S-2102 : معرفی باتری های بر پایه نیکل

S-2102 : معرفی باتری‌های بر پایه نیکل

Introduction of nickel-based batteries

برای 50 سال، دستگاه‌های قابل حمل به باتری نیکل–کادمیوم (NiCd)  متکی بودند. این مساله  باعث شد تا مقدار زیادی زباله‌های سمی ایجاد شود، اما در دهه 1990 ، نیکل-فلز-هیدرید (NiMH) سلطنت را به دست گرفت تا مشکل سمی بودن NiCd را برطرف کند. بسیاری از ویژگی های NiCd به NiMH منتقل شد؛ زیرا این دو سیستم بسیار مشابه هستند. به دلیل مقررات زیست محیطی، امروزه NiCd  محدود به کاربردهای خاص است.

باتری نیکل کادمیوم

توسط والدمار یونگنر در سال 1899 اختراع شد و مزیت زیادی نسبت به باتری سیلد اسید که تنها باتری قابل شارژ بود را ارائه داد. با این حال، مواد NiCd گران بود. تحولات کند بود، اما در سال 1932 پیشرفت‌هایی برای رسوب مواد فعال در داخل یک الکترود متخلخل با روکش نیکل انجام شد. در سال 1947  با جذب گازهای تولید شده در هنگام شارژ، که منجر به باتری NiCd مهر و موم شده مدرن شد، پیشرفت های بیشتری رخ داد.

برای سالهای متمادی،NiCd  گزینه باتری ترجیحی برای رادیوهای دو طرفه، تجهیزات پزشکی فوری، دوربین‌های فیلمبرداری حرفه‌ای و ابزارهای برقی بود. در اواخر دهه 1980، ظرفیت فوق‌العاده بالا باتری نیکل کادمیوم NiCd با ظرفیتهایی تا 60 درصد بالاتر از NiCd استاندارد جهان را جا به جا کرد. بسته بندی مواد فعال تر در هر سلول نیز میسر شد؛ اما با افزایش مقاومت داخلی و کاهش تعداد چرخه، میزان سود‌دهی نیز افزایش یافت.

باتری نیکل کادمیومNiCd  استاندارد همچنان از سخت‌ترین و پرکاربردترین باتری‌ها است و صنعت هواپیمایی همچنان بر این سیستم وفادار مانده است؛ اما برای رسیدن به طول عمر، به مراقبت مناسب نیاز دارد. باتری نیکل کادمیومNiCd  و تا حدودی نیز NiMH  دارای اثر حافظه هستند که اگر به سیکل تخلیه کامل نرسند، باعث از دست رفتن ظرفیت می‌شود. به نظر می‌رسد که باتری انرژی قبلی را حفظ می‌کند و پس از ایجاد جریان، بازدهی نیز ثابت می ماند.طبقRWTH ، آخن، آلمان (2018)، هزینه NiCd حدود 400 دلار برای هر کیلووات ساعت است. در ادامه مزایا و معایب این نوع باتری را می بینیم.

مزایا باتری نیکل کادمیوم

• تعداد زیاد چرخه با نگهداری مناسب
• تنها باتری قابل شارژ سریع و استهلاک کم
• عملکرد بار خوب، امکان بازگشت به حالت اولیه
• ماندگاری طولانی، می تواند در حالت تخلیه نگهداری شود، قبل از استفاده به پرایمینگ نیاز دارد
• ذخیره‌سازی و حمل و نقل ساده، تحت کنترل نظارتی نیست
• عملکرد خوب در دمای پایین
• قیمت اقتصادی NiCd ، از نظر هزینه در هر سیکل کمترین قیمت در بین سایر محصولات را دارد
• در طیف گسترده‌ای از ابعاد و اندازه و گزینه‌های عملکرد موجود است

معایب باتری نیکل کادمیوم

• انرژی اختصاصی نسبتاً کم در مقایسه با سیستم‌های جدید
• اثر حافظه‌ای؛ به تخلیه‌های دوره‌ای کامل نیاز دارد و می‌تواند دوباره بازسازی شود
• کادمیوم یک فلز سمی است. آن را نمی‌توان در محل دفن زباله دفع کرد
• تخلیه زیاد خودبه‌خودی، پس از ذخیره‌سازی نیاز به شارژ مجدد دارد
• ولتاژ کم سلول 1.20 ولت، برای دستیابی به ولتاژ بالا، به سلول‌های زیادی احتیاج دارد

باتری نیکل هیدرید فلز

تحقیقات در مورد باتری نیکل–هیدرید فلز از سال 1967 آغاز شد. با این حال، بی ثباتی هیدرید فلز منجر به توسعه نیکل-هیدروژن (NiH) شد. آلیاژهای جدید هیدرید کشف شده در دهه 1980 سرانجام مسائل پایداری را بهبود بخشیدند و امروز نیکل هیدرید فلز 40 درصد انرژی ویژه بالاتر از NiCd  استاندارد فراهم می‌کند.

