Teknologi Bateri Hidrida Logam Nikel (bateri NiMh bentuk penuh)
Kerja perintis pada Nickel Metal Hydride Battery telah dilakukan di Pusat Penyelidikan Battelle Geneva bermula selepas penciptaannya pada tahun 1967 sebagai terbitan bot Ni-Cd dan sel Ni-H2 yang digunakan dalam satelit. Motivasi utama untuk kajian Ni-MH adalah kelebihan alam sekitar yang dikaitkan dengan tenaga yang lebih tinggi, tekanan yang lebih rendah dan kos Ni-MH berbanding dengan Ni-Cd.: Kerja pembangunan telah ditaja selama hampir 2 dekad oleh Daimler-Benz Comp./ Stuttgart dan oleh Volkswagen AG dalam rangka kerja Deutsche Automobilgesellschaft. Bateri menunjukkan ketumpatan tenaga dan kuasa tinggi sehingga 50 Wj/kg, 1000 W/kg dan hayat kitaran yang munasabah sebanyak 500 kitaran [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]
Teknologi Bateri Hidrida Logam Nikel untuk Kenderaan Hibrid:
Pada tahun 1992, di bawah perjanjian kerjasama dengan DOE , USABC memulakan pembangunan teknologi bateri hidrida nikel-logam (bateri Ni-MH).
Pembiayaan JAS melalui perjanjian kerjasama itu memainkan peranan penting dalam pembangunan teknologi Ni-MH di dua pengeluar, Energy Conversion Devices, Inc. (ECD Ovonics) dan SAFT America. Teknologi Ni-MH ECD Ovonics kini dikeluarkan di COBASYS, LLC, usaha sama pembuatan 50-50 dengan Chevron Technology Ventures, LLC. ECD juga melesenkan teknologinya kepada Sanyo, yang membekalkan bateri Ni-MH untuk kenderaan hibrid Ford Escape, Cmax dan Fusion; kepada Honda, untuk kenderaan hibridnya; dan kepada Panasonic, yang membekalkan bateri untuk kenderaan hibrid Toyota. Di bawah syarat kontrak ECD asal, sebahagian kecil daripada yuran pelesenan ini telah dihantar kepada JAS dan USABC.
Pada tahun 2008, pasaran Bateri Hidrida Logam Nikel mempunyai bahagian sebanyak 10% daripada jumlah industri bateri boleh dicas semula. Sebab penting untuk pertumbuhan pesat Ni-MH adalah pertumbuhan HEV dan perkembangan sel Ni-MH sebagai pengganti langsung untuk sel primer beralkali.
Sistem nikel-logam hidrida adalah serupa dalam banyak cara dengan sel Ni-Cd. Dalam tindak balas penggabungan semula oksigen juga, sistem ini serupa dengan sel VRLA dalam reka bentuk resapan oksigen dari PAM ke NAM dan reka bentuk elektrolit kebuluran.
Kelebihan bateri Nickel Metal Hydride ialah:
Kos rendah, saiz sel serba boleh, ciri prestasi cemerlang (termasuk penyerapan arus pengecasan tinggi), julat suhu operasi yang luas (-30 hingga 70ºC), keselamatan operasi pada voltan lebih tinggi, (350 + V), kesederhanaan mengawal pengecasan proses, dsb. Lebih-lebih lagi, ia mesra alam (berbanding dengan sel nikel-kadmium).
Sudah tentu, terdapat juga kelemahan: kos yang lebih tinggi berbanding dengan sel asid plumbum, spesifikasi tenaga yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sel Li-ion.
Tindak balas elektrokimia yang menghasilkan tenaga dalam bateri boleh dicas semula Nickel Metal Hydride
Terdapat banyak persamaan antara sel Ni-Cd dan Ni-MH, kecuali elektrod negatif. Seperti dalam kes sel Ni-Cd, semasa pelepasan, bahan aktif positif (PAM), nikel oksi hidroksida, dikurangkan kepada nikel hidroksida. (Oleh itu elektrod positif berkelakuan sebagai katod ):
NiOOH + H 2 O + e → Ni(OH) 2 + OH – E o = 0.52 V
Bahan aktif negatif (NAM), hidrida logam (MH), teroksida kepada aloi logam (M). (Oleh itu elektrod negatif berkelakuan sebagai anod ):
MH + OH – → M + H 2 O + e E o = 0.83 V
Iaitu, desorpsi hidrogen berlaku semasa nyahcas dan hidrogen bergabung dengan ion hidroksil untuk membentuk air sambil turut menyumbang elektron kepada litar.
