تقنية بطارية النيكل المعدنية هيدريد (بطارية NiMh كاملة الشكل)
تم تنفيذ العمل الرائد على بطارية Nickel Metal Hydride في مركز أبحاث Battelle Geneva ابتداءً من اختراعها في عام 1967 كمشتق من bot Ni-Cd وخلايا Ni-H2 المستخدمة في الأقمار الصناعية. كانت الدوافع الرئيسية لدراسات Ni-MH هي المزايا البيئية المرتبطة بارتفاع الطاقة والضغط المنخفض وتكلفة Ni-MH مقارنةً بـ Ni-Cd: تمت رعاية أعمال التطوير على مدار ما يقرب من عقدين من الزمن بواسطة شركة Daimler-Benz Comp./ شتوتغارت وفولكس واجن إيه جي في إطار شركة Deutsche Automobilgesellschaft. أظهرت البطاريات طاقة عالية وكثافة طاقة تصل إلى 50 واط / كجم و 1000 واط / كجم وعمر دورة معقول يبلغ 500 دورة [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]
تقنية بطارية هيدريد النيكل المعدنية للمركبات الهجينة:
في عام 1992 ، بموجب اتفاقية تعاونية مع وزارة الطاقة ، بدأت USABC في تطوير تقنية بطارية هيدريد النيكل والمعدن (بطارية Ni-MH).
كان تمويل وزارة الطاقة من خلال تلك الاتفاقية التعاونية دورًا أساسيًا في تطوير تقنية Ni-MH في شركتين مصنّعتين ، شركة Energy Conversion Devices، Inc. (ECD Ovonics) و SAFT America. يتم الآن تصنيع تقنية Ni-MH التابعة لشركة ECD Ovonics في شركة COBASYS، LLC ، وهي مشروع تصنيع مشترك بنسبة 50-50 مع شركة Chevron Technology Ventures، LLC. تقوم شركة ECD أيضًا بترخيص تقنيتها لشركة Sanyo ، التي تزود بطاريات Ni-MH لسيارات Ford Escape و Cmax و Fusion الهجينة ؛ لهوندا ، لسياراتها الهجينة ؛ وباناسونيك التي تزود بطاريات سيارات تويوتا الهايبرد. بموجب شروط عقد تنمية الطفولة المبكرة الأصلي ، تم تحويل جزء صغير من رسوم الترخيص هذه إلى وزارة الطاقة و USABC.
في عام 2008 ، استحوذ سوق بطاريات النيكل ميتال هيدريد على نسبة 10 ٪ من إجمالي صناعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن. كانت الأسباب المهمة للنمو السريع لـ Ni-MH هي نمو HEVs وتطوير خلايا Ni-MH كبدائل مباشرة للخلايا الأولية القلوية.
يشبه نظام هيدريد معدن النيكل في نواح كثيرة خلايا Ni-Cd. في تفاعل إعادة تركيب الأكسجين أيضًا ، يكون النظام مشابهًا لخلايا VRLA في تصميم انتشار الأكسجين من PAM إلى NAM وتصميم الإلكتروليت المتعطش.
مزايا بطارية نيكل ميتال هيدريد هي:
تكلفة منخفضة ، حجم خلية متعدد الاستخدامات ، خصائص أداء ممتازة (بما في ذلك امتصاص تيار الشحن العالي) ، نطاق واسع من درجة حرارة التشغيل (-30 إلى 70 درجة مئوية) ، سلامة التشغيل عند الفولتية العالية ، (350 + V) ، بساطة التحكم في الشحن عملية ، إلخ. علاوة على ذلك ، فهي صديقة للبيئة (مقارنة بخلايا النيكل والكادميوم).
بالطبع ، هناك عيوب أيضًا: تكلفة أعلى مقارنة بخلايا حمض الرصاص ، وخصائص طاقة أقل مقارنة بخلايا Li-ion.
الطاقة التي تنتج تفاعلات كهروكيميائية في بطاريات قابلة لإعادة الشحن من النيكل ميتال هيدريد
يوجد الكثير من التشابه بين خلايا Ni-Cd و Ni-MH ، باستثناء القطب السالب. كما في حالة خلايا Ni-Cd ، أثناء التفريغ ، يتم تقليل المادة الفعالة الإيجابية (PAM) ، وهي هيدروكسيد النيكل ، إلى هيدروكسيد النيكل. (وهكذا يتصرف القطب الموجب كقطب كاثود ):
NiOOH + H 2 O + e → Ni (OH) 2 + OH – E o = 0.52 فولت
المادة الفعالة السلبية (NAM) ، هيدريد المعدن (MH) ، تتأكسد إلى سبيكة معدنية (M). (وهكذا يتصرف القطب السالب كأنود ):
MH + OH – → M + H 2 O + e E o = 0.83 فولت
وهذا يعني أن امتصاص الهيدروجين يحدث أثناء التفريغ ويتحد الهيدروجين مع أيون الهيدروكسيل لتكوين الماء بينما يساهم أيضًا بإلكترون في الدائرة.
