Никель -железный аккумулятор (NiFe аккумулятор) представляет собой перезаряжаемую батарею , имеющую положительные пластины из оксида никеля (III) и отрицательные железные пластины с электролитом из гидроксида калия . Активные материалы удерживаются в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. Это очень прочная батарея, устойчивая к неправильному обращению (перезарядка, чрезмерная разрядка и короткое замыкание) и способная прослужить очень долго, даже при таком обращении. [7] Его часто используют в ситуациях резервного копирования, когда его можно постоянно заряжать и он может прослужить более 20 лет. Из-за низкой удельной энергии , плохого удержания заряда и высокой стоимости производства другие типы перезаряжаемых батарей вытеснили никель-железные батареи в большинстве применений. [8]
Во многих железнодорожных транспортных средствах используются аккумуляторы NiFe. [9] [10] Некоторые примеры — электровозы лондонского метрополитена и вагон метро Нью-Йорка — R62A .
Эта технология вновь обрела популярность для автономных приложений, где ежедневная зарядка делает ее подходящей технологией . [11] [12] [13]
Никель-железные батареи исследуются на предмет использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для производства водорода для автомобилей и систем хранения на топливных элементах . Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и при полной зарядке они будут производить водород. [14] [15] [16]
Способность этих батарей выдерживать частые циклические циклы обусловлена низкой растворимостью реагентов в электролите. Образование металлического железа во время загрузки происходит медленно из-за низкой растворимости гидроксида двухвалентного железа . Хотя медленное образование кристаллов железа сохраняет электроды, оно также ограничивает производительность при высокой скорости: эти элементы заряжаются медленно и способны лишь медленно разряжаться. [7] Никель-железные элементы не следует заряжать от источника постоянного напряжения, поскольку они могут быть повреждены из-за термического разгона ; внутреннее напряжение элемента падает, когда начинается выделение газа, что приводит к повышению температуры, что увеличивает потребляемый ток и, таким образом, еще больше увеличивает выделение газа и температуру.
Полуэлементная реакция на положительной пластине от черного оксида-гидроксида никеля(III) NiO(OH) до зеленого гидроксида никеля(II) Ni(OH) 2 :
и на отрицательной пластине:
(Разрядка читается слева направо, зарядка – справа налево.) [17]
Напряжение холостого хода составляет 1,4 Вольта, при разряде падает до 1,2 Вольта. [7] Смесь электролитов гидроксида калия и гидроксида лития не расходуется при зарядке или разрядке, поэтому, в отличие от свинцово-кислотной батареи, удельный вес электролита не указывает на состояние заряда. [7] Напряжение, необходимое для зарядки аккумулятора NiFe, равно или превышает 1,6 В на элемент. [18] Включение гидроксида лития улучшает производительность элемента. Напряжение уравнивающего заряда составляет 1,65 вольта.
Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею в 1899 году. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных пропорциях, включая 100% железо. Юнгнер обнаружил, что основным преимуществом перед никель-кадмиевой химией является стоимость, но из-за более низкой эффективности реакции зарядки и более выраженного образования водорода ( газообразования) технология никель - железо оказалась неэффективной и от нее отказались. Юнгнер имел несколько патентов на железную версию своей батареи (патент Швеции №№ 8.558 [ постоянная мертвая ссылка ] /1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 и патент Германии № 110.210/1899). Более того, у него был один патент на NiCd аккумулятор: Swed.pat No. 15.567/1899. [19]
В 1901 году Томас Эдисон запатентовал и коммерциализировал NiFe в США [20] и предложил его в качестве источника энергии для электромобилей , таких как Detroit Electric и Baker Electric . Эдисон утверждал, что никель-железная конструкция «намного превосходит батареи, в которых используются свинцовые пластины и кислота» ( свинцово-кислотные батареи ). [21] Эдисон имел несколько патентов: патент США 678 722/1901, патент США 692 507/1902 и патент Германии № 157.290/1901. [19]
Эдисон был разочарован тем, что его аккумулятор не был принят для запуска двигателей внутреннего сгорания и что электромобили были сняты с производства всего через несколько лет после того, как его аккумулятор был представлен. Он разработал аккумулятор, который стал предпочтительным аккумулятором [22] для электромобилей , которые были предпочтительным видом транспорта в начале 1900-х годов (за ним следовали бензин и пар). Батареи Эдисона имели значительно более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, использовавшиеся в то время, и их можно было заряжать вдвое быстрее; однако они плохо работали при низких температурах и были дороже.
Работа Юнгнера была практически неизвестна в США до 1940-х годов, когда там начали производить никель-кадмиевые батареи. Никель-железная батарея на 50 В была основным источником питания постоянного тока в немецкой ракете Фау-2 времен Второй мировой войны вместе с двумя батареями на 16 В, которые питали четыре гироскопа (генераторы с турбинным приводом питали переменный ток для сервомеханизмов с приводом от магнитного усилителя ). Уменьшенная версия использовалась в летающей бомбе Фау-1 . (а именно чертежи операции «Бэкфайр» 1946 года .)
