Аккумулятор состав: устройство, виды и принцип работы АКБ, а также срок службы и характеристики батареи – 403 — Доступ запрещён

Железо-никелевый аккумулятор — Википедия

Желе́зо-ни́келевый аккумуля́тор — это вторичный химический источник тока, в котором железо — анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрия или калия (с добавками гидроксида лития), катод — гидрат окиси никеля(III).

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения — к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году^{[1]проверить ссылку}, по причине плохих показателей работы батарей при низких температурах, плохого удержания заряда (как у NiMH аккумуляторов) и высокой стоимости производства, сравнимой с лучшими герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами и до 1/2 стоимости NiMH аккумуляторов. Однако в связи с ростом стоимости свинца

[2] в последние годы, цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, и цены практически сравнялись.^[3]

При сравнении аккумуляторов со свинцово-кислотными следует помнить, что допустимый эксплуатационный разряд свинцово-кислотного аккумулятора значительно меньше, чем теоретическая полная ёмкость, а железоникелевого — очень близок к ней. Поэтому реальная эксплуатационная ёмкость железоникелевого аккумулятора, при равной теоретической полной ёмкости, может быть в несколько раз (в зависимости от режима) больше, чем у свинцово-кислотного.

Способность этих аккумуляторов выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью реагентов в электролите. Длительное формирование металлического железа в процессе зарядки обусловлено низкой растворимостью Fe₃O₄. Длительный процесс образования кристаллов железа сохраняет электроды, но также лимитирует скорость работы: данные аккумуляторы заряжаются медленно и так же медленно разряжаются.

Основные факторы ограничивающие долговечность железо-никелевых аккумуляторов — выгорание графита токопроводящей добавки из-за выделения кислорода при разложении воды, коррозия никелированных железных корпусов и ламелей с последующим высыпанием активных масс в шлам, осаждение железа на сепараторах и увеличение саморазряда. Железо-никелевые элементы производства заводов Эдисона в начале 19хх годов имели трубчатую конструкцию положительного окисно-никелевого электрода с токопроводящей добавкой никелевых лепестков вместо графита и улучшенную технологию никелирования железных конструкционных материалов (запекание многослойного никелевого покрытия, полученого из водного раствора никелевой соли, в печах с водородной защитной атмосферой). При этом назначенный срок службы составлял 100 лет и рекомендованный интервал замены электролита — один раз в 5..10 лет. В более дешевых конструкциях железо-никелевых аккумуляторов со сроком службы в начальные десятки лет из-за выгорания графитной токопроводящей добавки в процессе эксплуатации элемента быстрее загрязняется электролит карбонатами и уменьшаются интервалы между заменами электролита (рекомендованный интервал замены электролита в исполнениях никелевых аккумуляторов с графитом — от 100 циклов или 1 раз в год). Также после выгорания существенного количества графита ухудшается отдаваемая емкость и увеличивается эквивалентное внутреннее сопротивление элемента из-за ухудшения контакта активной массы с электродами. Окончательное разрушение аккумулятора и полный выход из строя происходят при сквозной коррозии конструкционных элементов (ламелей и/или стального корпуса) из-за ограниченного качества никелирования дешевых вариантов исполнения аккумулятора.

Никель-железные аккумуляторы долгое время использовались в европейской горной промышленности благодаря их способности выносить вибрацию, высокие температуры и другие стрессовые воздействия. Повторно к ним возрос интерес в солнечных и ветрогенераторах, современном электротранспорте.

Вальдемар Юнгнер[править | править код]

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер (Waldemar Jungner, в английском произношении — Джангнер) был изобретателем никель-кадмиевого аккумулятора в 1899. Юнгнер экспериментировал с железом в качестве замены кадмию, включая вариант со 100 % железом. Юнгнер обнаружил, что главным преимуществом перед никель-кадмиевой схемой была стоимость, но из-за более низкой эффективности зарядки и более высокого газообразования никель-железная технология была признана неполноценной и заброшена. Юнгнер получил несколько патентов на железную версию его аккумулятора (шведские патенты № 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 и германский патент № 110.210/1899).

