Nickel- vätebatteri (NiH 2 eller Ni-H 2 ) är en reversibel kemisk strömkälla som består av nickel- och väteelektroder [ 1] . Det skiljer sig från nickel-metallhydridbatteriet i användningen av väte i gasform, lagrat i komprimerat tillstånd i cellen vid ett tryck på 82,7 bar [2] .
NiH 2 - celler som använder 26 % kaliumhydroxid (KOH) som elektrolyt uppnår en livslängd på 15 år eller mer vid 80 % urladdningsdjup [3] . Energitätheten är 75 W•h / kg , 60 W•h/dm 3 [4] [5] . Spänningen vid kontakterna är 1,55 V , medelspänningen under urladdningen är 1,25 V [6] .
Trots det faktum att energitätheten bara är ungefär en tredjedel av den hos ett litiumbatteri , är den specifika egenskapen hos ett nickel-vätebatteri dess långa livslängd: cellerna klarar mer än 20 000 urladdningscykler [7] med 85 % effektivitet.
NiH 2 - batterier har goda elektriska egenskaper, vilket gör dem attraktiva för att lagra elektrisk energi på rymdfarkoster [8] . Till exempel är ISS [9] , Messenger [10] , Mars Odyssey [11] , Mars Global Surveyor [12] och MRO utrustade med nickel-väte-batterier. Hubble-teleskopet , när dess originalbatterier byttes ut i maj 2009 19 år efter lanseringen, uppnådde det högsta antalet urladdningscykler av något NiH 2 - batteri i låga referensbanor [13] .
Utvecklingen av nickel-vätebatterier började 1970 vid COMSAT [14] där de först användes 1977 ombord på den amerikanska flottans satellit NTS-2 . [femton]
Nickel-vätebatteriet kombinerar den positiva nickelelektroden i nickel-kadmiumcellen och den negativa elektroden, som inkluderar katalysatorn och gasdiffusionsdelen av bränslecellen . Under urladdningen interagerar vätet som finns i tryckkärlet med syret i nickeloxikloridelektroden. Vatten förbrukas vid nickelelektroden och frigörs vid väteelektroden, så koncentrationen av kaliumhydroxid i elektrolyten förändras inte. När batteriet laddas sjunker vätgastrycket, vilket ger en tillförlitlig indikation på urladdningstillståndet. I batteriet i en av kommunikationssatelliterna var trycket över (3,4 MPa ) när det var fulladdat, och sjönk till nästan (0,1 MPa) när det var helt urladdat.
Om det laddade batteriet fortsätter att laddas diffunderar vattnet som bildas på nickelelektroden in i väteelektroden och dissocierar där; som en konsekvens kan batterier tåla överladdning så länge som den alstrade värmen försvinner.
Batterier har nackdelen med relativt hög självurladdning, vilket är proportionellt mot vätetrycket i cellen; i vissa konstruktioner kan 50 % av kapaciteten gå förlorad efter några dagars lagring. Självurladdningen minskar med sjunkande temperatur. [16]
Jämfört med andra batterier har nickel-vätebatterier en bra energitäthet på 60 Wh/kg och en mycket lång livslängd på satelliter. Celler kan motstå överladdning, oavsiktlig polaritetsomkastning , cellvätetryck ger en bra indikation på graden av urladdning. Vätets gasform gör dock att den volymetriska verkningsgraden är ganska låg, och det höga tryck som krävs gör det nödvändigt att använda dyra tryckkärl. [16]
Den positiva elektroden är gjord av en sintrad [17] porös nickelskiva som innehåller nickelhydroxid . Den negativa väteelektroden använder en teflonbunden platinakatalysator med en zirkoniumfilamentseparator [18] . [19]
Individual Vessel (IPV) batterikonstruktionen består av en NiH 2 -cell och ett tryckkärl. [tjugo]
Common Vessel (CPV) batterikonstruktionen består av två NiH 2 - celler i serie och ett gemensamt tryckkärl. CPV ger något högre energitäthet än IPV.
SPV-designen kombinerar upp till 22 celler i ett gemensamt kärl.
I en bipolär design är en tillräckligt tjock elektrod vanlig: positiv för en och negativ för en intilliggande cell i SPV. [21]
Dependent Vessel (DPV) design ger mer energitäthet till en lägre kostnad. [22]
Den gemensamma/beroende kärldesignen (C/DPV) är en hybrid av CPV och DPV med hög volymetrisk effektivitet. [23]