Reaksi keseluruhan pada pelepasan adalah
MH + NiOOH Nyahcas↔cas M + Ni(OH) 2 E o = 1.35 V
Tolong ingat itu
Voltan sel = V Positif – V Negatif
0.52 – (-0.83) = 1.35 V
Di sini perlu diperhatikan bahawa molekul air yang ditunjukkan dalam tindak balas separuh sel tidak muncul dalam keseluruhan atau keseluruhan tindak balas sel. Ini disebabkan oleh elektrolit (larutan kalium hidroksida akueus) tidak mengambil bahagian dalam tindak balas menghasilkan tenaga dan ia hanya ada untuk tujuan kekonduksian.
Juga ambil perhatian bahawa larutan akueus asid sulfurik yang digunakan sebagai elektrolit dalam sel asid plumbum sebenarnya mengambil bahagian dalam tindak balas seperti yang ditunjukkan di bawah:
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 Nyahcas↔cas 2PbSO 4 + 2H 2 O
Ini adalah perbezaan penting antara sel asid plumbum dan sel alkali.
Proses diterbalikkan semasa pengecasan
Sel hidrida nikel-logam yang dimeterai menggunakan tindak balas penggabungan semula oksigen yang serupa dengan yang berlaku dalam sel asid plumbum terkawal injap (VRLA), dengan itu menghalang pembentukan tekanan yang mungkin terhasil daripada penjanaan gas pada penghujung cas dan terutamanya semasa caj berlebihan.
Semasa pengecasan PAM mencapai cas penuh sebelum NAM dan oleh itu elektrod positif mula mengembangkan oksigen.
2OH – → H2O + ½O 2 + 2e –
Gas oksigen meresap melalui liang pemisah ke elektrod negatif yang difasilitasi oleh reka bentuk elektrolit yang kebuluran dan penggunaan pemisah yang sesuai.
Di NAM, oksigen bertindak balas dengan elektrod hidrida logam untuk menghasilkan air, sekali gus menghalang pembentukan tekanan di dalam bateri. Walaupun begitu, terdapat injap keselamatan dalam kes caj berlebihan lanjutan atau kerosakan pengecas; ada kemungkinan oksigen, dan hidrogen, akan dijana lebih cepat daripada ia boleh digabungkan semula. Dalam keadaan sedemikian, bolong keselamatan akan terbuka untuk mengurangkan tekanan dan mengelakkan bateri pecah. Bolong ditutup semula setelah tekanan dilegakan. Keluaran gas melalui bolong yang boleh ditutup semula boleh membawa titisan elektrolit, yang mungkin membentuk kristal atau karat setelah dimendapkan pada tin. (https://data.energizer.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)
4MH + O2 → 4M + 2H2O
Selain itu, berdasarkan reka bentuk, NAM tidak dicas sepenuhnya, yang menghalang penjanaan hidrogen. Ini benar untuk peringkat awal kitaran di mana satu-satunya gas yang terdapat di dalam sel ialah oksigen. Walau bagaimanapun, apabila kitaran berterusan, gas hidrogen mula berkembang, dan peningkatan ketara dalam hidrogen berkadar di dalamnya diperhatikan. Oleh itu, adalah sangat penting untuk mengawal voltan cas pada penghujung cas dan semasa cas berlebihan untuk mengehadkan penjanaan oksigen kepada di bawah kadar penggabungan semula untuk mengelakkan pembentukan gas dan tekanan.
Faktor reka bentuk yang dirujuk sebelum ini dalam reka bentuk sel Ni-MH ialah nisbah NAM kepada PAM. Ia berdasarkan
penggunaan lebih NAM daripada PAM.
Nisbah bergantung pada aplikasi dan berada dalam julat 1.3 hingga 2 (NAM/PAM), nilai yang lebih rendah digunakan di mana tenaga spesifik yang lebih tinggi adalah penting manakala nilai yang lebih tinggi digunakan dalam sel reka bentuk hayat kitaran tinggi dan kuasa tinggi.
