Как устроены железоникелевые аккумуляторы

Железо-никелевый аккумулятор

Желе́зо-ни́келевый аккумуля́тор — это вторичный химический источник тока, в котором железо — анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрия или калия (с добавками гидроксида лития), катод — гидрат окиси никеля(III).

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения — к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы. Используются для резервного электропитания там, где могут быть постоянно заряжаемыми. Срок службы в таком случае может быть более 20 лет.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году [1] , по причине плохих показателей работы батарей при низких температурах, плохого удержания заряда (как у NiMH аккумуляторов) и высокой стоимости производства, сравнимой с лучшими герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами и до 1/2 стоимости NiMH аккумуляторов. Однако в связи с ростом стоимости свинца [2] в последние годы, из-за чего цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, цены практически сравнялись. [3]

Содержание

Долговечность

Способность этих аккумуляторов выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью реагентов в электролите. Формирование металлического железа в процессе зарядки длительно по причине низкой растворимости Fe₃O₄. Длительный процесс образования кристаллов железа сохраняет электроды, но также лимитирует скорость работы: данные аккумуляторы заряжаются медленно и разряжаются медленно.

Никель-железные аккумуляторы долгое время использовались в европейской горной промышленности благодаря их способности выносить вибрацию, высокие температуры и другие стрессовые воздействия. Повторно к ним возрос интерес в солнечных и ветрогенераторах, современном электротранспорте.

История изобретения

Вальдемар Юнгнер

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер (Waldemar Jungner, в английском произношении — Джангнер) был изобретателем никель-кадмиевого аккумулятора в 1899. Юнгнер экспериментировал с железом в качестве замены кадмию, включая вариант со 100 % железом. Юнгнер обнаружил, что главным преимуществом перед никель-кадмиевой схемой была стоимость, но из-за более низкой эффективности зарядки и более высокого газообразования никель-железная технология была признана неполноценной и заброшена. Юнгнер получил несколько патентов на железную версию его аккумулятора (шведские патенты № 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 и германский патент № 110.210/1899).

Томас Эдисон

Железо-никелевый аккумулятор был независимо изобретён Томасом Эдисоном в 1901 и использовался как источник энергии для электромобилей, таких как «Detroit Electric» и «Baker Electric». Эдисон заявлял, что никель-железные батареи будут «гораздо лучше аккумуляторов, использующих свинцовые пластины и кислоту». Работа Юнгнера была практически неизвестна в США вплоть до 40-х годов, когда там было запущено производство никель-кадмиевых аккумуляторов. 50-вольтовая никель-железная батарея была основным источником питания в немецкой ракете «Фау-2» (совместно с двумя 16-вольтовыми аккумуляторами питания 4 гироскопов, в уменьшенной версии использовалась в крылатой ракете «Фау-1»).

Параметры

• Запасённая энергия/масса: 20-50 [4] Вт·ч/кг
• Запасённая энергия/объем: 350 [5] Вт·ч/л
• Мощность/масса: 100 [4] Вт/кг
• Эффективность: 65 % [6]
• Стоимость: 1,5 [5] — 6,6 [4] Вт·ч/US$
• Саморазряд: 20 % [5][4] — 40 % [4] /месяц
• Срок службы: 30 [6] — 50 лет [7][5]
• Количество рабочих циклов: Многократный глубокий разряд на срок службы заметно не влияет. [6][5]
• Напряжение: 1,2 В[4]
• Рабочий диапазон температур: от −40 до +46 °C [8]

Электрохимический процесс

Половина реакции на катоде:

(При разряде реакция протекает слева направо, при заряде справа налево.) [1]

Производство

Аккумулятор Эдисона производился с 1903 до 1972 компанией «Edison Battery Storage Company» в East Orange, штат Нью-Джерси. Они были достаточно прибыльными для компании. В 1972 компания была продана корпорации «Exide Battery», которая прекратила производство в 1975.

В настоящее время (2012) железо-никелевые аккумуляторы производятся в США, Китае, Венгрии, России и на Украине.

Экология

Железо-никелевые аккумуляторы не содержат кадмия и свинца, что делает их более безопасными для окружающей среды, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные аккумуляторы.

