Teknologi Baterai Nickel Metal Hydride (baterai NiMh bentuk penuh)
Pekerjaan perintis pada Baterai Nickel Metal Hydride dilakukan di Battelle Geneva Research Center dimulai setelah penemuannya pada tahun 1967 sebagai turunan dari bot Ni-Cd dan sel Ni-H2 yang digunakan dalam satelit. Motivasi utama untuk studi Ni-MH adalah keuntungan lingkungan yang terkait dengan energi yang lebih tinggi, tekanan yang lebih rendah, dan biaya Ni-MH dibandingkan dengan Ni-Cd.: Pekerjaan pengembangan disponsori selama hampir 2 dekade oleh Daimler-Benz Comp./ Stuttgart dan oleh Volkswagen AG dalam kerangka Deutsche Automobilgesellschaft. Baterai menunjukkan kepadatan energi dan daya yang tinggi hingga 50 Wh/kg, 1000 W/kg, dan masa pakai siklus yang wajar hingga 500 siklus [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]
Teknologi Baterai Nickel Metal Hydride untuk Kendaraan Hibrida:
Pada tahun 1992, di bawah perjanjian kerjasama dengan DOE , USABC memprakarsai pengembangan teknologi baterai nikel-metal hidrida (baterai Ni-MH).
Pendanaan DOE melalui perjanjian kerjasama itu berperan penting dalam pengembangan teknologi Ni-MH di dua produsen, Energy Conversion Devices, Inc. (ECD Ovonics) dan SAFT America. Teknologi Ni-MH ECD Ovonics sekarang diproduksi di COBASYS, LLC, perusahaan patungan manufaktur 50-50 dengan Chevron Technology Ventures, LLC. ECD juga melisensikan teknologinya ke Sanyo, yang memasok baterai Ni-MH untuk kendaraan hybrid Ford Escape, Cmax, dan Fusion; ke Honda, untuk kendaraan hibridanya; dan ke Panasonic, yang memasok baterai untuk kendaraan hibrida Toyota. Di bawah ketentuan kontrak ECD asli, sebagian kecil dari biaya lisensi ini telah dikirimkan ke DOE dan USABC.
Pada tahun 2008, pasar Baterai Nickel Metal Hydride memiliki pangsa 10% dari total industri baterai isi ulang. Alasan penting untuk pertumbuhan cepat Ni-MH adalah pertumbuhan HEV dan perkembangan sel Ni-MH sebagai pengganti langsung untuk sel primer basa.
Sistem hidrida nikel-logam mirip dalam banyak hal dengan sel Ni-Cd. Dalam reaksi rekombinasi oksigen juga, sistem ini mirip dengan sel VRLA dalam desain difusi oksigen dari PAM ke NAM dan desain elektrolit yang kelaparan.
Kelebihan baterai Nickel Metal Hydride adalah :
Biaya rendah, ukuran sel serbaguna, karakteristik kinerja yang sangat baik (termasuk penyerapan arus pengisian tinggi), berbagai suhu operasional (-30 hingga 70ºC), keamanan pengoperasian pada tegangan yang lebih tinggi, (350 + V), kesederhanaan mengontrol pengisian proses, dll. Selain itu, ramah lingkungan (dibandingkan dengan sel nikel-kadmium).
Tentu saja, ada juga kelemahannya: biaya yang lebih tinggi dibandingkan dengan sel timbal-asam, energi spesifik yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sel Li-ion.
Reaksi elektrokimia yang menghasilkan energi dalam baterai isi ulang Nickel Metal Hydride
Ada banyak kesamaan antara sel Ni-Cd dan Ni-MH, kecuali elektroda negatif. Seperti dalam kasus sel Ni-Cd, selama pelepasan, bahan aktif positif (PAM), nikel oksi hidroksida, direduksi menjadi nikel hidroksida. (Dengan demikian elektroda positif berperilaku sebagai katoda ):
NiOOH + H 2 O + e → Ni(OH) 2 + OH – E o = 0,52 V
Bahan aktif negatif (NAM), hidrida logam (MH), dioksidasi menjadi paduan logam (M). (Dengan demikian elektroda negatif berperilaku sebagai anoda ):
MH + OH – → M + H 2 O + e E o = 0,83 V
Artinya, desorpsi hidrogen terjadi selama pelepasan dan hidrogen bergabung dengan ion hidroksil untuk membentuk air sambil juga menyumbangkan elektron ke sirkuit.