Pembuatan sel Bateri Hidrida Logam Nikel
Sel Ni-MH ialah sel yang dimeterai dengan peranti keselamatan dan dengan bekas dan bahagian atas logam, yang kedua-duanya terlindung antara satu sama lain oleh gasket. Bahagian bawah kes ialah terminal negatif dan bahagian atas berfungsi sebagai terminal positif.
Dalam semua jenis reka bentuk, sama ada sel silinder atau prismatik atau sel butang, katod adalah sama ada jenis tersinter atau jenis tampal.
Elektrod positif dalam sel Ni-MH silinder ialah substrat tersinter berliang atau substrat nikel berasaskan buih di mana sebatian nikel diresapi atau ditampal, dan ditukar menjadi bahan aktif melalui pemendapan elektro.
Substrat berfungsi sebagai sokongan mekanikal untuk struktur tersinter bertindak sebagai pengumpul arus untuk tindak balas elektrokimia yang berlaku di seluruh plat berliang. Ia juga memberikan kekuatan mekanikal dan kesinambungan semasa proses pembuatan. Sama ada keluli bersalut nikel berlubang atau jalur nikel tulen dalam panjang berterusan, atau skrin tenunan dawai keluli bersalut nikel atau nikel digunakan. Jenis berlubang biasa mungkin 0.1 mm tebal dengan lubang 2 mm dan kawasan lompang kira-kira 40%. Logam yang dikembangkan dan kepingan berlubang adalah kos yang lebih rendah, tetapi ia mempunyai keupayaan kadar tinggi yang lemah. Struktur tersinter jauh lebih mahal tetapi sesuai untuk prestasi nyahcas yang tinggi.
Buih biasanya telah menggantikan elektrod plak tersinter.
Begitu juga, elektrod negatif juga merupakan struktur yang sangat berliang menggunakan kerajang nikel berlubang atau grid di mana aloi penyimpanan hidrogen aktif terikat plastik disalut. Elektrod dipisahkan dengan bahan bukan tenunan sintetik, yang berfungsi sebagai penebat antara dua elektrod dan sebagai medium untuk menyerap elektrolit.
Bahan aktif positif (bahan katod) dalam Bateri Hidrida Logam Nikel
Sama seperti sel Ni-Cd, elektrod positif dalam sel Ni-MH, sama ada silinder atau prismatik, menggunakan jenis tersinter atau tampal. Nikel hidroksida untuk digunakan dalam sel Ni-MH pada asasnya adalah sama seperti yang digunakan dalam Ni-Cd. Nikel hidroksida berprestasi tinggi hari ini lebih maju dalam, kapasiti, pekali penggunaan, keupayaan kadar kuasa dan nyahcas, hayat kitaran, kecekapan pengecasan suhu tinggi dan kos.
Nikel hidroksida berketumpatan tinggi dengan zarah sfera paling biasa digunakan dalam elektrod positif yang ditampal. /bahan tersebut disediakan dalam ruang pemendakan di mana nikel sulfat (bersama-sama dengan beberapa bahan tambahan seperti garam kobalt dan zink untuk meningkatkan aspek prestasi) bertindak balas dengan natrium hidroksida dicampur dengan sedikit ammonia.
Plat positif yang ditampal lebih biasa biasanya dihasilkan dengan menampal nikel hidroksida sfera berketumpatan tinggi secara mekanikal ke dalam liang substrat logam buih, yang seterusnya dihasilkan dengan menyalut busa poliuretana (PUF) dengan lapisan nikel sama ada dengan penyaduran elektrik atau kimia. pemendapan wap. Ini diikuti dengan proses rawatan haba untuk mengeluarkan poliuretana asas. Saiz liang dan ketumpatan buih juga boleh dilaraskan untuk meningkatkan ciri prestasi.
Buih kemudian dimuatkan dengan nikel hidroksida dalam pes yang mengandungi oksida kobalt konduktif, yang membentuk rangkaian konduktif antara nikel hidroksida dan pengumpul arus logam. Sama seperti plumbum sulfat dalam sel asid plumbum, nikel hidroksida adalah konduktor yang lemah. Sekarang plat buih sedia untuk langkah seterusnya.
Jenis elektrod yang lain ialah yang disinter. Jenis ini mempunyai keupayaan kuasa yang lebih baik tetapi pada kos kapasiti yang lebih rendah dan kos yang lebih tinggi.