رد الفعل العام على التفريغ
MH + تفريغ NiOOH الشحن M + Ni (OH) 2 E o = 1.35 فولت
من فضلك تذكر ذلك
جهد الخلية = V إيجابي – V سلبي
0.52 – (-0.83) = 1.35 فولت
وتجدر الإشارة هنا إلى أن جزيئات الماء الموضحة في تفاعلات نصف الخلية لا تظهر في تفاعل الخلية الكلي أو الكلي. ويرجع ذلك إلى عدم مشاركة المنحل بالكهرباء (محلول هيدروكسيد البوتاسيوم المائي) في تفاعل إنتاج الطاقة وهو موجود فقط لأغراض التوصيل.
لاحظ أيضًا أن المحلول المائي لحمض الكبريتيك المستخدم كإلكتروليت في خلايا حمض الرصاص يشارك بالفعل في التفاعل كما هو موضح أدناه:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 التفريغ الشحن 2PbSO 4 + 2H 2 O
هذا فرق مهم بين خلايا حمض الرصاص والخلايا القلوية.
يتم عكس العملية أثناء الشحن
تستخدم خلية هيدريد النيكل والمعدن المختومة تفاعل إعادة تركيب الأكسجين مشابهًا للتفاعل الذي يحدث في خلايا حمض الرصاص المنظم بالصمام (VRLA) ، مما يمنع تراكم الضغط الذي قد ينتج عن توليد الغازات في نهاية الشحن و خاصة أثناء الشحن الزائد.
أثناء الشحن ، يصل PAM إلى الشحنة الكاملة قبل NAM ، وبالتالي يبدأ القطب الموجب في تطوير الأكسجين.
2 ساعة – → H2O + ½O 2 + 2e –
ينتشر غاز الأكسجين عبر مسام الفاصل إلى القطب السالب الذي يسهله تصميم الإلكتروليت الجائع واستخدام فاصل مناسب.
في حركة عدم الانحياز ، يتفاعل الأكسجين مع قطب هيدريد المعدن لإنتاج الماء ، وبالتالي منع تراكم الضغط داخل البطارية. ومع ذلك ، يوجد صمام أمان في حالات الشحن الزائد الممتد أو عطل الشاحن ؛ من الممكن أن يتم توليد الأكسجين والهيدروجين بشكل أسرع مما يمكن إعادة تجميعه. في مثل هذه الحالات ، سيتم فتح فتحة الأمان لتقليل الضغط ومنع تمزق البطارية. يتم إغلاق فتحة التهوية بمجرد تخفيف الضغط. يمكن أن يحمل خروج الغاز من الفتحة القابلة لإعادة الإغلاق قطرات إلكتروليت ، والتي قد تشكل بلورات أو صدأ بمجرد ترسيبها على العلبة. (https://data.energizer.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)
4MH + O2 → 4M + 2H2O
علاوة على ذلك ، بحكم التصميم ، لا تصبح حركة عدم الانحياز مشحونة بالكامل ، مما يمنع توليد الهيدروجين. هذا صحيح بالنسبة للمراحل الأولى من ركوب الدراجات حيث الغاز الوحيد الموجود داخل الخلية هو الأكسجين. ومع ذلك ، مع استمرار التدوير ، يبدأ غاز الهيدروجين في التطور ، ويلاحظ ارتفاع كبير في نسبة الهيدروجين المتناسب بداخله. ومن ثم فمن المهم للغاية التحكم في جهد الشحن في نهاية الشحن وأثناء الشحن الزائد للحد من توليد الأكسجين إلى أقل من معدل إعادة التركيب لمنع تراكم الغازات والضغط.
عامل التصميم المشار إليه سابقًا في تصميم خلايا Ni-MH هو نسبة NAM إلى PAM. تعتمد على
استخدام حركة عدم الانحياز أكثر من حزب الأصالة والمعاصرة.
تعتمد النسبة على التطبيقات وهي في النطاق من 1.3 إلى 2 (NAM / PAM) ، يتم استخدام القيم الأدنى حيث تكون الطاقة النوعية الأعلى مهمة بينما يتم استخدام القيم الأعلى في خلايا تصميم عالية الطاقة وذات دورة حياة طويلة.
تصنيع خلايا بطارية هيدريد النيكل المعدني
خلايا Ni-MH عبارة عن خلايا محكمة الغلق مزودة بجهاز أمان وبها أغلفة وأغطية معدنية ، وكلاهما معزول عن بعضهما البعض بواسطة حشية. قاع العلبة هو الطرف السالب والجزء العلوي يعمل كمحطة موجبة.