Томас Эдисон[править | править код]

Железо-никелевый аккумулятор был независимо изобретён Томасом Эдисоном в 1901 и использовался как источник энергии для электромобилей, таких как «Detroit Electric» и «Baker Electric». Эдисон заявлял, что никель-железные батареи будут «гораздо лучше аккумуляторов, использующих свинцовые пластины и кислоту». Работа Юнгнера была практически неизвестна в США вплоть до 40-х годов, когда там было запущено производство никель-кадмиевых аккумуляторов. 50-вольтовая никель-железная батарея была основным источником питания в немецкой ракете «Фау-2» (совместно с двумя 16-вольтовыми аккумуляторами питания 4 гироскопов, в уменьшенной версии использовалась в крылатой ракете «Фау-1»).

• Запасённая энергия/масса: 20-50^[4] Вт·ч/кг
• Запасённая энергия/объем: 350^[5] Вт·ч/л
• Мощность/масса: 100^[4] Вт/кг
• Эффективность: 65%^[6]
• Стоимость: 1,5^[5] — 6,6^[4] Вт·ч/US$
• Саморазряд: 20%^[4][5] — 40 %^[4]/месяц
• Срок службы: 30^[6] — 50 лет^[5][7]
• Количество рабочих циклов: Многократный глубокий разряд на срок службы заметно не влияет. ^[5][6]
• Напряжение: 1,2 В^[4]
• Рабочий диапазон температур: от −40 до +46 °C^[8]

Половина реакции на катоде:

2NiOOH+2h3O+2e−⇌2Ni(OH)2+2OH−{\displaystyle {\mathsf {2NiOOH\;+\;2H_{2}O\;+\;2e^{-}\quad \rightleftharpoons \quad 2Ni(OH)_{2}+2OH^{-}}}}

и на аноде:

Fe+2OH−⇌Fe(OH)2+2e−.{\displaystyle {\mathsf {Fe+2OH^{-}\quad \rightleftharpoons \quad Fe(OH)_{2}+2e^{-}}}.}

(При разряде реакция протекает слева направо, при заряде справа налево.) [1]

В связи со значением электрохимического потенциала железа в рабочем щелочном растворе при хранении заряженого аккумулятора происходит выделение водорода и саморазряд железного электрода. Также из-за малого значения перенапряжения выделения водорода на железном электроде при заряде примерно половина прошедшего через аккумулятор электрического заряда тратится на выделение водорода даже при рекомендованых положительных рабочих температурах. Это основной фактор ограничивающий энергетическую эффективность железо-никелевого аккумулятора. При понижении температуры ниже нуля зарядная эффективность железного электрода еще больше ухудшается и примерно при ниже −20 °C аккумулятор перестает заряжаться.

Аккумулятор Эдисона производился с 1903 до 1972 компанией «Edison Battery Storage Company» в East Orange, штат Нью-Джерси. Они были достаточно прибыльными для компании. В 1972 компания была продана корпорации «Exide Battery», которая прекратила производство в 1975.

В настоящее время (2012) железо-никелевые аккумуляторы производятся в США, Китае, Венгрии, России и Украине.

Железо-никелевые аккумуляторы не содержат кадмия и свинца, что делает их более безопасными для окружающей среды, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные аккумуляторы.

Щелочной элемент — Википедия

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно гидроксида калия.

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Вальдемар Джангнер (англ.) в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году^[1][2]. Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри (англ.)русск. в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide (англ.), выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона^[3]. В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента^[4].

Типичные характеристики щелочного элемента питания^[5][6]:

• ЭДС элемента: 1,5 В;
• Удельная энергия: 65—90 Вт∙ч/кг;
• Удельная мощность: 100—150 кВт/м³;
• Рабочая температура: -30…+55 °С.

На аноде проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:

Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e⁻

Который затем разлагается на оксид цинка и воду.

Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III):

2MnO₂ + H₂O + 2e⁻ → Mn₂O₃ + 2OH⁻

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением:

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e⁻ → 2e⁻ + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

В отличие от солевого элемента, в щелочном электролит в процессе разрядки батареи практически не расходуется, а значит, достаточно малого его количества. Поэтому в щелочном элементе в среднем в 1,5 раза больше диоксида марганца.