Батареи Эдисона прибыльно производились примерно с 1903 по 1972 год компанией Edison Storage Battery Company в Вест-Ориндже, штат Нью-Джерси . В 1972 году компания по производству аккумуляторов была продана корпорации Exide Battery Corporation, которая прекратила выпуск этой продукции в 1975 году. Аккумуляторы широко использовались для железнодорожной сигнализации, вилочных погрузчиков и резервного питания .
Изготавливались никель-железные элементы емкостью от 5 до 1250 Ач. Многие из первоначальных производителей больше не производят никель-железные элементы [7] , но в нескольких странах началось производство новых компаний.
Активный материал пластин батареи содержится в ряде заполненных трубок или карманов, надежно закрепленных в несущей и проводящей рамке или решетке. Опора находится в хорошем электрическом контакте с трубками. Сетка представляет собой легкий каркасный каркас, отштампованный из тонкой листовой стали, с армирующей шириной вверху. Решетки, как и все остальные внутренние металлические поверхности, никелированы для предотвращения коррозии. Элементы должны оставаться покрытыми электролитом; если они высыхают, отрицательные пластины окисляются и требуют очень долгого заряда. [18]
Активным материалом положительных пластин является форма гидрата никеля . Держатели трубок изготовлены из тонкой стальной ленты, мелкоперфорированной и никелированной, длиной около 4 дюймов и шириной 1/4 и 1/8 дюйма. в диаметре. Лента намотана спирально, с притертыми швами, а трубки армированы с интервалом примерно в 1/2 дюйма небольшими стальными кольцами. В эти трубки гидрат никеля и чистый чешуйчатый никель загружают тонкими чередующимися слоями (около 350 слоев в каждой трубке) и плотно набивают или утрамбовывают. Целью чешуек никеля является создание хорошего контакта между гидратом никеля и трубками и тем самым обеспечение проводимости. Трубки, заполненные и закрытые, затем монтируются вертикально в решетки. [18]
Активным материалом отрицательных пластин является оксид железа . Карманы фиксатора изготовлены из тонкой никелированной стали с мелкой перфорацией, прямоугольной формы, шириной 1/2 дюйма, длиной 3 дюйма и максимальной толщиной 1/8 дюйма. Оксид железа в виде мелкого порошка плотно утрамбовывается в эти карманы, после чего они монтируются в сетки. После монтажа их прижимают, заставляя плотно прилегать к решеткам. Это приводит к гофрированию сторон карманов для обеспечения пружинящего контакта кармана с активным материалом. [18]
Заряд/разряд предполагает перенос кислорода от одного электрода к другому (от одной группы пластин к другой). Поэтому этот тип клеток иногда называют оксилифтными клетками. В заряженной ячейке активный материал положительных пластин переокислен, а отрицательных пластин находится в губчатом или восстановленном состоянии. [18]
Если обычная емкость элемента недостаточна, можно выполнить кратковременные заряды с повышенной скоростью при условии, что температура электролита не превышает 115˚F / 46˚C. Эти короткие заряды очень эффективны и не вызывают травм. В течение 30 минут можно использовать скорость зарядки, в три раза превышающую нормальную скорость зарядки (определяемую как C, ток, равный номинальной емкости аккумулятора, разделенной на 1 час). [18]
Полная зарядка аккумулятора NiFe занимает семь часов при нормальной скорости аккумулятора. При эксплуатации сумма взимаемого заряда зависит от размера предыдущего разряда. Например, если батарея разряжена наполовину, ее можно заряжать в течение 3,5 часов при нормальной скорости. Перезарядка приводит к потере тока и быстрому испарению воды в электролите.
Для снижения скорости заряда на клеммах элемента на протяжении всего заряда должно поддерживаться среднее напряжение 1,67 В. Значение тока в начале заряда варьируется в зависимости от электрического сопротивления . В отсутствие сопротивления стартовая скорость будет примерно в два раза выше нормальной, а финишная — примерно на 40% от нормальной. [18]
При разряде положительные пластины восстанавливаются («раскисляются»); кислород, обладающий естественным сродством к железу, поступает к отрицательным пластинам, окисляя их. Допускаются непрерывные разряды с любой скоростью, превышающей норму до 25%, и в течение коротких периодов времени со скоростью, превышающей норму до шести раз. Когда скорость разряда превысит это значение, произойдет аномальное падение напряжения. [18]
Электролит не вступает в химические соединения, выполняя функции ячейки, действуя как конвейер. Его удельный вес не изменяется во время зарядки и разрядки, за исключением испарения и изменений температуры. Допускаются значительные изменения удельного веса, влияющие только на эффективность батареи. [18]
Никель-железные батареи не содержат свинца или кадмия , присутствующего в свинцово-кислотных и никель-кадмиевых батареях, которые требуют обращения как с опасными материалами . Никель-железные аккумуляторы не вызывают опасений разлива, поскольку в их компонентах отсутствует кислота. [23]
Уорд Харрис сидит на сиденье автомобиля с электрическим приводом, для которого Томас Эдисон изготовил батарею.