Reaksi keseluruhan pada pelepasan adalah
Muatan MH + NiOOH↔muatan M + Ni(OH) 2 E o = 1,35 V
Tolong ingat itu
Tegangan sel = V Positif – V Negatif
0,52 – (-0,83) = 1,35 V
Di sini perlu dicatat bahwa molekul air yang ditunjukkan dalam reaksi setengah sel tidak muncul dalam reaksi sel keseluruhan atau total. Hal ini disebabkan elektrolit (larutan kalium hidroksida berair) tidak berpartisipasi dalam reaksi penghasil energi dan hanya ada untuk tujuan konduktivitas.
Perhatikan juga bahwa larutan berair asam sulfat yang digunakan sebagai elektrolit dalam sel asam timbal sebenarnya ikut serta dalam reaksi seperti yang ditunjukkan di bawah ini:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 Debit↔muatan 2PbSO 4 + 2H 2 O
Ini adalah perbedaan penting antara sel asam timbal dan sel basa.
Prosesnya terbalik selama pengisian daya
Sel nikel-logam hidrida yang disegel menggunakan reaksi rekombinasi oksigen yang serupa dengan yang terjadi pada sel asam timbal yang diatur katup (VRLA), sehingga mencegah peningkatan tekanan yang mungkin dihasilkan dari pembentukan gas menjelang akhir pengisian dan terutama selama pengisian yang berlebihan.
Selama pengisian PAM mencapai muatan penuh sebelum NAM dan elektroda positif mulai mengembangkan oksigen.
2OH – → H2O + O 2 + 2e –
Gas oksigen berdifusi melalui pori-pori pemisah ke elektroda negatif yang difasilitasi oleh desain elektrolit yang kekurangan energi dan penggunaan pemisah yang sesuai.
Di NAM, oksigen bereaksi dengan elektroda hidrida logam untuk menghasilkan air, sehingga mencegah peningkatan tekanan di dalam baterai. Meski begitu, ada katup pengaman jika terjadi overcharge yang berkepanjangan atau malfungsi charger; ada kemungkinan bahwa oksigen, dan hidrogen, akan dihasilkan lebih cepat daripada yang dapat digabungkan kembali. Dalam kasus seperti itu, ventilasi pengaman akan terbuka untuk mengurangi tekanan dan mencegah baterai pecah. Ventilasi menutup kembali setelah tekanan dihilangkan. Keluarnya gas melalui ventilasi yang dapat ditutup kembali dapat membawa tetesan elektrolit, yang dapat membentuk kristal atau karat setelah disimpan di kaleng. (https://data.energizer.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Selain itu, berdasarkan desain, NAM tidak terisi penuh, yang mencegah pembentukan hidrogen. Ini berlaku untuk tahap awal siklus di mana satu-satunya gas yang ditemukan di dalam sel adalah oksigen. Namun, pada siklus lanjutan, gas hidrogen mulai berevolusi, dan peningkatan signifikan dalam hidrogen proporsional di dalamnya diamati. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengontrol tegangan pengisian pada akhir pengisian dan selama pengisian berlebih untuk membatasi pembentukan oksigen di bawah laju rekombinasi untuk mencegah pembentukan gas dan tekanan.
Faktor desain yang disebutkan sebelumnya dalam desain sel Ni-MH adalah rasio NAM terhadap PAM. Hal ini didasarkan pada
penggunaan NAM lebih banyak daripada PAM.
Rasio tergantung pada aplikasi dan berada dalam kisaran 1,3 hingga 2 (NAM/PAM), nilai yang lebih rendah digunakan di mana energi spesifik yang lebih tinggi penting sementara nilai yang lebih tinggi digunakan dalam sel desain daya tinggi dan siklus hidup yang panjang.
