Никель -железная батарея (батарея NiFe) представляет собой перезаряжаемую батарею с положительными пластинами из оксида-гидроксида никеля (III) и отрицательными пластинами из железа , с электролитом из гидроксида калия . Активные материалы находятся в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. Это очень прочная батарея, которая устойчива к неправильному использованию (перезарядке, переразрядке и короткому замыканию) и может иметь очень долгий срок службы даже при таком обращении. [7] Она часто используется в резервных ситуациях, когда ее можно непрерывно заряжать, и она может работать более 20 лет. Из-за ее низкой удельной энергии , плохого удержания заряда и высокой стоимости производства другие типы перезаряжаемых батарей вытеснили никель-железную батарею в большинстве приложений. [8]
Во многих железнодорожных транспортных средствах используются батареи NiFe. [9] [10] Примерами могут служить электровозы лондонского метро и вагон метро Нью-Йорка — R62A .
Технология вновь обрела популярность для автономных приложений, где ежедневная зарядка делает ее подходящей технологией . [11] [12] [13]
Никель-железные батареи исследуются для использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для производства водорода для автомобилей на топливных элементах и хранения. Эти "баттолизеры" могут заряжаться и разряжаться как обычные батареи и будут производить водород при полной зарядке. [14] [15] [16]
Способность этих батарей выдерживать частые циклы обусловлена низкой растворимостью реагентов в электролите. Образование металлического железа во время заряда происходит медленно из-за низкой растворимости гидроксида железа . Хотя медленное образование кристаллов железа сохраняет электроды, оно также ограничивает производительность при высоких скоростях: эти элементы заряжаются медленно и способны разряжаться только медленно. [7] Никель-железные элементы не следует заряжать от источника постоянного напряжения, поскольку они могут быть повреждены тепловым разгоном ; внутреннее напряжение элемента падает, когда начинается газовыделение, повышая температуру, что увеличивает потребляемый ток и, таким образом, еще больше увеличивает газовыделение и температуру.
Реакция полуэлемента 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, падая до 1,2 вольта во время разряда. [7] Электролитная смесь гидроксида калия и гидроксида лития не расходуется при зарядке или разрядке, поэтому в отличие от свинцово-кислотного аккумулятора удельный вес электролита не указывает на состояние заряда. [7] Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора NiFe, равно или превышает 1,6 вольта на элемент. [18] Включение гидроксида лития улучшает производительность элемента. Напряжение выравнивающего 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% железа. Юнгнер обнаружил, что главным преимуществом по сравнению с никель-кадмиевой химией была стоимость, но из-за более низкой эффективности реакции зарядки и более выраженного образования водорода (газообразования) никель - железная технология была признана неудовлетворительной и заброшенной. У Юнгнера было несколько патентов на железную версию его батареи (шведские патенты №№ 8.558 [ permanent dead link ] /1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 и немецкий патент № 110.210 /1899). Кроме того, у него был один патент на никель-кадмиевую батарею: Swed.pat № 15.567/1899. [19]
В 1901 году Томас Эдисон запатентовал и коммерциализировал NiFe в Соединенных Штатах [20] и предложил его в качестве источника энергии для электромобилей , таких как Detroit Electric и Baker Electric . Эдисон утверждал, что конструкция из никеля и железа «намного превосходит батареи, использующие свинцовые пластины и кислоту» ( свинцово-кислотная батарея ). [21] У Эдисона было несколько патентов: патент США 678,722 /1901, патент США 692,507 /1902 и немецкий патент № 157.290/1901. [19]
Эдисон был разочарован тем, что его батарея не была принята 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 батарею, чтобы она стала батареей выбора [22] для электромобилей , которые были предпочтительным видом транспорта в начале 1900-х годов (за ними последовали бензиновые и паровые). Батареи Эдисона имели значительно более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, использовавшиеся в то время, и могли заряжаться в два раза 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 производить никель-кадмиевые батареи. 50-вольтовая никель-железная батарея была основным источником постоянного тока в немецкой ракете V-2 времен Второй мировой войны , вместе с двумя 16-вольтовыми батареями, которые питали четыре гироскопа (турбинные генераторы поставляли переменный ток для сервомеханизмов , управляемых магнитным усилителем ). Уменьшенная версия использовалась в летающей бомбе V-1 . (см. чертежи операции «Обратный огонь» 1946 года.)
Аккумуляторы Эдисона с прибылью производились примерно с 1903 по 1972 год компанией Edison Storage Battery Company в Уэст-Оранж, штат Нью-Джерси . В 1972 году компания по производству аккумуляторов была продана Exide Battery Corporation, которая прекратила выпуск продукта в 1975 году. Аккумулятор широко использовался для железнодорожной сигнализации, вилочных погрузчиков и резервного питания .
