Никель-водородный аккумулятор

Никель-водородный аккумулятор
	Схема никель-водородного аккумулятора
Удельная энергия	55-75 Вт·ч / кг
Плотность энергии	~ 60 Вт·ч / л
Удельная мощность	~ 220 Вт/кг
Эффективность зарядки/разрядки	85%
Долговечность цикла	>20 000 циклов

Никель -водородный аккумулятор (NiH ₂ или Ni-H ₂ ) — перезаряжаемый электрохимический источник энергии на основе никеля и водорода . ^{[ 5 ]} Он отличается от никель-металлогидридной (NiMH) батареи тем, что в ней используется водород в газообразной форме, хранящийся в герметичном элементе под давлением до 1200 фунтов на квадратный дюйм (82,7 бар ). ^{[ 6 ]} Никель-водородный аккумулятор был запатентован в США 25 февраля 1971 года Александром Ильичем Клоссом , Вячеславом Михайловичем Сергеевым и Борисом Иоселевичем Центером из Советского Союза. ^{[ 7 ]}

NiH ₂ -элементы, использующие 26% гидроксид калия (KOH) в качестве электролита, показали срок службы 80% 15 лет и более при глубине разряда (DOD). ^{[ 8 ]} Плотность энергии 75 Втч / кг , 60 Втч/дм. ³^{[ 2 ]} удельная мощность 220 Вт/кг. ^{[ 3 ]} Напряжение холостого хода 1,55 В , среднее напряжение при разряде 1,25 В. ^{[ 9 ]}

Хотя плотность энергии составляет всего около одной трети от плотности литиевой батареи , отличительным достоинством никель-водородной батареи является ее длительный срок службы: элементы выдерживают более 20 000 циклов зарядки. ^{[ 4 ]} с 85% энергоэффективностью и 100% фарадеевской эффективностью .

NiH ₂ Аккумуляторные батареи обладают свойствами, которые делают их привлекательными для хранения электрической энергии на спутниках. ^{[ 10 ]} и космические зонды . Например, МКС , ^{[ 11 ]} Меркурий Посланник , ^{[ 12 ]} Марс Одиссея ^{[ 13 ]} и Mars Global Surveyor ^{[ 14 ]} оснащены никель-водородными аккумуляторами. , Космический телескоп Хаббл когда его оригинальные батареи были заменены в мае 2009 года, более чем через 19 лет после запуска, лидировал по количеству циклов зарядки и разрядки среди всех NiH _2.^{[ 15 ]} батарея на низкой околоземной орбите . ^{[ 16 ]}

История

Разработка никель-водородной батареи началась в 1970 году в компании Comsat. ^{[ 17 ]} и был впервые использован в 1977 году на борту спутника навигационных технологий-2 ВМС США (NTS-2). ^{[ 18 ]} В настоящее время основными производителями никель-водородных аккумуляторов являются Eagle-Picher Technologies и Johnson Controls, Inc.

Характеристики

Никель-водородный аккумулятор сочетает в себе положительный никелевый электрод никель-кадмиевого аккумулятора и отрицательный электрод, включая катализатор и газодиффузионные элементы, топливного элемента . Во время разряда водород, содержащийся в сосуде высокого давления, окисляется до воды, а никель-оксигидроксидный электрод восстанавливается до гидроксида никеля. Вода расходуется на никелевом электроде и вырабатывается на водородном электроде, поэтому концентрация электролита гидроксида калия не меняется. По мере разряда аккумулятора давление водорода падает, что обеспечивает надежный индикатор уровня заряда. В одной батарее спутника связи давление при полной зарядке составляло более 500 фунтов на квадратный дюйм (3,4 МПа), а при полной разрядке падало всего лишь до 15 фунтов на квадратный дюйм (0,1 МПа).

Если элемент перезаряжен, кислород, образующийся на никелевом электроде, вступает в реакцию с водородом, присутствующим в элементе, и образует воду; как следствие, элементы могут выдерживать перезарядку до тех пор, пока выделяемое тепло может рассеиваться. ^{[ сомнительно – обсудить ]}

Недостатком элементов является относительно высокая скорость саморазряда, т.е. химического восстановления Ni(III) до Ni(II) на катоде:

{\ce {NiOOH + 1/2H2 <=> Ni(OH)2.}}

который пропорционален давлению водорода в ячейке; в некоторых конструкциях 50% емкости может быть потеряно всего за несколько дней хранения. Саморазряд меньше при более низкой температуре. ^{[ 1 ]}

