Järn-nickel batteri

Ett järn-nickel-batteri  är en sekundär kemisk strömkälla där järn  är anoden , elektrolyten är en vattenlösning av natrium- eller kaliumhydroxid (med tillsats av litiumhydroxid ), katoden  är nickel(III)oxidhydrat .

Det aktiva materialet finns i nickelpläterade stålrör eller perforerade fickor. När det gäller kostnad och energitäthet ligger de nära litiumjonbatterier , och när det gäller självurladdning, effektivitet och spänning ligger de nära NiMH-batterier . Dessa batterier är ganska hållbara, resistenta mot grov hantering (överladdning, djupurladdning, kortslutning och termisk stöt) och har en mycket lång livslängd.

Deras användning har minskat sedan produktionen stoppades på grund av en brand i Thomas Edisons fabrik/laboratorium 1914 [ 1] check link , på grund av dålig batteriprestanda vid låga temperaturer, dålig laddningsbevarande (som NiMH-batterier) och höga produktionskostnader jämförbara med bäst förseglade blybatterier och upp till 1/2 kostnaden för NiMH-batterier. Men på grund av ökningen av kostnaden för bly [2] de senaste åren har priset på blybatterier stigit avsevärt, och priserna är nästan lika. [3]

När man jämför batterier med blybatterier, bör man komma ihåg att den tillåtna operativa urladdningen av ett blybatteri är mycket mindre än den teoretiska fulla kapaciteten, och järn-nickel är mycket nära det. Därför kan den verkliga operativa kapaciteten för ett järn-nickel-batteri, med en lika teoretisk full kapacitet, vara flera gånger (beroende på läge) större än för ett blybatteri.

Hållbarhet

Förmågan hos dessa batterier att utstå frekventa urladdnings-/laddningscykler är förknippad med den låga lösligheten av reagenserna i elektrolyten. Långtidsbildningen av metalliskt järn under laddning beror på den låga lösligheten av Fe 3 O 4 . Den långa processen för bildning av järnkristaller sparar elektroderna, men begränsar också arbetshastigheten: dessa batterier laddas långsamt och laddas ur lika långsamt.

De viktigaste faktorerna som begränsar hållbarheten hos järn-nickel-batterier är utbränningen av grafiten från den ledande tillsatsen på grund av frigörandet av syre under nedbrytningen av vatten, korrosion av nickelpläterade järnhöljen och lameller, följt av utfällning av aktiva massor i slammet, avsättning av järn på separatorer och ökad självurladdning. Järn-nickel-element som producerades av Edisons fabriker i början av 1900-talet hade en rörformig design av en positiv oxid-nickelelektrod med en ledande tillsats av nickelblad istället för grafit och en förbättrad nickelpläteringsteknik för järnstrukturmaterial (bakning av nickel i flera lager). beläggning erhållen från en vattenlösning av nickelsalt i ugnar med en väteskyddande atmosfär). I det här fallet var den avsedda livslängden 100 år och det rekommenderade intervallet för byte av elektrolyter var en gång vart 5-10 år. I billigare konstruktioner av järn-nickel-batterier med en livslängd på de första tiotals åren, på grund av utbränningen av den grafitledande tillsatsen under driften av cellen, förorenas elektrolyten snabbare med karbonater och intervallen mellan elektrolytbyten är reducerat (det rekommenderade intervallet för att ersätta elektrolyten i versioner av nickelbatterier med grafit är från 100 cykler eller en gång per år). Efter utbränning av en betydande mängd grafit försämras också utgångskapacitansen och elementets ekvivalenta inre resistans ökar på grund av försämring av kontakten mellan den aktiva massan och elektroderna. Den slutliga förstörelsen av batteriet och fullständigt fel inträffar genom korrosion av strukturella element (lameller och/eller stålhölje) på grund av den begränsade kvaliteten på nickelplätering av billiga batterialternativ.

Nickel-järnbatterier har länge använts i den europeiska gruvindustrin på grund av deras förmåga att motstå vibrationer, höga temperaturer och andra påfrestningar. Intresset för sol- och vindgeneratorer , moderna eltransporter har ökat igen.