См. также

Литература

• Black Edwin Internal Combustion : How Corporations and Governments Addicted the World to Oil and Derailed the Alternatives. — St Martin’s Griffin. — ISBN 978-0-312-35908-9

• Modern nickel-iron battery data

Примечания

1. ↑ «The Life of Thomas A. Edison» http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html
2. ↑Рост цен на свинец: эксперты рекомендуют создавать запас аккумуляторов.
3. ↑ сравн: Железо-никелевый аккумулятор-Energy/consumer-price 1.5 — 6.6 Wh/US$ и свинцово-кислотный аккумулятор — Energy/consumer-price 7-18 Wh/US$
4. ↑ 123456mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
5. ↑ 12345a description of the Chinese nickel-iron battery from BeUtilityFree
6. ↑ 123Mpower: Nickel Iron Batteries, Axeonpower: Nickel Iron Batteries
7. ↑«Nickel Iron Battery Frequently Asked Questions» BeUtilityFree
8. ↑ Web archive backup: Edison Battery Booklet original instruction book for the Edison battery

Химические источники тока
Гальванический элемент	Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | Ртутно-цинковый элемент | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона
Электрические аккумуляторы	Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый
Топливные элементы	Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной
Модели	Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент
Устройство	Анод | Катод | Электролит

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Железо-никелевый аккумулятор» в других словарях:

ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР — щелочной аккумулятор, у которого положительным электродом служит водная окись никеля с добавкой 20 % графита, отрицательным размельченное железо, электролитом 21 % раствор щелочи (едкий калий). Электродвижущая сила около 1,25 в. По конструкции… … Морской словарь

железо-никелевый аккумулятор — — [В.А.Семенов. Англо русский словарь по релейной защите] Тематики релейная защита EN iron nickel accumulator … Справочник технического переводчика

железо-никелевый аккумулятор — nikelio geležies akumuliatorius statusas T sritis chemija formulė Fe|20% KOH|NiO(OH),Ni atitikmenys: angl. Edison cell; nickel iron accumulator; NIFF cell rus. железо никелевый аккумулятор … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

железо-никелевый аккумулятор — geležies nikelio akumuliatorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. iron nickel accumulator; nickel iron accumulator vok. Nickel Eisen Akkumulator, m rus. железо никелевый аккумулятор, m pranc. accumulateur au fer nickel, m … Fizikos terminų žodynas

Железо-никелевый аккумулятор — щелочной Аккумулятор с электродами из железа (+) и никеля ( ). Один из основных типов аккумуляторов; применяется в авиации, технике связи, на электрокарах … Большая советская энциклопедия

Литий-железо-сульфидный аккумулятор — Li FeS это вторичный химический источник тока в котором анодом является литий алюминиевый сплав, электролит сплав хлорида фторида и сульфида лития в матрице из оксида магния (твердый электролит), катод FeS сульфид железа.… … Википедия

Литий-железо-фосфатный аккумулятор — (LiFePO4) тип электрического аккумулятора, являющийся видом литий ионного аккумулятора, в котором используется LiFePO4 в качестве катода. Содержание 1 Характеристики 2 История … Википедия

Аккумулятор (значения) — Аккумулятор (лат. accumulator собиратель, от лат. accumulo собираю, накопляю) устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. Автомобильный аккумулятор аккумуляторная батарея, используемая на автомобильном… … Википедия

Никель-водородный аккумулятор — (NiH2 или Ni–H2) это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов … Википедия

Источник

Никель-железный аккумулятор

Железо-никелевый аккумулятор , называемый также Эдисон аккумулятором , был разработан в 1900 году. Считается прочным и надежным. Относится к никель-кадмиевому аккумулятору ; однако вместо токсичного кадмия используется железо . Это также связано с литий-железо-фосфатным аккумулятором , который используется с начала 2010-х годов.

Содержание

Реакция / строительство

На железо-никелевом аккумуляторе протекают следующие реакции:

2 Ni (OH) ₂ + 2 OH — → 2 NiO (OH) + 2 H ₂ O + 2 e — Fe (OH) ₂ + 2 e — → Fe + 2 OH —

При разряде происходят противоположные реакции.

Аккумулятор заполнен 20-процентным раствором гидроксида калия . В более старых конструкциях в качестве тела клетки использовался стеклянный сосуд; необходимое исключение доступа воздуха (защита от углекислого газа) достигается за счет покрытия электролита тонким слоем масла . Второе поколение чаще всего использовало сварную емкость из листового металла, более современные формы — пластиковый корпус. Воздух здесь перекрывается привинченным предохранительным клапаном . Это, а также винтовые соединения и соединительные ленты часто изготавливаются из никелированного железа.

