Никель -водородная батарея (NiH 2 или Ni–H 2 ) — это перезаряжаемый электрохимический источник питания на основе никеля и водорода . [5] Она отличается от никель-металлгидридной (NiMH) батареи использованием водорода в газообразной форме, хранящегося в герметичной ячейке под давлением до 1200 фунтов на квадратный дюйм (82,7 бар ). [6] Никель-водородная батарея была запатентована в США 25 февраля 1971 года Александром Ильичом Клоссом, Вячеславом Михайловичем Сергеевым и Борисом Иоселевичем Центером из Советского Союза. [7]
Элементы NiH 2 , использующие 26% гидроксид калия (KOH) в качестве электролита, показали срок службы 15 лет и более при 80% глубине разряда (DOD) [8] Плотность энергии составляет 75 Вт· ч / кг , 60 Вт·ч/дм 3 [2] удельная мощность 220 Вт/кг. [3] Напряжение холостого хода составляет 1,55 В , среднее напряжение при разряде составляет 1,25 В. [9]
Хотя плотность энергии составляет всего 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 85% энергетической эффективностью и 100% фарадеевской эффективностью .
Аккумуляторные батареи NiH 2 обладают свойствами, которые делают их привлекательными для хранения электроэнергии в спутниках [10] и космических зондах . Например, МКС [ 11] Mercury Messenger [12] Mars Odyssey [13] и Mars Global Surveyor [14] оснащены никель-водородными батареями. Космический телескоп Хаббл , когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года, более чем через 19 лет после запуска, лидировал с самым большим количеством циклов заряда и разряда среди всех батарей NiH 2 [15] на низкой околоземной орбите [16] .
Разработка никель-водородной батареи началась в 1970 году в Comsat [17] и была впервые использована в 1977 году на борту навигационного спутника ВМС США NTS-2. [18] В настоящее время основными производителями никель-водородных батарей являются Eagle-Picher Technologies и Johnson Controls, Inc.
Никель-водородная батарея объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевой батареи и отрицательный электрод, включая каталитические и газодиффузионные элементы, топливного элемента . Во время разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением, окисляется в воду, в то время как оксигидроксид никеля восстанавливается до гидроксида никеля. Вода потребляется на никелевом электроде и производится на водородном электроде, поэтому концентрация электролита гидроксида калия не меняется. По мере разряда батареи давление водорода падает, обеспечивая надежный индикатор состояния заряда. В одной батарее спутника связи давление при полной зарядке составляло более 500 фунтов/кв. дюйм (3,4 МПа), падая всего до около 15 фунтов на квадратный дюйм (0,1 МПа) при полной разрядке.
Если элемент перезаряжен, кислород, вырабатываемый на никелевом электроде, реагирует с водородом, присутствующим в элементе, и образует воду; в результате элементы могут выдерживать перезарядку до тех пор, пока выделяемое тепло может рассеиваться. [ сомнительно – обсудить ]
Недостатком элементов является относительно высокая скорость саморазряда, т.е. химическое восстановление Ni(III) в Ni(II) на катоде:
что пропорционально давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% емкости может быть потеряно уже после нескольких дней хранения. Саморазряд меньше при более низкой температуре. [1]
По сравнению с другими перезаряжаемыми батареями, никель-водородная батарея обеспечивает хорошую удельную энергию 55-60 Вт-ч/кг и очень длительный срок службы (40 000 циклов при 40% DOD) и срок службы (> 15 лет) в спутниковых приложениях. Элементы могут выдерживать перезарядку и случайную смену полярности, а давление водорода в элементе обеспечивает хорошее указание на состояние заряда. Однако газообразная природа водорода означает, что объемная эффективность относительно низкая (60-100 Вт-ч/л для элемента IPV (индивидуальный сосуд высокого давления)), а высокое требуемое давление делает сосуды высокого давления дорогостоящими. [1]
Положительный электрод состоит из сухой спеченной [20] пористой никелевой пластины, содержащей гидроксид никеля . Отрицательный водородный электрод использует связанный с тефлоном платиновый черный катализатор при нагрузке 7 мг/см2, а сепаратор представляет собой трикотажную циркониевую ткань (ZYK-15 Zircar). [21] [22]
Сменные батареи Hubble производятся с помощью мокрого процесса пульпы, при котором связующее вещество и порошкообразные металлические материалы формуются и нагреваются до выкипания жидкости. [23]