Fabrikasi sel Baterai Nickel Metal Hydride
Sel Ni-MH adalah sel yang disegel dengan alat pengaman dan dengan penutup dan penutup logam, keduanya diisolasi satu sama lain oleh paking. Bagian bawah kasing adalah terminal negatif dan bagian atas berfungsi sebagai terminal positif.
Dalam semua tipe desain, apakah sel silinder atau prismatik atau tombol, katoda adalah tipe sinter atau tipe tempel.
Elektroda positif dalam sel Ni-MH silinder adalah substrat sinter berpori atau substrat nikel berbasis busa di mana senyawa nikel diresapi atau ditempel, dan diubah menjadi bahan aktif dengan elektro-deposisi.
Substrat berfungsi sebagai pendukung mekanis untuk struktur sinter yang bertindak sebagai pengumpul arus untuk reaksi elektrokimia yang terjadi di seluruh pelat berpori. Ini juga memberikan kekuatan mekanik dan kontinuitas selama proses manufaktur. Baik baja berlapis nikel berlubang atau strip nikel murni dalam panjang kontinu, atau layar anyaman dari nikel atau kawat baja berlapis nikel digunakan. Jenis berlubang yang umum mungkin setebal 0,1 mm dengan lubang 2 mm dan luas rongga sekitar 40%. Logam yang diperluas dan lembaran berlubang memiliki biaya lebih rendah, tetapi mereka memiliki kemampuan tingkat tinggi yang buruk. Struktur sinter jauh lebih mahal tetapi cocok untuk kinerja debit tinggi.
Busa umumnya menggantikan elektroda plak yang disinter.
Demikian pula, elektroda negatif juga merupakan struktur yang sangat berpori menggunakan foil nikel berlubang atau kisi-kisi di mana paduan penyimpanan hidrogen aktif berikat plastik dilapisi. Elektroda dipisahkan dengan bahan sintetis bukan tenunan, yang berfungsi sebagai isolator antara kedua elektroda dan sebagai media untuk menyerap elektrolit.
Bahan aktif positif (bahan katoda) dalam Baterai Nickel Metal Hydride
Serupa dengan sel Ni-Cd, elektroda positif pada sel Ni-MH, baik silinder atau prismatik, menggunakan jenis sinter atau tempel. Nikel hidroksida untuk digunakan dalam sel Ni-MH pada dasarnya sama dengan yang digunakan dalam Ni-Cd. Nikel hidroksida berkinerja tinggi saat ini lebih maju dalam hal kapasitas, koefisien pemanfaatan, kemampuan daya dan laju pengosongan, masa pakai siklus, efisiensi pengisian suhu tinggi, dan biaya.
Nikel hidroksida densitas tinggi dengan partikel sferis paling sering digunakan dalam elektroda positif yang ditempelkan. /bahan tersebut disiapkan dalam ruang pengendapan di mana nikel sulfat (bersama dengan beberapa aditif seperti kobalt dan garam seng untuk meningkatkan aspek kinerja) direaksikan dengan natrium hidroksida dicampur dengan sedikit amonia.
Pelat positif tempel yang lebih umum biasanya diproduksi dengan menempelkan secara mekanis nikel hidroksida bulat densitas tinggi ke dalam pori-pori substrat logam busa, yang pada gilirannya diproduksi dengan melapisi busa poliuretan (PUF) dengan lapisan nikel baik dengan elektroplating atau dengan bahan kimia. deposisi uap. Ini diikuti oleh proses perlakuan panas untuk menghilangkan poliuretan dasar. Ukuran pori dan kepadatan busa juga dapat disesuaikan untuk meningkatkan karakteristik kinerja.
Busa kemudian diisi dengan nikel hidroksida dalam pasta yang mengandung oksida kobalt konduktif, yang membentuk jaringan konduktif antara nikel hidroksida dan pengumpul arus logam. Sama seperti timbal sulfat dalam sel timbal-asam, nikel hidroksida adalah konduktor yang buruk. Sekarang pelat busa siap untuk langkah selanjutnya.
Jenis elektroda lainnya adalah yang disinter. Tipe ini memiliki kemampuan daya yang lebih baik tetapi dengan biaya kapasitas yang lebih rendah dan biaya yang lebih tinggi.