نیکل-هیدرید فلز بدون اشکال نیست. این باتری ظریف‌تر و پیچیده‌تر از NiCd  است. با 20 درصد تخلیه خود در 24 ساعت اول پس از شارژ و 10 درصد در ماه پس از آن، NiMH  در میان بالاترین گروه میزان تخلیه شارژ قرار دارد. اصلاح مواد هیدرید تخلیه میزان باتری را کاهش می‌دهد و خوردگی آلیاژ را کم می‌کند؛ اما این باعث کاهش انرژی خاص می‌شود. باتری‌های پیشرانه الکتریکی برای دستیابی به مقاومت مورد نیاز و طول عمر طولانی از این تغییر استفاده می‌کنند.

کاربرد مصرف باتری نیکل هیدرید فلز

NiMH به یکی از در دسترس‌ترین باتری‌های قابل شارژ برای استفاده مصرف کننده تبدیل شده‌است. تولیدکنندگان باتری مانند پاناسونیک، انرجایزر، دوراسل و رایوک نیاز به یک باتری قابل شارژ با دوام و کم هزینه را تشخیص داده و NiMH را در اندازه‌هایAA ، AAA  و سایزهای دیگر ارائه می‌دهند. تولیدکنندگان باتری می‌خواهند خریداران را از باتری‌های قلیایی به سمت باتری قابل شارژ یکبار مصرف سوق دهند.

باتری NiMH برای بازار مصرف جایگزینی برای باتری قلیایی قابل استفاده مجدد است که در دهه 1990 ظاهر شد. عمر چرخه محدود و ویژگی‌های بارگیری ضعیف مانع موفقیت آن می‌شود.

در ادامه، انرژی خاص، ولتاژ ، تخلیه شارژ و زمان کار باتری‌های ذکر شده را نشان می‌دهد. این سلول‌ها در اندازه‌های AA ، AAA و سایزهای دیگر موجود هستند و می‌توانند در دستگاه‌های قابل حمل طراحی شده برای این کاربردها مورد استفاده قرار گیرند. حتی اگر ولتاژ سلول متفاوت باشد، ولتاژ پایان تخلیه به طور معمول 1 ولت در سلول است. دستگاه‌های قابل حمل، از نظر دامنه ولتاژ دارای انعطاف پذیری زیادی هستند. مهم نیست که سلول ها را با هم مخلوط کنید و همیشه از یک نوع باتری در نگهدارنده استفاده کنید. نگرانی‌های ایمنی و ناسازگاری ولتاژ، از فروش اکثر باتری‌های لیتیوم یون در قالب های AA و AAA جلوگیری می‌کند.

تخلیه شارژ زیاد، باعث نگرانی مداوم مصرف کنندگان باتری‌های قابل شارژ می‌شود. باتری نیکل هیدرید فلز NiMH مانند لاستیک توپ بسکتبال یا دوچرخه دارای نشت عمل می‌کند. چراغ قوه یا دستگاه سرگرمی قابل حمل با باتری NiMH وقتی فقط برای چند هفته کنار گذاشته می‌شود “کاملا خالی” می‌شود. نیاز به شارژ مجدد دستگاه قبل از هر بار استفاده برای بسیاری از مصرف کنندگان مناسب نیست، به خصوص برای چراغ قوه‌هایی که برای قطع برق گاه‌به‌گاه در حالت آماده به کار قرار می‌گیرند.

باتریEneloop NiMH  توسط پاناسونیک در مقایسه با نسخه‌های قبلی سانیو میزان تخلیه خود را تا 6 برابر کاهش داده‌است. این پیشرفت‌ها با تغییر در ترکیب شیمیایی و جدا کننده اصلاح شده امکان پذیر شد. این بدان معناست که شما می‌توانید باتری شارژ شده را شش برابر بیشتر از NiMH معمولی قبل از اینکه شارژ لازم شود، نگهداری کنید. گفته می‌شود پاناسونیک NiMH در دمای سرد نیز عملکرد خوبی دارد. اشکال Eneloop نسبت به NiMH معمولی کم بودن میزان انرژی خاص خروجی است.