Основные части щелочного элемента

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке. Анодная паста (3) в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или сажей (5), анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек. Прокладка (8) воспринимает давление газов, образующихся при работе. Выделение газов в щелочном элементе значительно меньше, чем в солевом, поэтому объём камеры для их сбора тоже меньше. Для предотвращения взрыва батареи при неправильном использовании (например, коротком замыкании), в ней имеется предохранительная мембрана (7). При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента — результатом обычно становится течь электролита.

Для увеличения срока хранения в ранних конструкциях элементов производилось амальгамирование цинкового порошка, однако такой способ продления срока хранения элементов делает элементы опасными для использования в быту. Поэтому в современные элементы вводят специальные органические ингибиторы коррозии.

Срок хранения щелочного элемента больше, чем у солевого, за счёт герметичной конструкции, также он не столь требователен к условиям хранения.

В отличие от солевых элементов щелочные могут работать при большем разрядном токе. Кроме того, отсутствует эффект «усталости» элемента, когда после работы на большой нагрузке происходит значительное падение напряжения на выводах элемента, и для восстановления его работоспособности требуется определённое время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.

Щелочной элемент имеет то же рабочее напряжение, что и обычный марганцево-цинковый при большей ёмкости, разрядном токе, сроке хранения и рабочем диапазоне температур. Щелочные элементы выпускаются в тех же типоразмерах, что и солевые, и потому могут применяться в тех же приборах, например, в фонарях, электронных игрушках, переносных магнитофонах и т.д. Однако за счёт лучших разрядных характеристик возможно применение их как в устройствах, потребляющих значительный ток (фотовспышки, радиоуправляемые модели), так и в устройствах, потребляющих относительно небольшой ток в течение длительного времени (электронные часы).

Сравнение солевых и щелочных элементов[править | править код]

Благодаря такой конструкции, у щелочного элемента есть следующие особенности:

• Отсутствие расхода электролита, а значит меньшее его количество, необходимое для работы
• Анодом является порошкообразный цинк, а не цинковый стакан, поэтому реакция идёт на значительно большей поверхности.
• Меньше газовыделение, благодаря чему элемент можно делать полностью герметичным.

Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:

Преимущества[править | править код]

• Ёмкость — в 1,5–10 раз больше, чем у солевых элементов, в зависимости от режима работы, при том же типоразмере элемента
• Меньший саморазряд, длительный срок хранения
• Лучшая работа при низких температурах
• Лучшая работа при больших токах нагрузки
• Меньше падение напряжения по мере разряда

Недостатки[править | править код]

• Более высокая цена
• Большая масса
• Неприемлемы способы восстановления работоспособности, применимые для солевых элементов. Однако существуют особые конструкции щелочных элементов, допускающие определённое количество (обычно, до 25) перезарядок. Такие элементы называют «Rechargeable Alkaline Manganese» (RAM, перезаряжаемые щелочные марганцевые).

• Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — С. 85—95. — 128 с.
• В.В. Китаев, Бокуняев А.А. Колканов М.Ф. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — С. 225—235. — 328 с. — 24 000 экз.
• Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.

Никель-водородный аккумулятор — Википедия

Никель-водородный аккумулятор (NiH₂ или Ni–H₂) — это обратимый химический источник тока, состоящий из никелевого и водородного электродов ^[1]. Он отличается от никель-металл-гидридного аккумулятора использованием водорода в газообразной форме, хранящегося в сжатом состоянии в ячейке при давлении в 82,7 бар

[2].

NiH₂ ячейки с использованием 26% раствора гидроксида калия (KOH) в качестве электролита достигают срока эксплуатации в 15 лет или более при 80% глубине разряда ^[3]. Плотность энергии составляет 75 Вт•ч/кг, 60 Вт•ч/дм^3[4][5]. Напряжение на контактах составляет 1,55 В, среднее напряжение на протяжении разряда — 1,25 В ^[6].

Несмотря на то, что плотность энергии составляет только около одной трети аналогичного показателя литиевой батареи, специфическим свойством никель-водородного аккумулятора является продолжительность срока эксплуатации: ячейки выдерживают более чем 20000 циклов разряда^[7] при 85% эффективности.