По сравнению с другими перезаряжаемыми батареями, никель-водородная батарея обеспечивает хорошую удельную энергию 55-60 Вт-ч/кг, а также очень длительный срок службы (40 000 циклов при 40% DOD) и срок службы (> 15 лет) в спутниковых приложениях. Элементы могут выдерживать перезарядку и случайное изменение полярности, а давление водорода в элементе является хорошим индикатором состояния заряда. Однако газообразная природа водорода означает, что объемная эффективность относительно низка (60-100 Втч/л для ячейки IPV (отдельный сосуд высокого давления)), а необходимое высокое давление требует дорогостоящих сосудов высокого давления. ^{[ 1 ]}

Положительный электрод состоит из сухого спеченного материала. ^{[ 20 ]} пористая никелевая пластинка, содержащая гидроксид никеля . В отрицательном водородном электроде с тефлоновой связкой используется платиновый черный катализатор при нагрузке 7 мг/см2, а в качестве сепаратора используется ткань из циркония (ZYK-15 Zircar). ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}

Сменные батареи «Хаббла» производятся методом мокрой суспензии, при котором связующее вещество и порошкообразные металлические материалы формуются и нагреваются для выпаривания жидкости. ^{[ 23 ]}

Дизайны

Конструкция индивидуального сосуда под давлением (IPV) состоит из одного блока NiH ₂ -элементов в сосуде под давлением. ^{[ 24 ]}
Конструкция обычного сосуда под давлением (CPV) состоит из двух _{NiH 2} блоков последовательно соединенных в общем сосуде под давлением. CPV обеспечивает немного более высокую удельную энергию, чем IPV.
Конструкция с одним резервуаром под давлением (SPV) объединяет до 22 ячеек, последовательно соединенных в один резервуар под давлением.
Биполярная конструкция основана на толстых электродах , положительных и отрицательных, соединенных спиной к спине в SPV. ^{[ 25 ]}
Конструкция ячейки с зависимым резервуаром под давлением (DPV) обеспечивает более высокую удельную энергию и снижение затрат. ^{[ 26 ]}
Общий/зависимый сосуд высокого давления (C/DPV) представляет собой гибрид общего/зависимого сосуда высокого давления (CPV) и зависимого сосуда высокого давления (DPV) с высоким объемным КПД. ^{[ 27 ]}

Схемы

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэвид Линден, Томас Редди (редактор) Справочник по батареям, третье издание , McGraw-Hill, 2002 г. ISBN 0-07-135978-8 Глава 32, «Никель-водородные батареи»
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Энергетические системы космического корабля Страница 9
^ Перейти обратно: ^а ^б NASA/CR—2001-210563/PART2 — страница 10. Архивировано 19 декабря 2008 г. в Wayback Machine.
^ Перейти обратно: ^а ^б Обновление за пять лет: исследование никель-водородной отрасли
^ «Упрощенная физическая модель никель-водородной батареи» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 25 октября 2008 г.
^ Практика обращения и хранения никель-водородных аккумуляторов космических кораблей.
^ Герметичный никель-водородный аккумулятор, патент США 3669744.
^ «Электролит гидроксида калия для долгосрочных никель-водородных геосинхронных миссий» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 25 октября 2008 г.
^ Оптимизация подсистем электропитания космических аппаратов - стр. 40.
^ Характеристика ячеек Ni-H ₂ для программ INTELSAT
^ Проверка модели электрических характеристик Международной космической станции с помощью орбитальной телеметрии. Архивировано 18 февраля 2009 г. на Wayback Machine.
^ NASA.gov
^ Легкая, высоконадежная система питания с одной батареей для межпланетных космических кораблей.
^ Mars Global Surveyor. Архивировано 10 августа 2009 г. в Wayback Machine.
^ Космический телескоп Хаббл, обслуживающий 4 батареи миссии
^ Влияние NiH ₂ на надежность при замене батареи космического телескопа Хаббл
^ «Технология никель-водородных аккумуляторов — развитие и состояние» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 29 августа 2012 г.
^ Характеристики никель-водородной батареи NTS-2 31. Архивировано 10 августа 2009 г. на Wayback Machine.
^ Батареи миссии обслуживания космического телескопа Хаббл 4
^ Сравнение производительности ячеек с сухим спеканием NiH ₂ и шламовых электродов.
^ [1] Архивировано 17 августа 2008 г. в Wayback Machine .
^ Никель-водородные батареи
^ Космический телескоп Хаббл, обслуживающий 4 батареи миссии
^ Никель-водородные батареи - обзор. Архивировано 12 апреля 2009 г. на Wayback Machine.
^ Разработка крупномасштабной биполярной _{NiH 2} батареи .
^ 1995 – зависимый сосуд высокого давления (DPV)
^ Общие / никель-водородные батареи с зависимым сосудом под давлением

Дальнейшее чтение

Альберт Х. Циммерман (редактор), «Принципы и практика никель-водородных батарей» , The Aerospace Press, Эль-Сегундо, Калифорния. ISBN 1-884989-20-9 .

