Jern-nikkel batteri

Et jern-nikkel batteri  er en sekundær kemisk strømkilde , hvor jern  er anoden , elektrolytten er en vandig opløsning af natrium- eller kaliumhydroxid (med tilsætning af lithiumhydroxid ), katoden  er nikkel(III)oxidhydrat .

Det aktive materiale er indeholdt i nikkelbelagte stålrør eller perforerede lommer. Med hensyn til omkostninger og energitæthed er de tæt på lithium-ion-batterier , og med hensyn til selvafladning, effektivitet og spænding er de tæt på NiMH-batterier . Disse batterier er ret holdbare, modstandsdygtige over for hårdhændet håndtering (overopladning, dyb afladning, kortslutning og termisk stød) og har en meget lang levetid.

Deres brug har været faldende, siden produktionen stoppede på grund af en brand på Thomas Edisons fabrik/laboratorium i 1914 [1] check link , på grund af dårlig batteriydelse ved lave temperaturer, dårlig opladning (som NiMH-batterier) og høje produktionsomkostninger, der kan sammenlignes med bedst forseglede blybatterier og op til 1/2 af prisen på NiMH-batterier. Men på grund af de seneste års stigning i prisen på bly [2] er prisen på blybatterier steget markant, og priserne er næsten lige store. [3]

Når man sammenligner batterier med bly-syre-batterier, skal det huskes, at den tilladte operationelle afladning af et bly-syre-batteri er meget mindre end den teoretiske fulde kapacitet, og jern-nikkel er meget tæt på det. Derfor kan den reelle operationelle kapacitet af et jern-nikkel batteri, med en tilsvarende teoretisk fuld kapacitet, være flere gange (afhængigt af tilstanden) større end for et bly-syre batteri.

Holdbarhed

Disse batteriers evne til at udholde hyppige afladnings-/opladningscyklusser er forbundet med den lave opløselighed af reagenserne i elektrolytten. Den langsigtede dannelse af metallisk jern under opladning skyldes den lave opløselighed af Fe 3 O 4 . Den lange proces med dannelse af jernkrystaller sparer elektroderne, men begrænser også arbejdshastigheden: disse batterier oplades langsomt og aflades lige så langsomt.

De vigtigste faktorer, der begrænser holdbarheden af ​​jern-nikkel-batterier, er udbrændingen af ​​grafitten fra det ledende additiv på grund af frigivelsen af ​​ilt under nedbrydningen af ​​vand, korrosion af forniklede jernkasser og lameller, efterfulgt af udfældning af aktive masser ind i slammet, aflejring af jern på separatorer og en stigning i selvudledning. Jern-nikkel-elementer produceret af Edison-fabrikker i begyndelsen af ​​1900'erne havde et rørformet design af en positiv oxid-nikkel-elektrode med en ledende tilføjelse af nikkel-kronblade i stedet for grafit og en forbedret nikkel-belægningsteknologi til jernstrukturmaterialer (bagning af et flerlags nikkel belægning opnået fra en vandig opløsning af nikkelsalt i ovne med en hydrogenbeskyttende atmosfære). I dette tilfælde var den angivne levetid 100 år, og det anbefalede interval for elektrolytudskiftning var én gang hvert 5.-10. år. I billigere design af jern-nikkel-batterier med en levetid på de første ti år, på grund af udbrændingen af ​​det grafitledende additiv under driften af ​​cellen, bliver elektrolytten hurtigere forurenet med karbonater, og intervallerne mellem elektrolytudskiftningerne er reduceret (det anbefalede interval for udskiftning af elektrolytten i versioner af nikkelbatterier med grafit er fra 100 cyklusser eller en gang om året). Også efter udbrænding af en betydelig mængde grafit forringes udgangskapaciteten, og den ækvivalente indre modstand af elementet stiger på grund af forringelse af den aktive masses kontakt med elektroderne. Den endelige ødelæggelse af batteriet og fuldstændig svigt sker med gennemtæring af strukturelle elementer (lameller og/eller stålhus) på grund af den begrænsede kvalitet af fornikling af billige batterimuligheder.

Nikkel-jern batterier har længe været brugt i den europæiske mineindustri på grund af deres evne til at modstå vibrationer, høje temperaturer og andre belastninger. Interessen for sol- og vindgeneratorer , moderne elektrisk transport er igen steget.

Opfindelseshistorie

Waldemar Jungner

Den svenske opfinder Waldemar Jungner var opfinderen af ​​nikkel-cadmium-batteriet i 1899. Jungner eksperimenterede med jern som erstatning for cadmium, herunder en variant med 100 % jern. Jungner fandt ud af, at den største fordel i forhold til nikkel-cadmium-kredsløbet var omkostningerne, men på grund af lavere opladningseffektivitet og højere gasning blev nikkel-jern-teknologien anset for at være ringere og forladt. Jungner modtog flere patenter på jernudgaven af ​​sit batteri (svenske patenter nr. 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 og tysk patent nr. 110.210/1899).

Thomas Edison

Jern-nikkel-batteriet blev uafhængigt opfundet af Thomas Edison i 1901 og blev brugt som strømkilde til elektriske køretøjer såsom Detroit Electric og Baker Electric. Edison hævdede, at nikkel-jern-batterier ville være "meget bedre end batterier, der bruger blyplader og syre." Jungners arbejde var praktisk talt ukendt i USA indtil 1940'erne, hvor produktionen af ​​nikkel-cadmium-batterier blev lanceret der.

