Никель-железный аккумулятор

Никель-железный аккумулятор
	Никель-железные батареи, производившиеся в период с 1972 по 1975 год под брендом Exide, первоначально разработанным в 1901 году Томасом Эдисоном.
Удельная энергия	19–25 Втч/кг
Плотность энергии	30 Вт / л
Удельная мощность	100 Вт/кг
Эффективность зарядки/разрядки	<65%
Энергия/потребительская цена	1.5 – 6.6 Вт/ долл. США
Скорость саморазряда	20% – 30% /месяц
Долговечность во времени	30 – 50 лет
Долговечность цикла	Повторный глубокий разряд существенно не сокращает жизнь.
Номинальное напряжение ячейки	1.2 V
Интервал температуры зарядки	мой. −40 °С – макс. 46 °С

Томас Эдисон в 1910 году с никель-железным элементом собственной производственной линии.

Никель -железный аккумулятор (NiFe аккумулятор) представляет собой перезаряжаемую батарею, имеющую положительные пластины из оксида оксида никеля (III) и отрицательные железные пластины с электролитом из гидроксида калия . Активные материалы удерживаются в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. Это очень прочная батарея, устойчивая к неправильному обращению (перезарядка, чрезмерная разрядка и короткое замыкание) и способная прослужить очень долго, даже при таком обращении. ^{[ 7 ]} Его часто используют в ситуациях резервного копирования, когда его можно постоянно заряжать и он может прослужить более 20 лет. Из-за низкой удельной энергии , плохого удержания заряда и высокой стоимости производства другие типы аккумуляторов вытеснили никель-железные батареи в большинстве применений. ^{[ 8 ]}

Использование

Во многих железнодорожных транспортных средствах используются аккумуляторы NiFe. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Некоторые примеры — электровозы лондонского метрополитена и вагон нью-йоркского метро — R62A .

Эта технология вновь обрела популярность для автономных приложений, где ежедневная зарядка делает ее подходящей технологией . ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Никель-железные батареи исследуются на предмет использования в качестве комбинированных батарей и электролиза для водорода производства для автомобилей и систем хранения на топливных элементах . Эти «баттолизеры» можно было заряжать и разряжать, как обычные батареи, и при полной зарядке они будут производить водород. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}

Долговечность

Способность этих батарей выдерживать частые циклические циклы обусловлена низкой растворимостью реагентов в электролите. Образование металлического железа во время загрузки происходит медленно из-за низкой растворимости гидроксида двухвалентного железа . Хотя медленное образование кристаллов железа сохраняет электроды, оно также ограничивает производительность при высокой скорости: эти элементы заряжаются медленно и способны лишь медленно разряжаться. ^{[ 7 ]} Никель-железные элементы не следует заряжать от источника постоянного напряжения, поскольку они могут быть повреждены из-за термического разгона ; внутреннее напряжение элемента падает, когда начинается выделение газа, повышая температуру, что увеличивает потребляемый ток и, таким образом, еще больше увеличивает выделение газа и температуру.

Электрохимия

Полуэлементная реакция на положительной пластине от черного оксида-гидроксида никеля(III) NiO(OH) до зеленого гидроксида никеля(II) Ni(OH) ₂ :

{\ce {2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e- <=> 2 Ni(OH)2 + 2 OH-}}

и на отрицательной пластине:

{\ce {Fe + 2 OH- <=> Fe(OH)2 + 2 e-}}

(Разрядка читается слева направо, зарядка – справа налево.) ^{[ 17 ]}

Напряжение холостого хода составляет 1,4 Вольта, при разряде падает до 1,2 Вольта. ^{[ 7 ]} Смесь электролитов гидроксида калия и гидроксида лития не расходуется при зарядке или разрядке, поэтому, в отличие от свинцово-кислотной батареи, удельный вес электролита не указывает на состояние заряда. ^{[ 7 ]} Напряжение, необходимое для зарядки аккумулятора NiFe, равно или превышает 1,6 В на элемент. ^{[ 18 ]} Включение гидроксида лития улучшает производительность элемента. Напряжение уравнивающего заряда составляет 1,65 вольта.