Sinter positif dimulai dengan menempelkan nikel filamen ke substrat seperti foil berlubang, di mana serat nikel kemudian disinter di bawah tungku anil suhu tinggi dalam atmosfer pereduksi menggunakan nitrogen/hidrogen. Dalam proses pengikat dari proses paste dibakar, meninggalkan kerangka konduktif nikel.
Nikel hidroksida kemudian diendapkan ke dalam pori-pori kerangka yang disinter menggunakan bahan kimia
atau proses impregnasi elektrokimia. Elektroda yang diresapi kemudian dibentuk atau diaktifkan sebelumnya
dalam proses siklus muatan/pengosongan elektrokimia. Sekarang pelat yang disinter siap untuk langkah selanjutnya.
Metal Hydride Alloy untuk elektroda negatif (bahan anoda)
Sel Ni-MH menggunakan bahan aktif metal hidrida berupa paduan penyerap hidrogen. Ada beberapa komposisi yang berbeda untuk paduan. Mereka:
- paduan AB5
- paduan AB2
- paduan A2B7
Ini adalah paduan rekayasa yang terbuat dari logam tanah jarang dalam berbagai proporsi. Adalah di luar cakupan artikel ini untuk menjelaskan produksi dan sifat-sifat paduan ini. Pembaca diminta untuk merujuk ke publikasi yang relevan tentang paduan ini dan buku khusus tentang baterai Ni-MH.
Elektroda negatif sekali lagi merupakan struktur yang sangat berpori menggunakan foil atau kisi nikel berlubang di mana paduan penyimpanan hidrogen aktif berikat plastik dilapisi dan diproses.
Elektrolit dalam baterai Nickel metal hydride
Seperti dalam sel Ni-Cd, elektrolit dalam sel Ni-MH adalah larutan berair sekitar 30% kalium hidroksida, memberikan konduktivitas tinggi pada rentang suhu yang luas. Litium hidroksida (LiOH) selalu merupakan aditif pada konsentrasi sekitar 17 gram per liter (GPL). Ini membantu dalam meningkatkan efisiensi pengisian pada elektroda positif dengan menekan reaksi evolusi oksigen, yang merupakan reaksi bersaing yang menurunkan penerimaan muatan.
Seperti dalam kasus sel VRLA dan Ni-Cd, sel Ni-MH juga merupakan desain elektrolit yang tertutup rapat. Pelat hampir jenuh dengan elektrolit. Separator hanya sebagian jenuh untuk memungkinkan difusi gas yang cepat untuk reaksi rekombinasi gas yang efisien. Menambahkan NaOH membantu dalam meningkatkan efisiensi pengisian suhu tinggi, tetapi dengan mengorbankan masa pakai yang berkurang akibat peningkatan korosi NAM.
Pemisah baterai dalam hidrida logam Nikel
Fungsi separator adalah untuk mencegah kontak listrik antara elektroda positif dan negatif sambil mempertahankan elektrolit yang diperlukan untuk transpor ionik. Pemisah generasi pertama untuk sel Ni-MH adalah bahan pemisah standar Ni-Cd dan NiH2 dari pemisah kain poliamida (nilon) bukan tenunan. Namun, sel Ni-MH terbukti lebih sensitif terhadap self-discharge, terutama ketika pemisah tersebut digunakan. Adanya oksigen dan gas hidrogen menyebabkan bahan poliamida pada pemisah nilon terurai.
Produk korosi (ion nitrit) dari dekomposisi ini memungkinkan keracunan nikel hidroksida, mendorong evolusi oksigen prematur dan juga membentuk senyawa yang mampu melakukan antar-jemput redoks antara dua elektroda, yang selanjutnya meningkatkan laju pelepasan sendiri. Oleh karena itu jenis pemisah ini tidak digunakan saat ini. Sebaliknya, pemisah poliolefin digunakan dalam sel nextgen. “Polipropilena yang dapat dibasahi secara permanen” sekarang banyak digunakan. Pemisah yang ditingkatkan adalah komposit PP dan PE dengan perlakuan khusus. Tingkat self-discharge dan siklus hidup dipengaruhi cukup dengan tekstur, keterbasahan dan permeabilitas gas.
