Никель-железный аккумулятор - Nickel–iron battery

Никель-железный аккумулятор
Никель-железные батареи Томаса Эдисона.jpg
Никель-железные батареи, изготовленные в период с 1972 по 1975 год под маркой Exide, первоначально разработанные в 1901 году Томасом Эдисоном.
Удельная энергия19-25 [1] Втч / кг
Плотность энергии30[2] Wh /л
Удельная мощность100[3] Вт / кг
Эффективность заряда / разряда<65%[4]
Энергия / потребительская цена1.5[2] – 6.6[3] Втч /АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$
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. От −40 ° C до макс.46 ° C[6]
Томас Эдисон в 1910 году со своим никель-железным элементом из собственной производственной линии.

В никель-железный аккумулятор (NiFe аккумулятор) аккумуляторная батарея имея оксид-гидроксид никеля (III) положительные пластины и утюг отрицательные пластины, с электролит из гидроксид калия. Активные материалы содержатся 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 изготовления другие типы аккумуляторных батарей вытеснили никель-железные батареи в большинстве приложений.[8]

Использует

Во многих железнодорожных транспортных средствах используются Ni-Fe аккумуляторы.[9][10] Некоторые примеры Лондонские подземные электровозы и Вагон метро Нью-Йорка - R62A.

Технология вернула популярность за вне сетки приложения, где ежедневная зарядка делает его подходящая технология.[11][12][13]

Никель-железные батареи исследуются для использования в качестве комбинированных батарей и электролиз за водород производство для топливная ячейка автомобили и хранилище. Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и они производили бы водород при полной зарядке.[14][15][16]

Долговечность

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 гидроксид 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 тепловой разгон; 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

В полуклеточная реакция у положительной пластины из черного Оксид-гидроксид никеля (III) NiO (OH) в зеленый Гидроксид никеля (II) Ni (OH)2 :

2 NiO (OH) + 2 Н2O + 2 e− ↔ 2 Ni (ОН)2 + 2 ОН−

а на отрицательной пластине:

Fe + 2 OH− ↔ Fe (OH)2 + 2 е−

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

В холостое напряжение составляет 1,4 вольт, при разряде падает до 1,2 вольт.[7] Смесь электролитов гидроксид калия и гидроксид лития не расходуется на зарядку или разрядку, поэтому, в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, удельный вес электролита не указывает состояние заряда.[7] Напряжение, необходимое для зарядки Ni-Fe батареи, равно или превышает 1,6 В на элемент.[18] Гидроксид лития улучшает работу элемента. Напряжение выравнивающего заряда составляет 1,65 В.

История

Смотрите также: История батареи

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевый аккумулятор в 1899 г. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных пропорциях, включая 100% железо. Юнгнер обнаружил, что основным преимуществом по сравнению с никель-кадмиевой химией была стоимость, но из-за более низкой эффективности реакции зарядки и более выраженного образования водород (с газом), никель –утюг технологии были признаны неэффективными и заброшенными. У Юнгнера было несколько патентов на железную версию своей батареи (шведские патенты № 8.558[постоянная мертвая ссылка ]/1897, 10.177 /1899, 11.132 /1899, 11.487 / 1899 и немецкий патент No 110.210 / 1899). Кроме того, у него был один патент на NiCd аккумулятор: Swed.pat No. 15.567 /1899.[19]

Компания по хранению аккумуляторов Эдисона

В 1901 г. Томас Эдисон запатентовал и коммерциализировал NiFe в США и предложил его в качестве источника энергии для электрические транспортные средства, такой как Детройт Электрик и Бейкер Электрик. Эдисон утверждал, что никель-железная конструкция «намного превосходит батареи с использованием свинцовых пластин и кислоты» (свинцово-кислотная батарея ).[20] У Эдисона было несколько патентов: Патент США 678722 /1901, Патент США 692,507 / 1902, и патент Германии № 157.290 / 1901.[19]

Эдисон был разочарован тем, что его батарея не была использована для запуска двигателей внутреннего сгорания, и что электромобили были сняты с производства всего через несколько лет после того, как была представлена ​​его батарея. Он разработал аккумулятор, который станет лучшим выбором для электрические транспортные средства которые были предпочтительным видом транспорта в начале 1900-х годов (за которыми следовали бензин и пар). Батареи Эдисона имели значительно более высокий плотность энергии чем свинцово-кислотные батареи, которые использовались в то время, и их можно было зарядить вдвое быстрее, однако они плохо работали при низких температурах и были более дорогими.

