Nikkel-brint batteri (NiH 2 eller Ni-H 2 ) er en reversibel kemisk strømkilde bestående af nikkel- og brintelektroder [ 1] . Det adskiller sig fra nikkel-metalhydridbatteriet ved brug af brint i gasform, lagret i komprimeret tilstand i cellen ved et tryk på 82,7 bar [2] .
NiH 2 - celler, der anvender 26 % kaliumhydroxid (KOH) som elektrolyt , opnår en levetid på 15 år eller mere ved 80 % afladningsdybde [3] . Energitætheden er 75 W•h / kg , 60 W•h/dm 3 [4] [5] . Spændingen ved kontakterne er 1,55 V , gennemsnitsspændingen under afladningen er 1,25 V [6] .
På trods af at energitætheden kun er omkring en tredjedel af et lithiumbatteris , er den specifikke egenskab ved et nikkel-brint batteri dets lange levetid: cellerne modstår mere end 20.000 afladningscyklusser [7] med en effektivitet på 85 %.
NiH 2 - batterier har gode elektriske egenskaber, hvilket gør dem attraktive til lagring af elektrisk energi på rumfartøjer [8] . For eksempel er ISS [9] , Messenger [10] , Mars Odyssey [11] , Mars Global Surveyor [12] og MRO udstyret med nikkel-hydrogen-batterier. Hubble-teleskopet , da dets originale batterier blev udskiftet i maj 2009 19 år efter opsendelsen, opnåede det højeste antal afladningscyklusser af ethvert NiH 2 - batteri i lave referencebaner [13] .
Udviklingen af nikkel-hydrogen-batterier begyndte i 1970 ved COMSAT [14] , hvor de første gang blev brugt i 1977 ombord på den amerikanske flådes NTS-2-satellit . [femten]
Nikkel-hydrogen-batteriet kombinerer nikkel-cadmiumcellens positive nikkelelektrode og den negative elektrode, som omfatter katalysatoren og gasdiffusionsdelen af brændselscellen . Under udledningen interagerer brinten indeholdt i trykbeholderen med ilten i nikkeloxychloridelektroden. Vand forbruges ved nikkelelektroden og frigives ved brintelektroden, så koncentrationen af kaliumhydroxid i elektrolytten ændres ikke. Når batteriet aflades, falder brinttrykket, hvilket giver en pålidelig indikation af afladningstilstanden. I batteriet i en af kommunikationssatellitterne var trykket over (3,4 MPa ) når det var fuldt opladet, faldende til næsten (0,1 MPa) når det var helt afladet.
Hvis det opladede batteri fortsætter med at blive opladet, diffunderer vandet dannet på nikkelelektroden ind i brintelektroden og dissocierer der; som følge heraf kan batterier modstå overopladning, så længe den genererede varme forsvinder.
Batterier har ulempen ved relativt høj selvafladning, som er proportional med brinttrykket i cellen; i nogle designs kan 50 % kapacitet gå tabt efter et par dages opbevaring. Selvafladning falder med faldende temperatur. [16]
Sammenlignet med andre batterier har nikkel-brint batterier en god energitæthed på 60 Wh/kg og en meget lang levetid på satellitter. Celler kan modstå overopladning, utilsigtet polaritetsvending , cellebrinttryk giver en god indikation af udladningsgraden. Brintens gasformige natur betyder imidlertid, at den volumetriske virkningsgrad er ret lav, og det høje tryk, der kræves, gør det nødvendigt at bruge dyre trykbeholdere. [16]
Den positive elektrode er lavet af en sintret [17] porøs nikkelskive, der indeholder nikkelhydroxid . Den negative brintelektrode bruger en teflon-bundet platinkatalysator med en zirconiumfilament-separator [18] . [19]
Individual Vessel (IPV) batteridesignet består af en NiH 2 -celle og en trykbeholder. [tyve]
Common Vessel (CPV) batteridesignet består af to NiH 2 -celler i serie og en fælles trykbeholder. CPV giver noget højere energitæthed end IPV.
SPV-designet kombinerer op til 22 celler i et fælles kar.
I et bipolært design er en tilstrækkelig tyk elektrode almindelig: positiv for en og negativ for en tilstødende celle i SPV'en. [21]
Dependent Vessel (DPV) design giver mere energitæthed til en lavere pris. [22]
Det fælles/afhængige kar (C/DPV) design er en hybrid af CPV og DPV med høj volumetrisk effektivitet. [23]