في جميع أنواع التصميم ، سواء كانت أسطوانية أو منشورية أو خلايا زر ، يكون الكاثود إما من النوع الملبد أو النوع الملصق.
القطب الموجب في خلية Ni-MH الأسطوانية عبارة عن ركيزة مسامية متكلسة أو ركيزة نيكل قائمة على الرغوة يتم تشريب أو لصق مركبات النيكل عليها ، وتحويلها إلى مادة نشطة عن طريق الترسيب الكهربائي.
تعمل الركيزة كدعم ميكانيكي للبنية الملبدة كمجمع تيار للتفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث في جميع أنحاء الصفائح المسامية. كما أنه يوفر القوة الميكانيكية والاستمرارية أثناء عمليات التصنيع. يتم استخدام إما الفولاذ المطلي بالنيكل المثقوب أو شريط النيكل النقي بأطوال مستمرة ، أو الشاشات المنسوجة من الأسلاك الفولاذية المطلية بالنيكل أو النيكل. قد يكون سمك النوع المثقوب الشائع 0.1 مم مع فتحات 2 مم ومساحة فارغة تبلغ حوالي 40٪. المعادن الموسعة والصفائح المثقبة منخفضة التكلفة ، لكنها ذات قدرة ضعيفة عالية السعر. الهياكل الملبدة أغلى ثمناً ولكنها مناسبة لأداء التفريغ العالي.
استبدلت الرغوات عمومًا أقطاب البلاك الملبدة.
وبالمثل ، فإن القطب السالب هو أيضًا هيكل مسامي للغاية يستخدم رقائق أو شبكة من النيكل المثقوب يتم طلاء سبيكة تخزين الهيدروجين النشطة المرتبطة بالبلاستيك. يتم فصل الأقطاب بواسطة مادة اصطناعية غير منسوجة ، والتي تعمل كعازل بين القطبين وكوسيط لامتصاص الإلكتروليت.
مادة نشطة موجبة (مادة الكاثود) في بطارية نيكل معدن هيدريد
على غرار خلايا Ni-Cd ، تستخدم الأقطاب الموجبة في خلايا Ni-MH ، سواء كانت أسطوانية أو موشورية ، النوع الملبد أو الملصق. هيدروكسيد النيكل المستخدم في خلايا Ni-MH هو في الأساس نفسه المستخدم في Ni-Cd. يعتبر هيدروكسيد النيكل عالي الأداء اليوم أكثر تقدمًا في السعة ومعامل الاستخدام وقدرة معدل الطاقة والتفريغ ودورة الحياة وكفاءة الشحن عند درجات الحرارة العالية والتكلفة.
يتم استخدام هيدروكسيد النيكل عالي الكثافة مع جزيئات كروية بشكل شائع في الأقطاب الموجبة الملصقة. / يتم تحضير المادة المذكورة في غرف الترسيب حيث تتفاعل كبريتات النيكل (مع بعض المواد المضافة مثل الكوبالت وأملاح الزنك لتحسين جوانب الأداء) مع هيدروكسيد الصوديوم ممزوجًا بقليل من الأمونيا.
عادةً ما يتم إنتاج الصفيحة الموجبة الملصقة الأكثر شيوعًا عن طريق لصق هيدروكسيد النيكل الكروي عالي الكثافة ميكانيكيًا في مسام الركيزة المعدنية الرغوية ، والتي يتم إنتاجها بدورها عن طريق طلاء رغوة البولي يوريثان (PUF) بطبقة من النيكل إما عن طريق الطلاء الكهربائي أو عن طريق المواد الكيميائية ترسب البخار. يتبع ذلك عملية معالجة حرارية لإزالة البولي يوريثين الأساسي. يمكن أيضًا ضبط حجم المسام وكثافة الرغوة لتحسين خصائص الأداء.
يتم بعد ذلك تحميل الرغوة بهيدروكسيد النيكل في عجينة تحتوي على أكاسيد الكوبالت الموصلة ، والتي تشكل شبكة موصلة بين هيدروكسيد النيكل ومجمع التيار المعدني. تمامًا مثل كبريتات الرصاص في خلية حمض الرصاص ، فإن هيدروكسيد النيكل موصل ضعيف. الآن صفيحة الرغوة جاهزة للخطوة التالية.
النوع الآخر من القطب هو متكلس. هذا النوع لديه قدرة طاقة أفضل ولكن بتكلفة أقل قدرة وأعلى تكلفة.