Внешние ссылки

[Linden02-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дэвид Линден, Томас Редди (редактор) Справочник по батареям, третье издание , McGraw-Hill, 2002 г. ISBN 0-07-135978-8 Глава 32, «Никель-водородные батареи»

[Miller-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Энергетические системы космического корабля Страница 9

[NASA/CR—2001-210563/PART2_-Pag.10-3] Перейти обратно: ^а ^б NASA/CR—2001-210563/PART2 — страница 10. Архивировано 19 декабря 2008 г. в Wayback Machine.

[ieeexplore.ieee.org-4] Перейти обратно: ^а ^б Обновление за пять лет: исследование никель-водородной отрасли

[5] «Упрощенная физическая модель никель-водородной батареи» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 25 октября 2008 г.

[6] Практика обращения и хранения никель-водородных аккумуляторов космических кораблей.

[7] Герметичный никель-водородный аккумулятор, патент США 3669744.

[8] «Электролит гидроксида калия для долгосрочных никель-водородных геосинхронных миссий» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 25 октября 2008 г.

[9] Оптимизация подсистем электропитания космических аппаратов - стр. 40.

[10] Характеристика ячеек Ni-H ₂ для программ INTELSAT

[11] Проверка модели электрических характеристик Международной космической станции с помощью орбитальной телеметрии. Архивировано 18 февраля 2009 г. на Wayback Machine.

[12] NASA.gov

[13] Легкая, высоконадежная система питания с одной батареей для межпланетных космических кораблей.

[14] Mars Global Surveyor. Архивировано 10 августа 2009 г. в Wayback Machine.

[15] Космический телескоп Хаббл, обслуживающий 4 батареи миссии

[16] Влияние NiH ₂ на надежность при замене батареи космического телескопа Хаббл

[17] «Технология никель-водородных аккумуляторов — развитие и состояние» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 18 марта 2009 г. Проверено 29 августа 2012 г.

[18] Характеристики никель-водородной батареи NTS-2 31. Архивировано 10 августа 2009 г. на Wayback Machine.

[19] Батареи миссии обслуживания космического телескопа Хаббл 4

[20] Сравнение производительности ячеек с сухим спеканием NiH ₂ и шламовых электродов.

[21] [1] Архивировано 17 августа 2008 г. в Wayback Machine .

[22] Никель-водородные батареи

[23] Космический телескоп Хаббл, обслуживающий 4 батареи миссии

[24] Никель-водородные батареи - обзор. Архивировано 12 апреля 2009 г. на Wayback Machine.

[25] Разработка крупномасштабной биполярной _{NiH 2} батареи .

[26] 1995 – зависимый сосуд высокого давления (DPV)

[27] Общие / никель-водородные батареи с зависимым сосудом под давлением

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

v т и Электрохимические ячейки
Типы	Гальванический элемент Концентрационная ячейка Электрическая батарея Проточная батарея Кормушка аккумуляторная Топливный элемент Термогальванический элемент Вольтов столб
Первичная ячейка (неперезаряжаемый)	Щелочной Алюминий-воздух Бунзен Хромовая кислота Кларк Дэниел Сухой Эдисон-Лаланд Роща Лекланше Литий-металлический Литий-воздушный Меркурий Металловоздушный электрохимический оксигидроксид никеля Кремний-воздух Оксид серебра Уэстон Замбони Цинк-воздух Цинк-углерод
Вторичная ячейка (перезаряжаемый)	Автомобильная промышленность Свинцово-кислотный гель–VRLA Литий-воздушный Литий-ионный Двойной углерод Литий-железо-фосфат Литий-полимерный Литий-серный Литий-титанат Металл-воздух Расплавленная соль Нанопор Нанопроволока Никель-кадмий Никель-водород Никель-железо Никель-литий Никель-металлогидрид Никель-цинк Полисульфид-бромид Ион калия Перезаряжаемая щелочная Серебро-кадмий Серебро-цинк Ион натрия Натрий-сера Твердотельный Редокс ванадий Цинк-бром Цинк-церий
Другая ячейка	Атомная батарея Топливный элемент Солнечная батарея
Части клетки	Анод связующее Катализатор катод Электрод Электролит Полуклетка Ионы Соляной мост Полупроницаемая мембрана