Работа Юнгнера была практически неизвестна в США до 1940-х годов, когда там начали производство никель-кадмиевых батарей. Никель-железная батарея на 50 вольт была основным ОКРУГ КОЛУМБИЯ. блок питания во Второй мировой войне немецкий V-2 ракета, вместе с двумя батареями на 16 В, которые питали четыре гироскопы (поставлены турбогенераторы A.C. для своего магнитный усилитель ведомый сервомеханизмы ). Меньшая версия использовалась в Летающая бомба Фау-1. (а именно 1946 г. Операция Backfire чертежи.)

Батареи Эдисона рентабельно производились примерно с 1903 по 1972 год. Компания по хранению аккумуляторов Эдисона в Вест-Ориндж, Нью-Джерси. В 1972 году аккумуляторная компания была продана Exide Battery Corporation, которая прекратила выпуск продукта в 1975 году. Батарея широко использовалась для железнодорожной сигнализации, автопогрузчик, и резервная мощность Приложения.

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

Три ряда пластин внутри современной никель-железной батареи

Тарелки

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 каркасный каркас, штампованный из тонколистовой стали, с армирующей шириной вверху. Решетки, а также все остальные 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 никель-железного (NiFe) элемента

Активный материал положительных пластин представляет собой никель. гидрат. 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. После заполнения и закрытия трубы устанавливаются вертикально в решетку.[18]

Положительная пластина заполнена гидратом никеля.

Активный материал отрицательных пластин оксид железа. Удерживающие карманы изготовлены из тонкой, мелкоперфорированной 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 сетки. 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.

Обвинять

Заряд / разряд включает 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 NiFe-элемента 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. Перезарядка 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 меняется в зависимости от электрическое сопротивление. При отсутствии сопротивления стартовая скорость будет примерно в два раза выше нормальной, а скорость финиша - примерно 40% от нормальной.[18]

Увольнять

Под разрядом положительные пластины восстанавливаются («раскисляются»); кислород с его естественным сродством к железу идет 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, происходят аномальные падения напряжения.[18]

Электролит

Электролит не входит в химическую комбинацию для выполнения функций ячейки, действуя как транспортер. Его удельный вес на него не влияет 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

Никель-железные батареи не имеют вести или же кадмий свинцово-кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов, требующих обращения с опасные материалы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Плотность энергии по результатам испытаний NREL, проведенных Iron Edison» (PDF). Получено 25 марта 2014.
  2. ^ а б c d е Описание китайской никель-железной батареи от BeUtilityFree.[постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ а б c d е mpoweruk.com: Сравнение аккумуляторов и батарей (pdf)
  4. ^ а б c Mpower: Никель-железные батареи
  5. ^ «Никель-железные батареи. Часто задаваемые вопросы» BeUtilityFree
  6. ^ Резервное копирование веб-архива: Буклет об аккумуляторах Эдисона оригинальная инструкция по эксплуатации аккумулятора Эдисона
  7. ^ а б c d е Дэвид Линден, Томас Б. Редди (редактор). Справочник батарей 3-е издание, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2002 г. ISBN  0-07-135978-8, Глава 25
  8. ^ Ян Сутар (1 июля 2010 г.). "Домашняя страница Ассоциации железно-никелевых аккумуляторов". Получено 30 октября 2011.
  9. ^ «Системное проектирование автономного гибридного локомотива | EUrailmag». eurailmag.com. Архивировано из оригинал 17 августа 2018 г.. Получено 17 апреля 2013.
  10. ^ «Проект Магма №10». azrymuseum.org. 15 мая 2012 года. Получено 17 апреля 2013.
  11. ^ Выпуск новостей Матери-Земли № 62 - март / апрель 1980 г.
  12. ^ http://www.nickel-iron-battery.com/
  13. ^ Журнал Home Power, выпуск № 80, декабрь 2000 г. / январь 2001 г.
  14. ^ Ф. М. Малдер и др.: Эффективное хранение электроэнергии с помощью баттолизера, встроенной Ni-Fe-батареи и электролизера. Энергетика и экология. 2017, Дои:10.1039 / C6EE02923J
  15. ^ Вероник Амстутц и другие: Возобновляемое производство водорода из двухконтурной проточной окислительно-восстановительной батареи . Энергетика и экология. 2014, 2350-2358, Дои:10.1039 / C4EE00098F
  16. ^ http://news.stanford.edu/pr/2012/pr-ultrafast-edison-battery-062612.html
  17. ^ Электрохимический элемент Эдисона (железо-никелевая батарея) - Модель
  18. ^ а б c d е ж грамм час я «Руководство по практике аккумуляторных батарей» (PDF). Комитет по аккумуляторным батареям. Ассоциация осветительных компаний Эдисона. Архивировано из оригинал (PDF) 4 июля 2012 г.. Получено 5 июля 2012.
  19. ^ а б 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.