История

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею в 1899 году. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных пропорциях, включая 100% железо. Юнгнер обнаружил, что основным преимуществом перед никель-кадмиевой химией является стоимость, но из-за более низкой эффективности реакции зарядки и более выраженного образования водорода (газообразования) технология никель - железо оказалась неэффективной и от нее отказались. Юнгнер имел несколько патентов на железную версию своей батареи (патент Швеции № 8.558) . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}/1897, 10.177 /1899, 11.132 /1899, 11.487 /1899 и патент Германии № 110.210/1899). Более того, у него был один патент на NiCd аккумулятор: Swed.pat No. 15.567 /1899. ^{[ 19 ]}

В 1901 году Томас Эдисон запатентовал и коммерциализировал NiFe в США. ^{[ 20 ]} и предложил его в качестве источника энергии для электромобилей , таких как Detroit Electric и Baker Electric . Эдисон утверждал, что никель-железная конструкция «намного превосходит батареи, в которых используются свинцовые пластины и кислота» ( свинцово-кислотные батареи ). ^{[ 21 ]} Эдисон имел несколько патентов: патент США 678 722/1901 , патент США 692 507/1902 и патент Германии № 157.290/1901. ^{[ 19 ]}

Эдисон был разочарован тем, что его аккумулятор не был принят для запуска двигателей внутреннего сгорания и что электромобили были сняты с производства всего через несколько лет после того, как его аккумулятор был представлен. Он разработал аккумулятор, который стал аккумулятором выбора ^{[ 22 ]} для электромобилей , которые были предпочтительным видом транспорта в начале 1900-х годов (за ними следовали бензин и пар). Батареи Эдисона имели значительно более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, использовавшиеся в то время, и их можно было заряжать вдвое быстрее; однако они плохо работали при низких температурах и были дороже.

Работа Юнгнера была практически неизвестна в США до 1940-х годов, когда там начали производить никель-кадмиевые батареи. Никель-железная батарея на 50 В была основным источником питания постоянного тока времен Второй мировой войны в немецкой ракете Фау-2 вместе с двумя батареями на 16 В, которые питали четыре гироскопа (генераторы с турбинным приводом питали переменный ток для магнитного усилителя с приводом от сервомеханизмов ). Уменьшенная версия использовалась в летающей бомбе Фау-1 . (а именно чертежи операции «Бэкфайр» 1946 года .)

Батареи Эдисона прибыльно производились примерно с 1903 по 1972 год компанией Edison Storage Battery Company в Вест-Ориндже, штат Нью-Джерси . В 1972 году компания по производству аккумуляторов была продана корпорации Exide Battery Corporation, которая прекратила выпуск этой продукции в 1975 году. Аккумуляторы широко использовались для железнодорожной сигнализации, вилочных погрузчиков и резервного питания .

Изготавливались никель-железные элементы емкостью от 5 до 1250 Ач. Многие из первоначальных производителей больше не производят никель-железные элементы. ^{[ 7 ]} но производство новыми компаниями началось в нескольких странах.

Конструкция пластин оригинальной батареи Эдисона

Активный материал пластин батареи содержится в ряде заполненных трубок или карманов, надежно закрепленных в несущей и проводящей рамке или решетке. Опора находится в хорошем электрическом контакте с трубками. Сетка представляет собой легкий каркасный каркас, штампованный из тонкой листовой стали, с армирующей шириной вверху. Решетки, как и все остальные внутренние металлические поверхности, никелированы для предотвращения коррозии. Элементы должны оставаться покрытыми электролитом; если они высыхают, отрицательные пластины окисляются и требуют очень долгого заряда. ^{[ 18 ]}

Активным материалом положительных пластин является форма гидрата никеля . Держатели трубок изготовлены из тонкой стальной ленты, мелкоперфорированной и никелированной, длиной около 4 дюймов и шириной 1/4 и 1/8 дюйма. в диаметре. Лента намотана спирально, с притертыми швами, а трубки армированы с интервалом примерно в 1/2 дюйма небольшими стальными кольцами. В эти трубки гидрат никеля и чистый чешуйчатый никель загружают тонкими чередующимися слоями (около 350 слоев на трубку) и плотно набивают или утрамбовывают. Целью чешуек никеля является создание хорошего контакта между гидратом никеля и трубками и тем самым обеспечение проводимости. Трубки, заполненные и закрытые, затем монтируются вертикально в решетки. ^{[ 18 ]}

Активным материалом отрицательных пластин является оксид железа . Карманы фиксатора изготовлены из тонкой никелированной стали с мелкой перфорацией, прямоугольной формы, шириной 1/2 дюйма, длиной 3 дюйма и максимальной толщиной 1/8 дюйма. Оксид железа в виде мелкого порошка плотно утрамбовывается в эти карманы, после чего они монтируются в сетки. После монтажа их прижимают, заставляя плотно прилегать к решеткам. Это приводит к гофрированию сторон карманов для обеспечения пружинящего контакта кармана с активным материалом. ^{[ 18 ]}