При зарядке никелевый электрод покрывается черным оксидным слоем, который снова исчезает при разрядке. После зарядки, А напряжение типично около 1,3 вольт может быть измерена между электродами , т.е. немного ниже , чем напряжение конца-заряда системы NiCd 1,4 В. Плотность энергии 19-25 Вт · ч / кг ( что соответствует 0,07 -0,09 МДж / кг).

сказка

Никель-железный аккумулятор (аккумулятор NiFe) был разработан почти одновременно и независимо друг от друга американцем Томасом Альва Эдисоном и шведом Вальдемаром Юнгнером . Чуть позже Юнгнер разработал никель-железный аккумулятор в никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd аккумулятор), который широко распространен и сегодня . Первые патенты на NiFe-батарею были получены в 1901 году, а серийное производство было начато в 1908 году. Между двумя изобретателями последовал длительный спор о приоритете, в том числе в отношении никель-кадмиевой батареи 1909 года, которая возникла из батареи NiFe.

долговечность

Никель-железные батареи имеют очень долгий срок службы: не менее 8 лет при высоких нагрузках и до 25 лет при меньших нагрузках. При хорошем обращении возможны от 3000 до 4000 циклов зарядки. Для длительного срока хранения важно, чтобы температура электролита во время зарядки не превышала 45 ° C.

Приложения

Батарея NiFe использовалась в шахтных лампах и в различных автомобилях. Были, например, B. возможность купить Detroit Electric с NiFe батареями у Эдисона. Батареи NiFe иногда используются в физических лабораториях и школах.

Из-за чрезвычайно длительного срока службы эти батареи в основном используются в системах ИБП и в рельсовых транспортных средствах.

Считается, что никель-железный аккумулятор нечувствителен к механическим и электрическим характеристикам. В частности, повреждения, вызванные перезарядкой или глубокой разрядкой , как известно из других аккумуляторов, имеют сравнительно незначительное влияние на эти элементы. Эти свойства привели к определенному возрождению технологий в области децентрализованного электроснабжения .

Исследования и разработки

Исследователи из США разработали электрод из частиц гидроксида никеля на графене . Железный электрод оказался подходящим и привел к повторному открытию никель-железного аккумулятора. Ни быстрая зарядка, ни перезарядка, ни глубокая разрядка не приводят к поломке.

В 2016 году был представлен вариант никель-железного аккумулятора, который также может производить водород путем электролиза . Ячейку можно заряжать и разряжать как обычный аккумулятор. Если аккумулятор достигает предельной емкости, а электричество продолжает подавать, образуется водород, который затем хранится и используется для других целей. Лабораторные результаты показали КПД 80–90%, что выше, чем у обычных никель-железных батарей и щелочных электролизеров. Тесты также показывают, что клетки имеют очень хороший срок хранения. Ячейки сделаны из обильных элементов никеля и железа , таких благородных катализаторов . Б. Платина в электролизерах PEM не требуется. По словам авторов исследования, характеристики элементов делают их особенно подходящими для кратковременного и длительного хранения ветровой и солнечной энергии в рамках энергетического перехода .

Источник

Устройство, эксплуатация, срок службы никель─железных аккумуляторов

Никель─железные аккумуляторы относятся к группе щелочных и по объёму выпуска в нашей стране занимают второе место после свинцовых батарей. В основном они используются в качестве тяговых АКБ. Этот тип батарей имеет длительный срок службы (до 3 тысяч циклов заряд-разряд), быстро заряжаются и они стоят дешевле никель─кадмиевых. Поэтому в отечественной промышленности они широко используются в электровозах и другом железнодорожном транспорте, складской технике, электрокарах. Один из недостатков – высокий саморазряд. Но при эксплуатации их в режиме тяговых – это не критично. Сегодня мы рассмотрим устройство никель─железных аккумуляторов, особенности их эксплуатации и перспективы использования.

Процессы, происходящие в никель─железном аккумуляторе

Электрохимическая система никель─железного аккумулятора состоит из оксидно-никелевого электрода NiOOH (положительный электрод), железной губки (отрицательный) и едкой щелочи KOH (электролит). В процессе работы в аккумуляторе протекают следующие электрохимические процессы.

2NiOOH + 2H₂O + 2e — ⇒ 2Ni(OH)₂ + 2OH —

На железном электроде протекает реакция:

Fe + OH — ⇒ Fe(OH)₂ + 2e —

Реакции протекают обратимо. При разряде они идут слева направо, а при заряде – в обратном направлении.