Никель-железные элементы выпускались с емкостью от 5 до 1250 А·ч. Многие из первоначальных производителей больше не выпускают никель-железные элементы, [7] но в нескольких странах началось производство новыми компаниями.
Активный материал пластин батареи содержится в ряде заполненных трубок или карманов, надежно закрепленных в поддерживающей и проводящей рамке или сетке. Опора находится в хорошем электрическом контакте с трубками. Сетка представляет собой легкую каркасную рамку, штампованную из тонколистовой стали, с усиливающей шириной в верхней части. Сетки, а также все другие внутренние металлические поверхности, никелированы для предотвращения коррозии. Элементы должны оставаться покрытыми электролитом; если они высыхают, отрицательные пластины окисляются и требуют очень длительного заряда. [18]
Активный материал положительных пластин представляет собой форму гидрата никеля . Держатели трубок изготовлены из тонкой стальной ленты, мелко перфорированной и никелированной, длиной около 4 дюймов и диаметром 1/4 дюйма и 1/8 дюйма. Лента спирально намотана, с нахлесточными швами, а трубки армированы с интервалом около 1/2 дюйма небольшими стальными кольцами. В эти трубки гидрат никеля и чистый чешуйчатый никель загружаются тонкими чередующимися слоями (около 350 слоев каждого на трубку) и плотно упаковываются или утрамбовываются. Целью чешуйчатого никеля является создание хорошего контакта между гидратом никеля и трубками и, таким образом, обеспечение проводимости. Трубки, когда они заполнены и закрыты, затем монтируются вертикально в сетки. [18]
Активным материалом отрицательных пластин является оксид железа . Карманы фиксатора сделаны из тонкой, мелко перфорированной никелированной стали, прямоугольной формы, шириной 1/2 дюйма, длиной 3 дюйма и максимальной толщиной 1/8 дюйма. Оксид железа в виде тонкого порошка плотно утрамбовывается в эти карманы, после чего они монтируются в решетки. После монтажа их прессуют, заставляя их находиться в тесном контакте с решетками. Это гофрирует стороны карманов, обеспечивая пружинный контакт кармана с активным материалом. [18]
Заряд/разряд включает в себя перенос кислорода от одного электрода к другому (от одной группы пластин к другой). Поэтому этот тип ячейки иногда называют ячейкой с кислородным подъемом. В заряженной ячейке активный материал положительных пластин переокисляется, а отрицательных пластин находится в губчатом или восстановленном состоянии. [18]
Если нормальной емкости элемента недостаточно, можно использовать короткие ускоренные заряды при условии, что температура электролита не превышает 115˚ F / 46˚ C. Эти короткие заряды очень эффективны и не вызывают травм. Скорости, в три раза превышающие нормальную скорость заряда (определяемую как C, ток, равный номинальной емкости батареи, деленной на 1 час), можно использовать в течение 30 минут. [18]
Полная зарядка элемента NiFe занимает семь часов при нормальном токе элемента. При эксплуатации количество подаваемого заряда определяется степенью предыдущей разрядки. Например, батарея, разряженная наполовину, допускает 3,5 часа нормального заряда. Перезарядка приводит к потере тока и быстрому испарению воды в электролите.
Для понижающихся скоростей заряда среднее значение 1,67 вольт должно поддерживаться на клеммах ячейки в течение всего заряда. Значение тока в начале заряда изменяется в зависимости от электрического сопротивления . При отсутствии сопротивления начальная скорость будет примерно в два раза выше нормальной, а конечная скорость составит около 40% от нормальной. [18]
При разряде положительные пластины восстанавливаются («раскисляются»); кислород, имеющий естественное сродство к железу, переходит к отрицательным пластинам, окисляя их. Разрешается непрерывный разряд с любой скоростью до 25% выше нормы и в течение коротких периодов до шести раз выше нормы. Когда скорость разряда превышает это значение, происходят аномальные падения напряжения. [18]
Электролит не вступает в химическую связь для выполнения функций ячейки, действуя как конвейер. Его удельный вес не изменяется во время заряда и разряда, за исключением испарения и изменения температуры. Допускается значительное изменение удельного веса, влияющее только на эффективность батареи. [18]
Никель-железные батареи не содержат свинца или кадмия , как свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, которые требуют обращения как опасные материалы . Никель-железные батареи не вызывают проблем с утечкой, поскольку в компоненте нет кислоты. [23]
Харрис сидит на сиденье автомобиля с электрическим приводом, для которого Томас Эдисон изготовил батарею.