Заряжать

Заряд/разряд предполагает перенос кислорода от одного электрода к другому (от одной группы пластин к другой). Поэтому этот тип клеток иногда называют оксилифтными клетками. В заряженной ячейке активный материал положительных пластин переокислен, а отрицательных пластин находится в губчатом или восстановленном состоянии. ^{[ 18 ]}

Если обычная емкость элемента недостаточна, можно выполнить кратковременные заряды с повышенной скоростью при условии, что температура электролита не превышает 115˚F / 46˚C. Эти короткие заряды очень эффективны и не вызывают травм. В течение 30 минут можно использовать скорость, в три раза превышающую нормальную скорость зарядки (определяемую как C, ток, равный номинальной емкости аккумулятора, разделенной на 1 час). ^{[ 18 ]}

Полная зарядка аккумулятора NiFe занимает семь часов при нормальной скорости аккумулятора. При эксплуатации сумма взимаемого заряда зависит от размера предыдущего разряда. Например, если батарея разряжена наполовину, ее можно заряжать в течение 3,5 часов при нормальной скорости. Перезарядка приводит к потере тока и быстрому испарению воды в электролите.

При постепенном снижении скорости заряда на клеммах элемента на протяжении всего заряда должно поддерживаться среднее напряжение 1,67 В. Значение тока в начале заряда варьируется в зависимости от электрического сопротивления . При отсутствии сопротивления стартовая скорость будет примерно в два раза выше нормальной, а финишная — примерно на 40% от нормальной. ^{[ 18 ]}

Увольнять

При разряде положительные пластины восстанавливаются («раскисляются»); кислород, обладающий естественным сродством к железу, поступает к отрицательным пластинам, окисляя их. Разрешается непрерывный разряд в любой степени, превышающий норму на 25 %, а в течение коротких периодов — до шести раз выше нормы. Когда скорость разряда превысит это значение, произойдет аномальное падение напряжения. ^{[ 18 ]}

Электролит

Электролит не вступает в химическое соединение, выполняя функции ячейки, действуя как конвейер. Его удельный вес не изменяется во время зарядки и разрядки, за исключением испарения и изменений температуры. Допускаются значительные изменения удельного веса, влияющие только на эффективность батареи. ^{[ 18 ]}

Воздействие на окружающую среду

Никель-железные батареи не содержат свинца или кадмия, присутствующего в свинцово-кислотных и никель-кадмиевых батареях, которые требуют обращения как с опасными материалами . Никель-железные аккумуляторы не вызывают опасений разлива, поскольку в их компонентах отсутствует кислота. ^{[ 23 ]}