При протекании электрохимической реакции могут также образовываться оксиды Fe₂O₃ и FeOOH. Изменение физических и химических свойств оксидной плёнки приводит к торможению реакции на аноде. При этом происходит пассивация электрода. Причём пассивация становится сильнее при снижении температуры KOH и росте разрядного тока. Пассивации также способствует присутствие таких примесей, как сурьма, мышьяк, магний, никель и марганец. В роли депассиватора на железном электроде выступает сульфид-ион. Он ослабляет и подавляет пассивацию, протекающую из-за примесей. При адсорбции на железном электроде сульфид-ион активирует его поверхность.

Но ёмкость железного электрода при разряде, кроме пассивации, ещё ограничивается увеличивающимся сопротивлением активной массы. При разряде образуется Fe(OH)₂. Он способствует образованию в губчатом электроде изолирующих прослоек. В результате происходит неравномерное распределение плотности тока по электроду. На некоторых участках разряд проходит неэффективно, что приводит к снижению коэффициента использования активной массы.

Сульфид-ион также способствует увеличению переходного омического сопротивления. В результате этого разрядная характеристика никель─железного аккумулятора с депассивирующим сульфид-ионом имеет большую длительность разряда и лежит в границах менее отрицательного потенциала.

Конструкция

Стандартный никель─железный аккумулятор – это блок плоских электродов, в прямоугольном стальном корпусе с никелированным покрытием. На верхней крышке находятся борны (токосъёмники) и пробка для заливки электролита. Эта конструкция, за исключением материалов электродов, полностью повторяет ламельные никель─кадмиевые аккумуляторы.

Есть разновидности с плоскими и трубчатыми ламелями. Отечественные производители делают в основном никель─железные аккумуляторы с плоскими ламелями. Они представляют собой коробочки, ширина которых 13 миллиметров. Высота может быть 2,8 (отрицательный электрод) или 4 миллиметра (положительный). Длина ламелей определяется размерами самого аккумулятора. Примерно 15 процентов площади поверхности электрода занимает перфорация. Ламель производится из 2 стальных лент. Их толщина составляет 0,1 миллиметра. Положительные ламели выполняются никелированными. Одна пластина сделана в форме желоба, а вторая в виде крышки.

Ламели расположены горизонтально и собраны в ряды. Они плотно собираются одна к другой, а по краям к ним закрепляются рёбра, служащие токоотводами. Наверху сваркой прикрепляется контактная планка, имеющая ушко для сборки группы пластин. Полублоки различной полярности представляют собой блок электродов. Сепараторами для разделения противоположных пластин в нём служат эбонитовые палочки. Вместо эбонитовых палочек могут использоваться резиновые жгуты, сетки из полиэтилена с крупными ячейками. В качестве сепараторов могут использоваться и другие материалы, которые способны обеспечить расстояние 2 миллиметра между электродами. Производство плоских ламелей довольно простое и может выполняться в больших объёмах на высокопроизводительном оборудовании.

В результате электрод имеет сниженные эксплуатационные и электрические параметры. Трубчатые ламели имеют более совершенную конструкцию и лучшие эксплуатационные параметры. Диаметр трубчатых ламелей составляет 4,5 или 6,4 миллиметров. Их делают из перфорированной ленты путём скручивания. Трубки наполняют активной массой и сглаживают соединительный шов. Для увеличения прочности трубки дополнительно окольцовывают. Перфорация ламелей делается в виде отверстий круглой формы. Диаметр 0,2 миллиметра не ослабляет прочность ламели. В то же время достигается большая степень открытия электрода.

Эксплуатация

Никель─железные аккумуляторы выпускаются с ёмкостью 8─1150 Ач. Как уже говорилось выше, в основном они используются в качестве тяговых. Номинальная ёмкость Ni─Fe батареи определяется электрическим зарядом, который она отдаёт за 10 часов при температуре 20 градусов Цельсия до величины напряжения 1 вольт.

Заряд

Заряд никель─железных аккумуляторов, как одного из видов щелочных аккумуляторов, производится любым источником постоянного тока. При заряде изменяется ЭДС и напряжения внутри батареи. Производителями батарей предусмотрено несколько режимов заряда. Есть те, что предназначены для введения в строй новой АКБ. Также есть параметры для нормальной, ускоренной зарядки. Кроме того, есть режим тренировки, который пригодиться при потере ёмкости. Время зарядки во всех этих режимах не больше 10─12 часов.

Для кислотных и серебряно─цинковых аккумуляторов заряд небольшими токами очень подходит. Но для никель─железный батарей зарядный ток должен укладываться в определённый интервал. Тогда зарядка будет проходить эффективно.