مزایا باتری نیکل هیدرید فلز

• 30-40  درصد ظرفیت بالاتر از NiCd استاندارد
• کمتر از NiCd وابسته به حافظه است، می‌تواند نوسازی شود
• ذخیره‌سازی و حمل و نقل ساده،  تحت کنترل نظارتی نیست
• سازگار با محیط زیست؛ فقط حاوی سموم خفیف است
• محتوای نیکل بازیافت می‌شود بنابراین محصول را سودآور می‌کند
• دامنه وسیع دما

محدودیت‌های باتری نیکل هیدرید فلز

• عمر مفید محدود تخلیه عمیق باعث کاهش عمر می‌شود
• به الگوریتم بار پیچیده نیاز دارد. حساس به اضافه بار
• اضافه بار را به خوبی جذب نمی‌کند. شارژ باید کم باشد
• در هنگام شارژ سریع و تخلیه بار زیاد، گرما ایجاد می‌کند
• تخلیه زیاد خودبه‌خودی
• راندمان کولنبیک فقط حدود 65٪ (99٪ با یون لیتیوم) است

باتری آهن نیکل (NiFe) یا ادیسون

والدمار یونگنر سوئدی پس از اختراع نیکل-کادمیوم در سال 1899 سعی کرد کادمیوم را جایگزین آهن کند تا صرفه جویی بیشتری انجام شود. با این حال، بهره وری ضعیف شارژ و گازگرفتگی (تشکیل هیدروژن) او را بر آن داشت تا بدون تأمین حق ثبت اختراع، توسعه را کنار بگذارد.

در سال 1901، توماس ادیسون توسعه باتری آهن نیکل را به عنوان جایگزینی برای سیلد اسید به منظور توسعه وسایل نقلیه الکتریکی ادامه داد. وی ادعا کرد که آهن نیکل، غوطه ور در الکترولیت قلیایی، “بسیار برتر از باتری‌هایی است که از صفحات سرب در اسید سولفوریک استفاده می‌کنند.” او روی بازار ظهور وسایل نقلیه الکتریکی حساب باز کرد و وقتی اتومبیل‌های بنزینی قدرت را در دست گرفتند، به ضرر دهی رسید. وقتی صنعت خودرو از سیلد اسید به عنوان باتری برای استارت، روشنایی و احتراق (SLI) به جای آهن نیکل استفاده کرد، وضعیت بیشتر از قبل خراب شد.

باتری آهن نیکل (NiFe) از یک کاتد اکسید-هیدروکسید و یک آند آهن با الکترولیت هیدروکسید پتاسیم استفاده می‌کند که ولتاژ نامی سلول 1.20 ولت را تولید می‌کند. NiFe در برابر شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد انعطاف پذیر است و می‌تواند بیش از 20 سال دوام داشته باشد. مقاومت در برابر ارتعاشات و درجه حرارت بالا، NiFe  را به باتری ترجیحی برای استخراج در اروپا تبدیل کرده است. در طول جنگ جهانی دوم، بمب‌های پرنده V-1 آلمان و موشک‌های V-2 از این باتری استفاده می‌کردند. کاربردهای دیگر این باتری، سیگنالینگ راه آهن، لیفتراک و دستگاه‌های ثابت است.

انرژی خاص NiFe در حدود 50 وات ساعت بر کیلوگرم است. در دمای پایین عملکرد ضعیفی دارد و از خود تخلیه بالایی از 20 تا 40 درصد در ماه برخوردار است. این امر، همراه با هزینه ساخت بالا، صنعت را وادار کرد که به اسید سرب وفادار بماند.

پیشرفت‌هایی در حال انجام است و NiFe در حال تبدیل شدن به یک گزینه مناسب برای سیلد اسید در سیستم‌های برق خارج از شبکه است. فناوری صفحه جیبی تخلیه خود را کاهش می‌دهد. باتری تقریباً از شارژ زیاد و کم در امان است و باید بیش از 50 سال دوام داشته باشد. در صورتی که باتری سیلد اسید و دیپ سایکل عمر 12 ساله دارند. NiFe حدود چهار برابر سیلد اسید قیمت دارد و از نظر قیمت خرید با یون لیتیوم قابل مقایسه است.