Et 50 volt nikkel-jern batteri var hovedstrømkilden i den tyske V-2 raket (sammen med to 16 volt batterier til at drive 4 gyroskoper blev en mindre version brugt i V-1 krydsermissilet ).

Indstillinger

• Lagret energi/masse: 20-50 [4] Wh/kg
• Lagret energi/volumen: 350 [5] Wh/ l
• Effekt/vægt: 100 [4] W/kg
• Effektivitet: 65 % [6]
• Pris: 1,5 [5]  - 6,6 [4] Wh / US$
• Selvafladning: 20 % [4] [5]  - 40 % [4] / måned
• Levetid: 30 [6]  - 50 år [5] [7]
• Antal driftscyklusser: Gentagen dybdeafladning påvirker ikke levetiden mærkbart. [5] [6]
• Spænding: 1,2V [4]
• Driftstemperaturområde: -40 til +46 °C [8]

Elektrokemisk proces

Halvreaktion ved katoden:

og på anoden:

(Når den aflades, fortsætter reaktionen fra venstre mod højre, når den er opladet, fra højre mod venstre.) [1]

På grund af værdien af ​​det elektrokemiske potentiale af jern i den arbejdende alkaliske opløsning frigives brint under opbevaring af et opladet batteri, og jernelektroden selvaflades. På grund af den lave værdi af overspændingen af ​​brintudvikling på jernelektroden under opladning, bliver omkring halvdelen af ​​den elektriske ladning, der passerer gennem batteriet, brugt på brintudvikling selv ved anbefalede positive driftstemperaturer. Dette er den vigtigste faktor, der begrænser energieffektiviteten af ​​et jern-nikkel batteri. Når temperaturen falder til under nul, forringes opladningseffektiviteten af ​​jernelektroden endnu mere, og ved temperaturer under -20 ° C stopper batteriet med at oplade.

Produktion

Edison-batteriet blev fremstillet fra 1903 til 1972 af Edison Battery Storage Company i East Orange , New Jersey. De var ret indbringende for virksomheden. I 1972 blev virksomheden solgt til Exide Battery Corporation, som indstillede produktionen i 1975.

I øjeblikket (2012) produceres jern-nikkel-batterier i USA, Kina, Ungarn, Rusland og Ukraine.

Ansøgning

• De bruges til backup strømforsyning, hvor de konstant kan oplades. Levetiden i dette tilfælde kan være mere end 20 år.
• Som trækbatterier i forskellige elektriske køretøjer [9] .
• I det elektriske system af personbiler såvel som rullende materiel med flere enheder og lokomotiver (til at drive styrekredsløb).

Økologi

Nikkel-jern batterier er fri for cadmium og bly, hvilket gør dem mere miljøvenlige end nikkel-cadmium og bly-syre batterier.

Se også

• Elektrisk batteri

Noter

1. ↑ "The Life of Thomas A. Edison" http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html Arkiveret 20. januar 2011 på Wayback Machine
2. ↑ Stigende blypriser: Eksperter anbefaler at opbevare batterier. . Hentet 10. april 2010. Arkiveret fra originalen 19. august 2014. (ubestemt)
3. ↑ sammenlign: Jern-nikkel batteri-Energi/forbruger-pris 1,5 - 6,6 Wh/US$ og bly-syre batteri - Energi/forbruger-pris 7-18 Wh/US$
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 mpoweruk.com: Akkumulator- og batterisammenligninger (pdf) . Hentet 7. februar 2010. Arkiveret fra originalen 29. marts 2018. (ubestemt)
5. ↑ 1 2 3 4 5 en beskrivelse af det kinesiske nikkel-jern batteri fra BeUtilityFree
6. ↑ 1 2 3 Mpower: Nickel Iron Batteries Arkiveret 26. august 2018 på Wayback Machine , Axeonpower: Nikkel Iron Batteries Arkiveret 23. marts 2011 på Wayback Machine
7. ↑ "Nikkel Iron Battery Frequently Asked Questions" BeUtilityFree Arkiveret 27. november 2013 på Wayback Machine
8. ↑ Sikkerhedskopiering af webarkiv: Edison Battery Booklet original instruktionsbog til Edison-batteriet
9. ↑ Generelle specifikationer for TNZh-batterier er afspejlet i GOST 26500-85 "Alkaline nikkel-jern-traktionsbatterier. Generelle tekniske betingelser", som gælder for batterier med en kapacitet på mere end 150 Ah, designet til at drive elektriske motorer til minedrift elektriske lokomotiver og gulvsporløse elektrificerede køretøjer under driftsbetingelserne for grupperne M26 og M28 i henhold til GOST 17516-72 i en højde op til 2000 m over havets overflade.

Litteratur

• Sort, Edwin. Intern forbrænding: Hvordan virksomheder og regeringer gjorde verden afhængige af olie og afsporede alternativerne  (engelsk) . -St Martin's Griffin, 2006. - ISBN 978-0-312-35908-9 .
• Moderne nikkel-jern batteridata

Ordbøger og encyklopædier	Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 4171805-7