Если зарядный ток снижается, то коэффициент его использования для Ni─Fe аккумуляторов уменьшается. В результате, когда зарядный ток слишком мал, АКБ перестаёт заряжаться. При этом подаваемый ток просто расходуется на выделение водорода. Это явление происходит потому, что снижается величина перенапряжения водорода на губчатом железном электроде. Заряд аккумулятор принимает при величине тока до 1/3 от нормального зарядного тока. При дальнейшем снижении эффективность падает.

Подробнее о том, как зарядить щелочной аккумулятор, можете прочитать по указанной ссылке.

Разряд

В инструкциях производителя для никель─железных аккумуляторов указывается номинальный ток разряда. На практике разрядный ток редко соответствует тому, что там написано. Чтобы оценить процессы, происходящие при разряде, строятся кривые разряда Ni─Fe аккумуляторов и сравниваются с эталонными. Зависимость ЭДС от ёмкости при разряде выстраивается по 2 точкам. Они показывают ЭДС разряженной и заряженной АКБ. Эталоном для сравнения служит разрядная кривая при разряде в течение 20 часов.

Не вдаваясь в подробности можно сказать, что никель─железные аккумуляторы не подходят для обеспечения питания аппаратуры сразу после того, как были заряжены. Причиной тому служит существенное отклонение напряжения от номинала. А отклонение реальных разрядных кривых от эталонных могут составлять до 10 процентов.
Вернуться к содержанию

Саморазряд

Саморазряд Ni─Fe аккумуляторных батарей – это процесс аналогичный их разряду малым током. Только никакой полезной работы при этом не совершается. Практические измерения показывают, что саморазряд интенсивнее всего идёт в первые несколько дней, а затем замедляется. Никель─железные аккумуляторы обладают значительно большим саморазрядом, чем прочие виды аккумуляторов. Это объясняется свойствами железного электрода.

Саморазряд увеличивается при повышении температуры. Согласно ГОСТ 9240-71 ёмкость заряженного Ni─Fe аккумулятора через 30 суток (хранение при температуре 20 градусов Цельсия) не должна снизиться больше, чем на 50 процентов.

На другом электроде железо растворяется в KOH. В результате этой реакции чего выделяется водород. Эта реакция является главной причиной саморазряда на железном электроде при хранении. Этот процесс довольно интенсивно при комнатной температуре. Влияние на этот процесс оказывает чистота железа и технология производства. Он может достигать величин 40─100 процентов за 30 суток. Поэтому уменьшение саморазряда на Fe электроде является ключевым для никель─железных аккумуляторов. Саморазряд значительно снижается при добавлении в состав электрода или электролита химических соединений мышьяка.

Можно сделать вывод, что для Ni─Fe аккумуляторов саморазряд можно понизить, если хранить их при низких температурах. Ещё одно направлением – это частичный разряд полностью заряженной батареи. В результате этого снижается потенциала оксидно-никелевого электрода.
Вернуться к содержанию

Срок службы

Никель─железные АКБ имеют длительный срок эксплуатации, который превышает многие батареи прочих видов. Он зависит в основном от температуры и состава электролита. И также влияние оказывают режимы зарядки и разрядки. Ускоренный заряд может сократить срок службы Ni─Fe аккумулятора до 1,5─2 раз. При ускоренном заряде увеличивается интенсивность вымывания из аккумулятора активной массы. Кроме того, при увеличении тока растёт и температура, отрицательно сказывающаяся на сроке службы.

В основном, срок эксплуатации зависит от состояния оксидно-никелевого электрода. Часто железный электрод и оснастка ещё находятся в рабочем состоянии, а аккумулятор уже выходит из строя. Срок также уменьшается при использовании АКБ в режиме длительного и глубокого разряда. Согласно требованиям ГОСТ 9240-71, срок эксплуатации никель─железный аккумуляторов не должен быть меньше 750 циклов. При этом ёмкость в течение всего срока службы не должна быть меньше 90 процентов от номинала.

Что касается срока хранения, то он для Ni─Fe должен быть не меньше 3,5 лет. Примерно после 1,5 тысячи циклов заряд-разряд ёмкость снижается на 25 процентов. Срок хранения на практике значительно выше гарантированного.

Нередко на практике при правильном обслуживании и эксплуатации никель─железные аккумуляторы служат по 25 лет. Для сравнения, у свинцово-кислотных батарей этот срок равен 5 годам.
Вернуться к содержанию

Источник