См. также

Ссылки

^ «Плотность энергии по результатам испытаний NREL, проведенных Iron Edison» . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 года . Проверено 25 марта 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Описание китайского никель-железного аккумулятора от BeUtilityFree
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и mpoweruk.com: Сравнение аккумуляторов и батарей (pdf)
^ Jump up to: ^а ^б ^с Mpower: Никель-железные батареи
^ «Часто задаваемые вопросы о никель-железной батарее» BeUtilityFree
^ Резервная копия веб-архива: Edison Battery Booklet для батареи Edison. оригинальная инструкция
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дэвид Линден, Томас Б. Редди (редактор). Справочник по батареям, 3-е издание , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 2002 г. ISBN 0-07-135978-8 , глава 25
^ Ян Саутар (1 июля 2010 г.). «Домашняя страница Ассоциации никель-железных аккумуляторов» . Проверено 30 октября 2011 г.
^ «Систематическое проектирование автономного гибридного локомотива | EUrailmag» . eurailmag.com. Архивировано из оригинала 20 декабря 2013 года . Проверено 17 апреля 2013 г.
^ «Проект Магма №10» . azrymuseum.org. 15 мая 2012 года . Проверено 17 апреля 2013 г.
^ Новости Матери-Земли, выпуск № 62 - март / апрель 1980 г.
^ «Информация о никель-железной батарее» .
^ Журнал Home Power, выпуск № 80, декабрь 2000 г. / январь 2001 г.
^ FM Mulder и др.: Эффективное хранение электроэнергии с помощью баттолайзера, встроенной Ni-Fe-батареи и электролизера . Энергетика и экология . 2017, дои : 10.1039/C6EE02923J
^ Вероник Амстутц и др.: Возобновляемое производство водорода из двухконтурной проточной окислительно-восстановительной батареи . Энергетика и экология . 2014, 23.50-23.58, два : 10.1039/C4EE00098F
^ «Ученые из Стэнфорда разработали сверхбыструю никель-железную батарею | Стэнфордский пресс-релиз» . 26 июня 2012 года. Архивировано из оригинала 10 декабря 2016 года . Проверено 25 декабря 2016 г.
^ Кеуш, Питер. «Электрохимия элемент Эдисона (железо-никель-батарея) — модель» . Архивировано из оригинала 7 февраля 2012 года . Проверено 18 мая 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Руководство по использованию аккумуляторных батарей» (PDF) . Комитет по электрическим аккумуляторным батареям . Ассоциация осветительных компаний Эдисона. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2012 года . Проверено 5 июля 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б Журнал источников энергии, 12 (1984). стр. 177–192.
^ Кеннелли, Артур Э. (1901). «Новая аккумуляторная батарея Эдисона» . Научный американец . 51 (1326супп): 21260–21261. doi : 10.1038/scientificamerican06011901-21260supp . Проверено 20 марта 2022 г.
^ Десмонд, Кевин (2016). Новаторы в аккумуляторных технологиях: профили 93 влиятельных электрохимиков . МакФарланд и Ко. с. 65. ИСБН 9780786499335 .
^ «Путеводитель по архиву фотографий газеты San Francisco News-Call Bulletin, около 1915–1965» . oac.cdlib.org . Проверено 4 ноября 2021 г. Уорд Харрис сидит на сиденье автомобиля с электрическим приводом, для которого Томас Эдисон изготовил батарею.
^ «Железно-никелевые аккумуляторы» . Научно-исследовательский институт пермакультуры . 2 декабря 2019 года . Проверено 3 декабря 2022 г.

[Energy_Density_from_NREL_Testing_by_Iron_Edison-1] «Плотность энергии по результатам испытаний NREL, проведенных Iron Edison» . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2016 года . Проверено 25 марта 2014 г.

[flyer-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Описание китайского никель-железного аккумулятора от BeUtilityFree

[batcomp-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и mpoweruk.com: Сравнение аккумуляторов и батарей (pdf)

[mpoweruk-4] Jump up to: ^а ^б ^с Mpower: Никель-железные батареи

[faqnife-5] «Часто задаваемые вопросы о никель-железной батарее» BeUtilityFree

[nifebooklet-6] Резервная копия веб-архива: Edison Battery Booklet для батареи Edison. оригинальная инструкция

[Linden2002-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Дэвид Линден, Томас Б. Редди (редактор). Справочник по батареям, 3-е издание , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 2002 г. ISBN 0-07-135978-8 , глава 25

[8] Ян Саутар (1 июля 2010 г.). «Домашняя страница Ассоциации никель-железных аккумуляторов» . Проверено 30 октября 2011 г.

[ermsys-9] «Систематическое проектирование автономного гибридного локомотива | EUrailmag» . eurailmag.com. Архивировано из оригинала 20 декабря 2013 года . Проверено 17 апреля 2013 г.

[azry-10] «Проект Магма №10» . azrymuseum.org. 15 мая 2012 года . Проверено 17 апреля 2013 г.

[11] Новости Матери-Земли, выпуск № 62 - март / апрель 1980 г.

[12] «Информация о никель-железной батарее» .

[13] Журнал Home Power, выпуск № 80, декабрь 2000 г. / январь 2001 г.

[14] FM Mulder и др.: Эффективное хранение электроэнергии с помощью баттолайзера, встроенной Ni-Fe-батареи и электролизера . Энергетика и экология . 2017, дои : 10.1039/C6EE02923J

[15] Вероник Амстутц и др.: Возобновляемое производство водорода из двухконтурной проточной окислительно-восстановительной батареи . Энергетика и экология . 2014, 23.50-23.58, два : 10.1039/C4EE00098F

[16] «Ученые из Стэнфорда разработали сверхбыструю никель-железную батарею | Стэнфордский пресс-релиз» . 26 июня 2012 года. Архивировано из оригинала 10 декабря 2016 года . Проверено 25 декабря 2016 г.

[17] Кеуш, Питер. «Электрохимия элемент Эдисона (железо-никель-батарея) — модель» . Архивировано из оригинала 7 февраля 2012 года . Проверено 18 мая 2022 г.

