Nikl – vodíková baterie - Nickel–hydrogen battery

Nikl – vodíková baterie
Nikl-vodíková baterie NASA.gif
Schémata nikl-vodíkové baterie
Specifická energie55-75 W · h /kg[1][2]
Hustota energie~60 W · h /L[2]
Měrný výkon~220 W / kg[3]
Účinnost nabíjení / vybíjení85%
Životnost cyklu>20,000 cykly[4]

A nikl – vodíková baterie (NIH2 nebo Ni – H2) je dobíjecí elektrochemický zdroj energie založený na nikl a vodík.[5] Liší se od a nikl-metal hydridová (NiMH) baterie použitím vodík v plynné formě, skladované v tlakovém obalu buňka až 1200psi (82.7 bar ) tlak.[6] Nikl-vodíková baterie byla patentována 25. února 1971 autorem Alexandr Ilich Kloss a Boris Ioselevich Tsenter ve Spojených státech.[7]

NIH2 buňky využívající 26% hydroxid draselný (KOH) jako elektrolyt ukázaly a životnost 15 let a více na 80% hloubka vypouštění (DOD)[8]The hustota energie je 75Wh /kg, 60 Wh / dm3[2] měrný výkon 220 W / kg.[3] The otevřený okruh napětí je 1,55PROTI, průměrné napětí během vybíjení je 1,25 V.[9]

Zatímco hustota energie je jen asi jedna třetina oproti hustotě a lithiová baterie, charakteristickou vlastností nikl-vodíkové baterie je její dlouhá životnost: články zvládnou více než 20 000 nabíjecí cykly[4] s 85% energetickou účinností a 100% faradaická účinnost.

NIH2 nabíjecí baterie mají vlastnosti, díky nimž jsou atraktivní pro zásobárna energie elektrické energie v satelitech[10] a vesmírné sondy. Například ISS,[11] Mercury Messenger,[12] Mars Odyssey[13] a Mars Global Surveyor[14] jsou vybaveny nikl – vodíkovými bateriemi. The Hubbleův vesmírný dalekohled, kdy byly její původní baterie vyměněny v květnu 2009, více než 19 let po uvedení na trh, vedly s největším počtem baterií cykly nabíjení a vybíjení jakéhokoli NiH2[15] baterie v nízká oběžná dráha Země.[16]

Dějiny

Hlavní článek: Historie baterie § Nikl-vodík a nikl-hydrid

Vývoj nikl-vodíkové baterie začal v roce 1970 v Comsat[17] a byl použit poprvé v roce 1977 na palubě amerického námořnictva Satelitní navigační technologie-2 (NTS-2).[18] V současné době jsou hlavními výrobci nikl-vodíkových baterií Eagle-Picher Technologies a Johnson Controls, Inc.

Vlastnosti

Nikl-vodíkové baterie pro Hubble[19]

Nikl-vodíková baterie kombinuje kladnou niklovou elektrodu nikl-kadmiovou baterii a zápornou elektrodu, včetně katalyzátoru a prvků difúze plynu, palivový článek. Během vypouštění se vodík obsažený v tlakové nádobě oxiduje na vodu, zatímco nikl-oxyhydroxidová elektroda se redukuje na hydroxid nikelnatý. Voda se spotřebovává na niklové elektrodě a vyrábí se na vodíkové elektrodě, takže koncentrace elektrolytu hydroxidu draselného se nemění. Když se baterie vybíjí, tlak vodíku klesá, což poskytuje spolehlivý indikátor stavu nabití. V jedné komunikační satelitní baterii byl tlak při plném nabití přes 500 liber / čtvereční palec (3,4 MPa) a při plném vybití klesl na pouhých asi 15 PSI (0,1 MPa).

Pokud je článek přebitý, kyslík produkovaný na niklové elektrodě reaguje s vodíkem přítomným v článku a vytváří vodu; v důsledku toho články vydrží přebíjení, dokud může být generováno teplo rozptýleno.[pochybný – diskutovat]

Nevýhodou článků je relativně vysoká rychlost samovybíjení, tj. Chemická redukce Ni (III) na Ni (II) v katodě:

který je úměrný tlaku vodíku v článku; v některých provedeních může být 50% kapacity ztraceno již po několika dnech skladování. Samovybíjení je při nižší teplotě nižší.[1]

Ve srovnání s jinými dobíjecími bateriemi poskytuje nikl-vodíková baterie dobré výsledky specifická energie 55-60 watthodin / kg a velmi dlouhá životnost (40 000 cyklů při 40% DOD) a životnost (> 15 let) v satelitních aplikacích. Články mohou tolerovat přebíjení a náhodné přepólování a tlak vodíku v článku poskytuje dobrou indikaci stavu nabití. Plynná povaha vodíku však znamená, že objemová účinnost je relativně nízká (60-100 Wh / l pro článek IPV (samostatná tlaková nádoba)) a požadovaný vysoký tlak vytváří nákladné tlakové nádoby.[1]