Uppfinningshistorik

Waldemar Jungner

Den svenske uppfinnaren Waldemar Jungner var uppfinnaren av nickel-kadmium-batteriet 1899. Jungner experimenterade med järn som ersättning för kadmium, bland annat en variant med 100 % järn. Jungner fann att den största fördelen jämfört med nickel-kadmium-kretsen var kostnaden, men på grund av lägre laddningseffektivitet och högre gasning ansågs nickel-järn-tekniken vara underlägsen och övergavs. Jungner fick flera patent för järnversionen av sitt batteri (svenska patent nr 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 och tyska patent nr 110.210/1899).

Thomas Edison

Järn-nickel-batteriet uppfanns oberoende av Thomas Edison 1901 och användes som strömkälla för elfordon som Detroit Electric och Baker Electric. Edison hävdade att nickel-järnbatterier skulle vara "mycket bättre än batterier som använder blyplattor och syra." Jungners arbete var praktiskt taget okänt i USA fram till 1940-talet, då tillverkningen av nickel-kadmium-batterier lanserades där.

Ett 50-volts nickel-järnbatteri var huvudströmkällan i den tyska V-2- raketen (tillsammans med två 16-voltsbatterier för att driva 4 gyroskop, en mindre version användes i V-1 kryssningsmissilen ).

Alternativ

Elektrokemisk process

Halvreaktion vid katoden:

och på anoden:

(När den är urladdad fortsätter reaktionen från vänster till höger, när den laddas, från höger till vänster.) [1]

På grund av värdet av den elektrokemiska potentialen hos järn i den arbetande alkaliska lösningen, under lagring av ett laddat batteri, frigörs väte och järnelektroden självurladdar. På grund av det låga värdet av överspänningen för väteutveckling på järnelektroden under laddning, förbrukas ungefär hälften av den elektriska laddningen som passerar genom batteriet på väteutveckling även vid rekommenderade positiva driftstemperaturer. Detta är huvudfaktorn som begränsar energieffektiviteten hos ett järn-nickel-batteri. När temperaturen sjunker under noll, försämras laddningseffektiviteten för järnelektroden ännu mer och vid temperaturer under -20 ° C slutar batteriet att ladda.

Produktion

Edison-batteriet tillverkades från 1903 till 1972 av Edison Battery Storage Company i East Orange , New Jersey. De var ganska lönsamma för företaget. 1972 såldes företaget till Exide Battery Corporation, som upphörde med produktionen 1975.

För närvarande (2012) tillverkas järn-nickel-batterier i USA, Kina, Ungern, Ryssland och Ukraina.

Applikation

Ekologi

Nickel-järn-batterier är fria från kadmium och bly, vilket gör dem mer miljövänliga än nickel-kadmium och bly-syra batterier.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ "The Life of Thomas A. Edison" http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html Arkiverad 20 januari 2011 på Wayback Machine
  2. ↑ Stigande blypriser: Experter rekommenderar att lagra batterier. . Hämtad 10 april 2010. Arkiverad från originalet 19 augusti 2014.
  3. ↑ jämför: Järn-nickel batteri-Energi/konsument-pris 1,5 - 6,6 Wh/US$ och blybatteri - Energi/konsument-pris 7-18 Wh/US$
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 mpoweruk.com: Ackumulator- och batterijämförelser (pdf) . Hämtad 7 februari 2010. Arkiverad från originalet 29 mars 2018.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 en beskrivning av det kinesiska nickel-järnbatteriet från BeUtilityFree
  6. ↑ 1 2 3 Mpower: Nickel Iron Batteries Arkiverad 26 augusti 2018 på Wayback Machine , Axeonpower: Nickel Iron Batteries Arkiverad 23 mars 2011 på Wayback Machine
  7. ↑ "Nickel Iron Battery Frequently Asked Questions" BeUtilityFree Arkiverad 27 november 2013 på Wayback Machine
  8. ↑ Säkerhetskopiering av webbarkiv: Edison Battery Booklet original instruktionsbok för Edison-batteriet
  9. ↑ Allmänna specifikationer för TNZh-batterier återspeglas i GOST 26500-85 "Alkaline nickel-iron traction batteries. Allmänna tekniska villkor”, som gäller batterier med en kapacitet på mer än 150 Ah, utformade för att driva elmotorer för gruvelektriska lokomotiv och golvspårlösa elektrifierade fordon i driftsförhållandena för grupperna M26 och M28 enligt GOST 17516-72 på en höjd upp till 2000 m över havet.

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 Kemiska strömkällor
Galvaniska celler
Elektriska batterier
bränsleceller
Modeller
Enhet