باتری‌های نیکل آهن از شارژ مخروطی مشابه NiCd و NiMH استفاده می‌کنند. توجه داشته باشید که از شارژ ولتاژ ثابت مانند باتری سیلد لید اسید و لیتیوم یون استفاده نکنید، اما اجازه دهید ولتاژ آزادانه شناور شود. مشابه باتری‌های مبتنی بر نیکل، ولتاژ سلول با شارژ کامل و با افزایش گاز داخلی و افزایش دما شروع به کاهش می‌کند. از شارژ بیش از حد خودداری کنید؛ زیرا این امر باعث تبخیر و خشک شدن آب می‌شود. فقط برای جبران تخلیه خودبه‌خودی آن را شارژ کنید.

ظرفیت کم را اغلب می‌توان با اعمال جریان تخلیه زیاد تا سه برابر نرخ C برای مدت زمان 30 دقیقه بهبود بخشید. اطمینان حاصل کنید که دمای الکترولیت بیش از 46 درجه سانتیگراد (115 درجه فارنهایت) نیست.

باتری نیکل روی (NiZn)

باتری نیکل روی از نظر استفاده از الکترولیت قلیایی و الکترود نیکل مشابه نیکل کادمیوم است ؛ اما دارای ولتاژ متفاوت است. NiZn به جای 1.20 ولت،  1.65 ولت در سلول را فراهم می‌کند ؛ مانند باتری نیکل کادمیوم NiCd و باتری NiMH  . باتری NiZn با جریانی ثابت تا 1.9 ولت در سلول شارژ می‌شود و نمی‌تواند شارژ قطره‌ای داشته باشد.

همچنین، به صورت شارژ نگهداری شناخته می‌شود. انرژی ویژه آن 100 وات بر کیلوگرم است و می تواند 200-300  بار چرخه داشته باشد. باتریNiZn  فاقد مواد سنگین سمی بوده و به راحتی قابل بازیافت است. برخی از این باتری‌ها در قالب سلول AA موجود است.

در سال 1901، توماس ادیسون حق ثبت اختراع ایالات متحده برای سیستم باتری قابل شارژ نیکل و روی را که بین سالهای 1932 و 1948 در اتومبیل های ریلی نصب شده بود، دریافت کرد. NiZn از تخلیه زیاد خود و عمر کوتاه چرخه رنج می‌برد. پیشرفت در الکترولیت، این مشکل را کاهش داده است و NiZn دوباره برای مصارف تجاری در نظر گرفته شده است. کم هزینه بودن، توان خروجی بالا و دامنه عملکرد دمایی مناسب، باعث جذابیت این باتری شده است.

نیکل هیدروژن (NiH)

هنگامی که تحقیقات در مورد نیکل-فلز-هیدرید در سال 1967 آغاز شد، مشکلات بی ثباتی فلز باعث تغییر جهت توسعه باتری نیکل-هیدروژن (NiH) شد. NiH از یک قوطی استیل برای ذخیره هیدروژن با فشار 8،270kPa (1200psi)  استفاده می‌کند. این سلول شامل الکترودهای جامد نیکل، الکترودهای هیدروژن، صفحه‌های گاز و الکترولیت است که در ظرف تحت فشار محصور می‌شوند.

NiH  ولتاژ سلول اسمی 1.25 ولت دارد و انرژی ویژه آن 40-75 وات ساعت/کیلوگرم است. از مزایای آن می‌توان به ماندگاری طولانی مدت، حتی با چرخه تخلیه کامل، عمر مناسب به دلیل خوردگی کم، حداقل تخلیه خودکار و عملکرد دمای قابل توجه 28– درجه سانتیگراد تا 54 درجه سانتیگراد (–20 درجه فارنهایت تا 130 درجه فارنهایت) اشاره کرد.

این ویژگی‌ها NiH را برای استفاده ماهواره‌ای ایده آل می‌کند. دانشمندان سعی کردند باتری های NiH را برای استفاده در زمین تولید کنند؛ اما انرژی خاص کم و هزینه زیاد در برابر این کار مؤثر بود. هزار سلول برای یک ماهواره، هزار دلار هزینه دارد. همچنان که NiH جایگزین NiCd در ماهواره‌ها شد، مطالعه در خصوص یون‌های با عمر طولانی در حال انجام است.

منبع : باتری یونیورسیتی