[Manual_of_Battery_Practice-18] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я «Руководство по использованию аккумуляторных батарей» (PDF) . Комитет по электрическим аккумуляторным батареям . Ассоциация осветительных компаний Эдисона. Архивировано из оригинала (PDF) 4 июля 2012 года . Проверено 5 июля 2012 г.

[Power_Sources_1984_pp_177-19] Jump up to: ^а ^б Журнал источников энергии, 12 (1984). стр. 177–192.

[20] Кеннелли, Артур Э. (1901). «Новая аккумуляторная батарея Эдисона» . Научный американец . 51 (1326супп): 21260–21261. doi : 10.1038/scientificamerican06011901-21260supp . Проверено 20 марта 2022 г.

[Innovators_in_Battery_Technology:-21] Десмонд, Кевин (2016). Новаторы в аккумуляторных технологиях: профили 93 влиятельных электрохимиков . МакФарланд и Ко. с. 65. ИСБН 9780786499335 .

[22] «Путеводитель по архиву фотографий газеты San Francisco News-Call Bulletin, около 1915–1965» . oac.cdlib.org . Проверено 4 ноября 2021 г. Уорд Харрис сидит на сиденье автомобиля с электрическим приводом, для которого Томас Эдисон изготовил батарею.

[23] «Железно-никелевые аккумуляторы» . Научно-исследовательский институт пермакультуры . 2 декабря 2019 года . Проверено 3 декабря 2022 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

v т и Электрохимические ячейки
Types	Galvanic cell Concentration cell Electric battery Flow battery Trough battery Fuel cell Thermogalvanic cell Voltaic pile
Primary cell (non-rechargeable)	Alkaline Aluminium–air Bunsen Chromic acid Clark Daniell Dry Edison–Lalande Grove Leclanché Lithium metal Lithium–air Mercury Metal–air electrochemical Nickel oxyhydroxide Silicon–air Silver oxide Weston Zamboni Zinc–air Zinc–carbon
Secondary cell (rechargeable)	Automotive Lead–acid gel–VRLA Lithium–air Lithium ion Dual carbon Lithium–iron–phosphate Lithium–polymer Lithium–sulfur Lithium–titanate Metal–air Molten salt Nanopore Nanowire Nickel–cadmium Nickel–hydrogen Nickel–iron Nickel–lithium Nickel–metal hydride Nickel–zinc Polysulfide–bromide Potassium ion Rechargeable alkaline Silver–cadmium Silver–zinc Sodium ion Sodium–sulfur Solid state Vanadium redox Zinc–bromine Zinc–cerium
Other cell	Atomic battery Fuel cell Solar cell
Cell parts	Anode Binder Catalyst Cathode Electrode Electrolyte Half-cell Ions Salt bridge Semipermeable membrane

v т и Томас Эдисон
Discoveries and inventions	List of Edison patents Carbon microphone Edison's Phonograph Doll Edison screw Etheric force Kinetoscope Phonograph Phonomotor Quadruplex telegraph Tasimeter
Advancements	Consolidated Edison Edison–Lalande cell Fluoroscopy Incandescent light bulb Movie camera Nickel–iron battery Thermionic emission Ticker tape
Ventures	Thomas A. Edison, Inc. Edison and Swan Electric Light Company Edison Gower-Bell Telephone Company of Europe Edison Illuminating Company Edison Machine Works Edison Manufacturing Company Edison Ore-Milling Company Edison Portland Cement Company Edison Records Edison Storage Battery Company Edison Studios General Electric Motion Picture Patents Company Mine Safety Appliances Oriental Telephone Company
Monuments	Birthplace Black Maria Depot Museum Memorial Tower and Museum National Historical Park State Park Storage Battery Company Building General Electric Research Laboratory Winter Estates
Family	Charles Edison (son) Theodore Miller Edison (son)
Films	Young Tom Edison (1940) Edison, the Man (1940) "The Wizard of Evergreen Terrace" (1998) The Current War (2017) Tesla (2020)
Literature	The Future Eve (1886) Edison's Conquest of Mars (1898) Tales from the Bully Pulpit (2004)
Productions	The Execution of Mary Stuart (1895) The Kiss (1896) Frankenstein (1910) A Night of Terror (1911) Kidnapped (1917)
Terms	Edisonade Edisonian approach
Related	Thomas Edison in popular culture War of the currents Pearl Street Station Edison Museum Thomas Edison House Edison Hotel Telephonoscope Statue of Thomas Edison Thomas Alva Edison silver dollar