NiH₂аккумуляторы обладают хорошими электрическими свойствами, делающими их привлекательными для хранения электрической энергии на космических аппаратах ^[8]. Например, МКС ^[9], Messenger^[10], Марс Одиссей^[11], Mars Global Surveyor^[12] и MRO оборудованы никель-водородными аккумуляторами. Телескоп Хаббла, когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года спустя 19 лет после запуска, достиг наибольшего числа циклов разряда среди NiH₂ батарей на низких опорных орбитах ^[13].

Развитие никель-водородных аккумуляторов началось в 1970 году в COMSAT^[14] где впервые были использованы в 1977 году на борту спутника NTS-2 военно-морских сил США.

[15]

Никель-водородный аккумулятор объединяет положительный никелевый электрод никель-кадмиевого элемента и отрицательный электрод, включающий катализатор и газ-диффузионную часть топливного элемента. В ходе разряда водород, содержащийся в сосуде под давлением взаимодействует с кислородом никельоксихлоридного электрода. Вода потребляется на никелевом электроде и высвобождается на водородном, таким образом концентрация гидроксида калия в электролите не изменяется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, обеспечивая надёжную индикацию степени разряда. В батарее одного из коммуникационных спутников давление при полном заряде было свыше (3,4 МПа), падая практически до (0,1 МПа) при полном разряде.

Если заряженный аккумулятор продолжить заряжать, вода, образуемая на никелевом электроде диффундирует в водородный электрод и там диссоциирует; как следствие, аккумуляторы могут выдерживать перезаряд до тех пор, пока рассеивается выделяющееся тепло.

Аккумуляторы имеют недостаток в виде относительно высокого саморазряда, который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% ёмкости могут быть потеряны после нескольких дней хранения. Саморазряд снижается при снижении температуры. ^[16]

В сравнении с другими аккумуляторами никель-водородные обладают хорошей плотностью энергии в 60 Вт•ч/кг, и очень длительным сроком эксплуатации на спутниках. Ячейки могут выдерживать перезарядку, случайное нарушение полярности, давление водорода в ячейке обеспечивает хорошую индикацию степени разряда. Однако, газообразная природа водорода означает, что объёмная эффективность достаточно низка, а требуемое высокое давление приводит к необходимости использовать дорогие сосуды под давлением.

[16]

Положительный электрод изготавливают из спечённого ^[17] пористого никелевого диска, который содержит гидроксид никеля. В отрицательном водородном электроде используют связанный тефлоном платиновый катализатор с сепаратором из циркониевых нитей ^[18].^[19]

Конструкция аккумулятора с индивидуальным сосудом (IPV) состоит из NiH₂ ячейки и сосуда под давлением. ^[20]

Конструкция аккумулятора с общим сосудом (CPV) состоит из двух последовательных NiH₂ ячеек и общего сосуда под давлением. CPV обеспечивает несколько большую плотность энергии, чем IPV.

SPV конструкция объединяет до 22 ячеек в общем сосуде.

В биполярной конструкции достаточно толстый электрод является общим: положительным для одной и отрицательным для соседней ячейки в SPV. ^[21]

Конструкция с зависимым сосудом (DPV) обеспечивает большую плотность энергии при меньших затратах.^[22]

Конструкция с общим/зависимым сосудом (C/DPV) является гибридом CPV и DPV с высокой объёмной эффективностью.^[23]

• Albert H. Zimmerman (ed), Nickel-Hydrogen Batteries Principles and Practice, The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9.

Литий-серный аккумулятор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 февраля 2019; проверки требуют 3 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 февраля 2019; проверки требуют 3 правки.

Литий-серный аккумулятор
Схематический рисунок ЛСА в ходе разряда
Удельная энергоёмкость	250-500 Вт/ч/кг
Долговечность (циклы)	>1000
Электродвижущая сила	1,7-2,5 В

Литий-серный аккумулятор (сокращённо — Li-S, ЛСА) — вторичный химический источник тока, в котором катод жидкий с содержанием серы отделён от электролита специальной мембраной.