Kladná elektroda je vyrobena ze suchého materiálu slinutý[20] porézní niklový plak, který obsahuje hydroxid nikelnatý. Negativní vodík elektroda využívá teflonové pojivo platinová černá katalyzátor při náplni 7 mg / cm2 a oddělovačem je pletená zirkonová tkanina (ZYK-15 Zircar).[21][22]

Náhradní baterie Hubble se vyrábějí mokrou suspenzí, při níž se používá pojivo a práškové kovové materiály tvarovaný a zahřeje se k varu kapaliny.[23]

Designy

  • Konstrukce individuální tlakové nádoby (IPV) se skládá z jedné jednotky NiH2 buňky v tlakové nádobě.[24]
  • Společná konstrukce tlakové nádoby (CPV) se skládá ze dvou NiH2 buňky se hromadí v sérii ve společné tlakové nádobě. CPV poskytuje o něco vyšší specifická energie než IPV.
  • Design s jednou tlakovou nádobou (SPV) kombinuje až 22 článků v sérii v jedné tlakové nádobě.
  • Bipolární design je založen na tlustém elektrody, kladné-záporné zády k sobě naskládané v SPV.[25]
  • Konstrukce článku závislé tlakové nádoby (DPV) nabízí vyšší specifickou energii a nižší náklady.[26]
  • Společná / závislá tlaková nádoba (C / DPV) je hybridem společné tlakové nádoby (CPV) a závislé tlakové nádoby (DPV) s vysokou objemovou účinností.[27]
  • Schémata
  • Workshop s bateriemi 1993 Fig1 Nikl vodíková baterie.jpg
  • Workshop s bateriemi 1993 Fig2 Nikl vodíková baterie.jpg
  • Workshop s bateriemi 1993 Fig3 Nikl vodíková baterie.jpg
  • Workshop s bateriemi 1993 Fig4 Nikl vodíková baterie.jpg
  • 5420miller.jpg

Viz také

Reference

  1. ^ A b C David Linden, Thomas Reddy (ed.) Příručka o bateriích Třetí vydání, McGraw-Hill, 2002 ISBN  0-07-135978-8 Kapitola 32, „Nikl-vodíkové baterie“
  2. ^ A b C Energetické systémy kosmických lodí Pag.9
  3. ^ A b NASA / CR — 2001-210563 / PART2 - Strana 10 Archivováno 2008-12-19 na Wayback Machine
  4. ^ A b Pětiletá aktualizace: průzkum průmyslového odvětví vodíku niklu
  5. ^ Zjednodušený fyzikální model nikl-vodíkové baterie
  6. ^ Postup manipulace a skladování nikl-vodíkové kosmické lodi
  7. ^ Hermeticky uzavřená akumulační buňka nikl-vodík US Patent 3669744
  8. ^ Elektrolyt hydroxidu draselného pro dlouhodobé geosynchronní mise nikl-vodík
  9. ^ Optimalizace subsystémů elektrické energie kosmických lodí - strana 40
  10. ^ NIH2 Charakterizace buněk pro programy INTELSAT
  11. ^ Ověření modelu elektrického výkonu Mezinárodní vesmírné stanice pomocí telemetrie na oběžné dráze Archivováno 2009-02-18 na Wayback Machine
  12. ^ http://www.nasa.gov/pdf/168019main_MESSENGER_71504_PressKit.pdf
  13. ^ Lehký vysoce spolehlivý systém napájení jednou baterií pro meziplanetární kosmické lodě
  14. ^ Mars Global Surveyor Archivováno 2009-08-10 na Wayback Machine
  15. ^ Hubblův kosmický dalekohled obsluhuje misi 4 baterie
  16. ^ NIH2 dopad na spolehlivost při výměně baterie Hubbleovým kosmickým dalekohledem
  17. ^ „Technologie nikl-vodíkových baterií - vývoj a stav“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 18. 3. 2009. Citováno 2012-08-29.
  18. ^ Výkon baterie NTS-2 nikl-vodík 31 Archivováno 2009-08-10 na Wayback Machine
  19. ^ Hubblův kosmický dalekohled obsluhující baterie mise 4
  20. ^ Porovnání výkonu mezi NiH2 suché sintrové a kalové elektrodové články
  21. ^ [1] Archivováno 2008-08-17 na Wayback Machine.
  22. ^ Nikl-vodíkové baterie
  23. ^ Hubblův kosmický dalekohled obsluhuje misi 4 baterie
  24. ^ Nikl-vodíkové baterie - přehled Archivováno 2009-04-12 na Wayback Machine
  25. ^ Vývoj velkého bipolárního NiH2 baterie.
  26. ^ 1995 závislá tlaková nádoba (DPV)
  27. ^ Běžné / závislé tlakové nádoby nikl-vodíkové baterie

Další čtení

  • Albert H. Zimmerman (ed), Principy a praxe nikl-vodíkových baterií„Aerospace Press, El Segundo, Kalifornie. ISBN  1-884989-20-9.

externí odkazy