تبدأ الإيجابيات الملبدة بلصق النيكل الخيطي على ركيزة مثل رقائق معدنية مثقبة ، حيث يتم بعد ذلك تلبيد ألياف النيكل تحت فرن تلدين عالي الحرارة في جو مختزل باستخدام النيتروجين / الهيدروجين. في هذه العملية ، يتم حرق المجلدات الناتجة عن عملية اللصق ، مما يترك هيكلًا عظميًا موصلًا من النيكل.
ثم يترسب هيدروكسيد النيكل في مسام الهيكل العظمي الملبد باستخدام أي من المواد الكيميائية
أو عملية التشريب الكهروكيميائية. ثم يتم تشكيل الأقطاب الكهربائية المشربة أو تنشيطها مسبقًا
في عملية تدوير الشحنات الكهروكيميائية / التفريغ. الآن اللوحة الملبدة جاهزة للخطوة التالية.
سبيكة هيدريد معدنية للأقطاب السالبة (مادة الأنود)
تستخدم خلايا Ni-MH مادة نشطة من هيدريد المعدن في شكل سبيكة ممتصة للهيدروجين. هناك عدة تركيبات مختلفة للسبيكة. هم انهم:
- سبيكة AB5
- سبيكة AB2
- سبيكة A2B7
هذه سبائك هندسية تتكون من معادن أرضية نادرة بنسب متفاوتة. إنه خارج نطاق هذه المقالة لوصف إنتاج وخصائص هذه السبائك. يُطلب من القراء الرجوع إلى المنشورات ذات الصلة بهذه السبائك والكتب المتخصصة عن بطاريات Ni-MH.
القطب السالب مرة أخرى عبارة عن هيكل مسامي للغاية يستخدم رقائق أو شبكة من النيكل المثقوب والتي يتم طلاء ومعالجة سبيكة تخزين الهيدروجين النشطة المرتبطة بالبلاستيك.
المنحل بالكهرباء في بطارية هيدريد معدن النيكل
كما هو الحال في خلايا Ni-Cd ، فإن المنحل بالكهرباء في خلايا Ni-MH عبارة عن محلول مائي لحوالي 30٪ من هيدروكسيد البوتاسيوم ، مما يوفر موصلية عالية على نطاق واسع من درجات الحرارة. هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) هو دائمًا مادة مضافة بتركيز حوالي 17 جرامًا لكل لتر (GPL). يساعد هذا في تحسين كفاءة الشحن في القطب الموجب عن طريق قمع تفاعل تطور الأكسجين ، وهو تفاعل منافس يخفض قبول الشحنة.
كما هو الحال في خلايا VRLA و Ni-Cd ، فإن خلايا Ni-MH هي أيضًا من تصميم المنحل بالكهرباء المختوم والمتعطش. تكاد تكون الصفائح مشبعة بالكهرباء. يكون الفاصل مشبعًا جزئيًا فقط للسماح بالانتشار السريع للغاز من أجل تفاعل إعادة التركيب الغازي الفعال. تساعد إضافة هيدروكسيد الصوديوم في تحسين كفاءة الشحن في درجات الحرارة العالية ، ولكن بتكلفة منخفضة العمر نتيجة التآكل المرتفع لـ NAM.
فاصل البطارية في هيدريد معدن النيكل
تتمثل وظيفة الفاصل في منع الاتصال الكهربائي بين الأقطاب الموجبة والسالبة مع الاحتفاظ بالإلكتروليت الضروري للنقل الأيوني. كانت أجهزة الفصل من الجيل الأول لخلايا Ni-MH عبارة عن مواد فاصلة قياسية من نوع Ni-Cd و NiH2 لفاصل القماش غير المنسوج من مادة البولي أميد (النايلون). ومع ذلك ، أثبتت خلايا Ni-MH أنها أكثر حساسية للتفريغ الذاتي ، خاصة عند استخدام هذه الفواصل. يتسبب وجود الأكسجين وغاز الهيدروجين في تحلل مواد البولي أميد الموجودة في فاصل النايلون.
سمحت نواتج التآكل (أيونات النتريت) من هذا التحلل بالتسمم بهيدروكسيد النيكل ، مما يعزز تطور الأكسجين المبكر وأيضًا تكوين مركبات قادرة على مكوك الأكسدة والاختزال بين القطبين ، مما يزيد من معدل التفريغ الذاتي. لذلك لا يتم استخدام هذا النوع من الفواصل في الوقت الحاضر. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام فواصل البولي أوليفين في خلايا الجيل التالي. يستخدم الآن “البولي بروبيلين القابل للبلل بشكل دائم” على نطاق واسع. الفاصل المحسن مركب من PP و PE بمعالجات خاصة. يتأثر معدل التفريغ الذاتي ودورة الحياة بشكل ملحوظ بالنسيج وقابلية البلل ونفاذية الغاز.