Positif tersinter bermula dengan tampalan nikel filamen pada substrat seperti kerajang berlubang, di mana gentian nikel kemudiannya disinter di bawah relau penyepuhlindapan suhu tinggi dalam suasana pengurangan menggunakan nitrogen/hidrogen. Dalam proses pengikat daripada proses menampal dibakar, meninggalkan rangka konduktif nikel.
Nikel hidroksida kemudiannya dimendakkan ke dalam liang-liang rangka tersinter menggunakan sama ada bahan kimia.
atau proses impregnasi elektrokimia. Elektrod yang diresapi kemudiannya dibentuk atau pra-diaktifkan
dalam proses kitaran cas/nyahcas elektrokimia. Sekarang plat tersinter sedia untuk langkah seterusnya.
Aloi Hidrida Logam untuk elektrod negatif (bahan anod)
Sel Ni-MH menggunakan bahan aktif logam hidrida dalam bentuk aloi penyerap hidrogen. Terdapat beberapa komposisi yang berbeza untuk aloi. Mereka ialah:
- aloi AB5
- aloi AB2
- aloi A2B7
Ini adalah aloi kejuruteraan yang terdiri daripada logam nadir bumi dalam pelbagai perkadaran. Ia adalah di luar skop artikel ini untuk menerangkan pengeluaran dan sifat aloi ini. Pembaca diminta merujuk kepada penerbitan yang berkaitan mengenai aloi ini dan buku khusus mengenai bateri Ni-MH.
Elektrod negatif sekali lagi adalah struktur yang sangat berliang menggunakan kerajang nikel berlubang atau grid di mana aloi penyimpanan hidrogen aktif terikat plastik disalut dan diproses.
Elektrolit dalam bateri hidrida logam Nikel
Seperti dalam sel Ni-Cd, elektrolit dalam sel Ni-MH ialah larutan akueus kira-kira 30% kalium hidroksida, memberikan kekonduksian yang tinggi pada julat suhu yang luas. Litium hidroksida (LiOH) selalunya merupakan bahan tambahan pada kepekatan kira-kira 17 gram per liter (GPL). Ini membantu dalam meningkatkan kecekapan pengecasan pada elektrod positif dengan menyekat tindak balas evolusi oksigen, yang merupakan tindak balas yang bersaing mengurangkan penerimaan cas.
Seperti dalam kes sel VRLA dan Ni-Cd, sel Ni-MH juga merupakan reka bentuk elektrolit yang tertutup dan kebuluran. Plat hampir tepu dengan elektrolit. Pemisah hanya sebahagiannya tepu untuk membolehkan resapan gas pantas untuk tindak balas penggabungan semula gas yang cekap. Menambah NaOH membantu dalam meningkatkan kecekapan pengecasan suhu tinggi, tetapi pada kos hayat yang dikurangkan akibat kakisan tinggi NAM.
Pemisah bateri dalam hidrida logam Nikel
Fungsi pemisah adalah untuk mengelakkan sentuhan elektrik antara elektrod positif dan negatif sambil mengekalkan elektrolit yang diperlukan untuk pengangkutan ionik. Pemisah generasi pertama untuk sel Ni-MH ialah bahan pemisah Ni-Cd dan NiH2 standard pemisah kain poliamida (nilon) bukan tenunan. Walau bagaimanapun, sel Ni-MH terbukti lebih sensitif terhadap pelepasan diri, terutamanya apabila pemisah tersebut digunakan. Kehadiran gas oksigen dan hidrogen menyebabkan bahan poliamida dalam pemisah nilon terurai.
Hasil kakisan (ion nitrit) daripada penguraian ini membenarkan keracunan nikel hidroksida, menggalakkan evolusi oksigen pramatang dan juga membentuk sebatian yang mampu melakukan ulang-alik redoks antara dua elektrod, yang meningkatkan lagi kadar pelepasan diri. Oleh itu pemisah jenis ini tidak digunakan pada masa kini. Sebaliknya, pemisah poliolefin digunakan dalam sel nextgen. “polipropilena boleh basah secara kekal” kini digunakan secara meluas. Pemisah yang dipertingkatkan ialah komposit PP dan PE dengan rawatan khas. Kadar nyahcas sendiri dan hayat kitaran terjejas dengan ketara dengan tekstur, kebolehbasahan dan kebolehtelapan gas.
