenului pe electrodul de fier în timpul încărcării, aproximativ jumătate din sarcina electrică trecută prin baterie este cheltuită pe degajarea hidrogenului chiar și la temperaturi de funcționare pozitive recomandate. Acesta este principalul factor care limitează eficiența energetică a unei baterii fier-nichel. Când temperatura scade sub zero, eficiența de încărcare a electrodului de fier se deteriorează și mai mult, iar la temperaturi sub -20 ° C, bateria oprește încărcarea.

Producție

Bateria Edison a fost fabricată între 1903 și 1972 de către Edison Battery Storage Company din East Orange , New Jersey. Erau destul de profitabile pentru companie. În 1972, compania a fost vândută către Exide Battery Corporation, care și-a încetat producția în 1975.

În prezent (2012) bateriile fier-nichel sunt produse în SUA, China, Ungaria, Rusia și Ucraina.

Aplicație

Ecologie

Bateriile cu nichel-fier nu conțin cadmiu și plumb, ceea ce le face mai ecologice decât bateriile cu nichel-cadmiu și plumb-acid.

Vezi și

Note

  1. ↑ „The Life of Thomas A. Edison” http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html Arhivat 20 ianuarie 2011 la Wayback Machine
  2. ↑ Creșterea prețurilor plumbului: experții recomandă stocarea bateriilor. . Consultat la 10 aprilie 2010. Arhivat din original pe 19 august 2014.
  3. ↑ comparați: baterie fier-nichel-Energie/preț de consum 1,5 - 6,6 Wh/USD și baterie plumb-acid - Energie/preț de consum 7-18 Wh/USD
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 mpoweruk.com: Comparații acumulatori și baterii (pdf) . Consultat la 7 februarie 2010. Arhivat din original la 29 martie 2018.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 o descriere a bateriei chinezești nichel-fier de la BeUtilityFree
  6. ↑ 1 2 3 Mpower: Nickel Iron Batteries Arhivat 26 august 2018 la Wayback Machine , Axeonpower: Nickel Iron Batteries Arhivat 23 martie 2011 la Wayback Machine
  7. ↑ „Întrebări frecvente ale bateriei de fier nichel” BeUtilityFree Arhivat 27 noiembrie 2013 la Wayback Machine
  8. ↑ Backup arhivă web: Edison Battery Booklet original manual de instrucțiuni pentru baterie Edison
  9. ↑ Specificațiile generale pentru bateriile TNZh sunt reflectate în GOST 26500-85 „Baterie de tracțiune alcaline nichel-fier. Condiții tehnice generale”, care se aplică bateriilor cu o capacitate mai mare de 150 Ah, concepute pentru a alimenta motoarele electrice ale locomotivelor electrice miniere și vehiculelor electrificate fără șenile în condițiile de funcționare ale grupelor M26 și M28 conform GOST 17516-72 la o altitudine. de până la 2000 m deasupra nivelului mării.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice
 Surse de curent chimic
Celulele galvanice
Baterii electrice
celule de combustibil
Modele
Dispozitiv