• Теоретическая удельная энергоёмкость: до 2600^[1]Вт·ч/кг (до 9360 кДж/кг)
• Удельная энергоёмкость: 250–500 Вт·ч/кг (900-1800 кДж/кг)
• Удельная энергоплотность: 218^[2] Вт·ч/дм³ (785 кДж/дм³)
• Удельная плотность конструкции: н/д кг/дм³
• Количество циклов заряд-разряд до потери 20% ёмкости: 1000^[3] (1500 без потерь ёмкости, при токах 0,05-1 С^[4])
• Срок хранения: н/д лет
• Саморазряд при комнатной температуре: н/д % в месяц
• Напряжение: 2.1^[2][5]В; 1,7-2,5^[4] В
• Удельная мощность: н/д Вт/кг (при разряде током н/д С)
• Диапазон рабочих температур: от -40°C^[1]
• КПД: н/д %
• Стоимость: достижима менее $100/кВт·ч^[4] (10 Вт⋅ч/$)

Аккумулятор сделан многослойным, между анодом и катодом расположены анодные и катодные мембраны и слой электролита. Конструкция такого аккумулятора схожа с литий-ионными аккумуляторами, однако, в отличие от него, литий-серный аккумулятор использует вместе с литиевым анодом серосодержащий катод, за счёт чего увеличивается его удельная зарядовая ёмкость. Другая особенность Li-S — возможность использовать жидкий катод, увеличивая таким образом плотность тока через него^[5].

Электро-химическая реакция[править | править код]

Реакция литий-серного аккумулятора совпадает с реакцией натрий-серного аккумулятора, только в данном случае роль натрия выполняет литий^[6]:

Разряд

S₈ → Li₂S₈ → Li₂S₆ → Li₂S₄ → Li₂S₃

Заряд

Li₂S → Li₂S₂ → Li₂S₃ → Li₂S₄ → Li₂S₆ → Li₂S₈ → S₈

Примечательна удельная энергоёмкость литий-серных аккумуляторов, составляющая уже у первых образцов до 300 Вт·ч/кг^[5]. К другим достоинствам литий-серного аккумулятора можно отнести отсутствие необходимости использовать компоненты защиты, низкая себестоимость, широкий диапазон рабочих температур и общую экологическую безопасность^[1].

К недостаткам литий-серного аккумулятора следует отнести очень короткое время жизни (всего 50-60 циклов заряд-разряд)^[2]. Однако, последние образцы имеют долговечность 1000 и более циклов^[7][8][3][4].

Разработка[править | править код]

Первые образцы подобных аккумуляторов были разработаны в 2004 году компанией Sion Power из США. В 2006 эта компания представила опытный образец аккумулятора размером 11×35×55 мм и ёмкостью 2,2 А⋅ч при напряжении 2,1 В^[2][9].

В результате исследований, команде ученых из Стэнфорда удалось стабилизировать время жизни на уровне 100 циклов заряд-разряда, при падении ёмкости на 10-20% от изначальной. Однако примененный учеными способ (добавление полиэтиленгликоля, полуокисленного графена и микрочастиц сажи) приводит к очень высокому разбросу показателей катодов — лучшие из них теряют 10% ёмкости, худшие — 25%^[10].

В 2013-м году учёными из Лаборатории Беркли(США) достигнута энергоёмкость 500 Вт·ч/кг и около 250 Вт·ч/кг при заряде/разряде токами 0,05 и 1 C соответственно; долговечность при этом составила не менее 1500 циклов заряда-разряда без потери ёмкости^[4].

Использование[править | править код]

Именно такой тип аккумуляторов использовался в августе 2008 года при рекордно высоком и продолжительном полёте на самолёте на солнечных батареях^[11].

1. ↑ ^{1 2 3} Перспективные источники тока.
2. ↑ ^{1 2 3 4} Построен новый тип сверхъёмкого литиевого аккумулятора. 20.03.2006
3. ↑ ^{1 2} Li-S battery company OXIS Energy reports 300 Wh/kg and 25 Ah cell, predicting 33 Ah by mid-2015, 500 Wh/kg by end of 2018. 12.11.2014
4. ↑ ^{1 2 3 4 5} New lithium/sulfur battery doubles energy density of lithium-ion. 01.12.2013
5. ↑ ^{1 2 3} Литий-серные аккумуляторы для портативных устройств (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 2 августа 2010. Архивировано 24 мая 2012 года.
6. ↑ Tudron, F.B., Akridge, J.R., and Puglisi, V.J. (2004): Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics Архивная копия от 14 июля 2011 на Wayback Machine (Tucson, AZ: Sion Power)  (англ.)
7. ↑ World-Record Battery Performance Achieved With Egg-Like Nanostructures. 08.01.2013
8. ↑ Sulphur-TiO2 yolk-shell nanoarchitecture with internal void space for long-cycle lithium-sulphur batteries. Январь 2013
9. ↑ Разработан самый емкий на сегодня аккумулятор
10. ↑ Графен повысил живучесть ультраёмких батарей. 14.07.2011
11. ↑ BBS News: «Solar plane makes record flight»  (англ.)

Никель-солевой аккумулятор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

никель-солевой аккумулятор
Аккумуляторная батарея FIAMM SoNick 48TL200 (48 В, 200 А • ч)
Удельная энергоёмкость	140 Вт/ч/кг
Удельная энергоплотность	280 Вт/л
Электродвижущая сила	2,58 В
Рабочая температура	от -40 до +60 °С

Никелево-солевой аккумуля́тор (Ni-NaCl, он же никелево-натриево-хлоридный аккумулятор, он же натриево-никелево-хлоридный аккумулятор) — вторичный химический источник тока, в котором катодом является металлический натрий, электролитом — керамический стакан-сепаратор из корунда (бета-глинозёма) и расплавленная соль, анодом — никелевая проволока. ЭДС никелево-солевого аккумулятора равен 2,56 В, удельная плотность энергии около 140 Вт·ч/кг в элементах и свыше 90 Вт·ч/кг в готовых батареях с системой управления. В зависимости от режима работы (буферный или циклический режим) срок службы составляет от 3000 до 9000 циклов заряда-разряда или же свыше 20-25 лет в буферном режиме. Никель-солевые аккумуляторы могут храниться разряженными, в отличие от свинцово-кислотных и никель-металлогидридных аккумуляторов, которые нужно хранить полностью заряженными, и от литий-ионных аккумуляторов, которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора.

Никелево-солевые аккумуляторные батареи (2NaCl-Ni) — аккумуляторы с высокими показателями удельной энергоёмкости, цикличности и стойкости к высоким и низким температурам (-40°С до +60°С). Производятся из обыкновенной поваренной соли, керамики и никеля. Аккумуляторы абсолютно герметичные, относительно компактные в сравнении с традиционными свинцовыми аккумуляторами и экологически чистые.

Исследования по изучению перезаряжаемых аккумуляторных батарей на основе натрия в качестве отрицательного электрода начались ещё в 60-х годах прошлого века. Натрий привлек внимание учёных в первую очередь из-за своего большого электрического потенциала -2,71 В, лёгкого веса, нетоксичности и дешевизны.
Наиболее известный аккумулятор на основе натрия — это натрий-серный аккумулятор, выпускаемый японской корпорацией NGK. Никелево-солевые аккумуляторы являются логическим продолжением натриево-серной технологии, при этом они лишены недостатков, присущих натриево-серным батареям, а именно не содержат в своем составе едкой серы, которая ввиду своих свойств способствует быстрой коррозии керамики и тем самым сокращает срок службы аккумулятора.
Никелево-солевые батареи были впервые испытаны в 1970-х годах группой учёных в рамках проекта Zeolite Battery Research Africa (ZEBRA) в Претории, ЮАР под руководством доктора Йохана Котзера. По сокращённому названию проекта батарея и получила название Zebra. В течение 1980-х группой Beta Research and Development of Derby, Великобритания были полностью описаны химия элементов, электрохимические процессы, а также описан производственный цикл.
В течение 20 лет группа учёных доводила технологию до совершенства, испытывая в активном веществе присадки из разных металлов для достижения наибольших показателей производительности.
Серийное производство никелево-солевых батарей для разных отраслей промышленности было налажено в 1998 году в Швейцарии в г. Стабио на заводе MES-DEA. Сегодня данное предприятие входит в группу FIAMM и выпускает батареи для энергетики, связи, систем накопления энергии.

Особенностью работы никелево-солевого аккумулятора является расплавленное состояние электролита (NaAlCl4) и отрицательного электрода (Na), точка плавления которых составляет 157 °C и 98 °C соответственно. Именно по этой причине все аккумуляторы, в основе которых лежит применение натрия, например натриево-серные, относятся к разряду высокотемпературных и работают в температурном режиме около +250 °C.
Отрицательный электрод выполнен из натрия и в процессе работы также находится в расплавленном состоянии. Электрический потенциал натрия (-2,71 В) сделал его крайне привлекательным для применения в системах аккумулирования энергии, плюс ко всему он лёгок, безвреден, а главное — это вещество недорого.
Положительный электрод выполнен из никеля и в заряженном состоянии переходит в хлорид никеля.
Положительный и отрицательный электроды отделяются друг от друга керамическим сепаратором-мембраной. Он выполнен из β-глинозема (корунд), и обеспечивает протекание электро-химической реакции, пропуская через себя ионы натрия.

Устройство элемента, основные компоненты[править | править код]

Рис. 2 Устройство элемента Никель-Солевой батареи

• Никель — положительный токосъемник (проволока), вспомогательное вещество (порошок).
• Поваренная соль (2NaCl) — активное вещество в виде порошка.
• β-глинозем — сепаратор.
• Алюминий — вспомогательное вещество (в виде порошка).
• Железо — вспомогательное вещество (в виде порошка).
• Прочие присадки, в основном металлические пудры, для обеспечения высоких показателей по цикличности и сроку службы.
• Нержавеющая сталь — стальной контейнер ячеек.

При заряде Соль вступает в реакцию с никелем, образуя хлорид никеля, в результате чего высвобождается 2 иона натрия, которые, проходя через керамический сепаратор, накапливаются на внешней его стенке.
В ходе разряда во внутренней полости керамического сепаратора восстанавливается поваренная соль и никель.
Процесс заряда/разряда полностью обратный, без образования каких-либо побочных продуктов, что позволяет достигать высоких показателей по срокам службы как в буферном, так и в циклическом режиме.

2NaCl+Ni <=========> NiCl2+2Na 
Разряженная          Заряженная

Технические характеристики никель-солевых элементов[править | править код]

• Напряжение: 2.2-2.7 В (2.58 В в разомкнутой цепи)
• Полезная ёмкость: 40 А·ч
• Полная ёмкость: 48-50 А·ч
• Габариты ячейки (Д × Ш × В): 36 × 36 × 220 мм
• Вес элемента: 695 г
• Показатели удельной энергоёмкости:

• 140 Вт·ч/кг (для сравнения в свинцовых АКБ: 25-35 Вт·ч/кг)
• 280 Вт·ч/лит (для сравнения в свинцовых АКБ: 70-100 Вт·ч/лит)

В собранной батарее показатели плотности энергии немного ниже (>90 Вт·ч/кг) ввиду наличия теплоизоляции и электронного модуля управления.

• Не подвержены влиянию высоких и низких температур. Неизменные эксплуатационные свойства в широком температурном диапазоне от −20°С до +60°С для батареи с BMS и вплоть до +150°С для блока элементов без BMS.
• Высокие показатели цикличности: расчётный ресурс службы — около 4500 циклов (>3000 циклов @ 80% DoD).
• Снижение ёмкости имеет прямолинейную нисходящую характеристику (то есть они не подвержены внезапному падению ёмкости как, например, свинцово-кислотные батареи).
• Очень высокие показатели удельной энергоёмкости (140 Вт·ч/кг и 280 Вт·ч/лит).
• Очень низкая совокупная стоимость владения в период эксплуатации и хранения.
• Длительный срок службы и практически неограниченный срок складского хранения: батареи не стареют и не утрачивают своих характеристик даже через 10-20 лет складского хранения.
• Батарея абсолютно герметичная: отсутствует газовыделение в окружающую среду.
• Изготавливаются без использования высокоядовитых материалов, таких как свинец, кадмий.
• На 100 % пригодны к утилизации: сталь, никель, железо, соль и керамика.
• На 70 % легче и на 30 % меньше свинцово-кислотных батарей.

• Автомобильный транспорт
• Ж\Д транспорт
• Связь
• Энергетика, в том числе альтернативная
• Системы накопления энергии (СНЭ)