معرفی باتری های بر پایه نیکل

برای 50 سال ، دستگاه های قابل حمل به باتری نیکل-کادمیوم (NiCd) متکی بودند. این مساله  باعث شد تا مقدار زیادی داده اضافی 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 شده زیرا این دو سیستم بسیار مشابه هستند. به دلیل مقررات زیست محیطی ، NiCd امروزه محدود به برنامه های 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 دیگر بود را ارائه داد. با این حال ، مواد NiCd گران بود. تحولات کند بود ، اما در سال 1932 پیشرفت هایی 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 ، دوربین های فیلمبرداری حرفه ای و ابزارهای برقی بود. در اواخر دهه 1980 ، ظرفیت فوق العاده 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 سود دهی نیز افزایش یافت.

باتری نیکل کادمیومNiCd استاندارد همچنان از سخت ترین و پرکاربرد ترین باتری ها 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 آنها به سیکل تخلیه کامل نرسند ، باعث از دست رفتن ظرفیت می شود. به نظر می رسد که باتری انرژی قبلی را حفظ می کند و پس از ایجاد جریان، بازدهی نیز ثابت می ماند.طبق RWTH ، 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

• ناهموار ، تعداد زیاد چرخه با نگهداری مناسب
• تنها باتری قابل شارژ سریع و استهلاک کم است
• عملکرد بار خوب، امکان بازگشت به حالت اولیه
• ماندگاری طولانی ،  می تواند در حالت تخلیه نگهداری شود ، قبل از استفاده به پرایمینگ نیاز دارد
• ذخیره سازی 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 است
• در طیف گسترده ای از اندازه ها و گزینه های عملکرد موجود است

معایب باتری نیکل کادمیوم

• انرژی اختصاصی نسبتاً کم در مقایسه با سیستم های جدید
• اثر حافظه ؛ به تخلیه های دوره ای کامل نیاز دارد و می تواند دوباره بازسازی شود
• کادمیوم یک فلز سمی است. نمی توان در محل دفن زباله دفع کرد
• تخلیه زیاد از خود پس از ذخیره سازی نیاز به شارژ مجدد دارد
• ولتاژ کم سلول 1.20 ولت ، برای دستیابی به ولتاژ بالا به سلول های 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 می کند.

نیکل-هیدرید فلز بدون اشکال نیست. این باتری ظریف تر و پیچیده تر 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 می دهد و خوردگی آلیاژ را کم می کند ، اما این باعث کاهش انرژی خاص می شود. باتری های پیشرانه الکتریکی برای دستیابی به مقاومت مورد نیاز و طول عمر طولانی از این تغییر استفاده می کنند.

کاربرد مصرف باتری نیکل هیدرید فلز

NiMH به یکی از در دسترس ترین باتری های قابل شارژ برای استفاده مصرف کننده تبدیل شده است. تولیدکنندگان باتری مانند پاناسونیک ، انرژایزر ، دوراسل و رایوک نیاز به یک باتری قابل شارژ با دوام و کم هزینه را تشخیص داده و NiMH را در اندازه های AA ، AAA و سایزهای دیگر ارائه می دهند. تولیدکنندگان باتری می خواهند خریداران را از باتری های 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 ویژگی های بارگیری ضعیف مانع موفقیت آن می شود.

در ادامه انرژی خاص ، ولتاژ ، تخلیه شارژ و زمان کار باتری های ذکر شده را نشان می کند. این سلول ها در اندازه های AA ، AAA و سایزهای دیگر موجود هستند و می توانند در دستگاه های قابل حمل طراحی شده برای این کاربرد ها مورد استفاده قرار گیرند. حتی اگر ولتاژ سلول متفاوت باشد ، ولتاژ پایان تخلیه به طور معمول 1 ولت در سلول است. دستگاه های 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. نگرانی های ایمنی و ناسازگاری ولتاژ از فروش اکثر باتری های لیتیوم یون در قالب های AA و AAA جلوگیری می کند.

تخلیه شارژ زیاد باعث نگرانی مداوم مصرف کنندگان باتری های قابل شارژ می شود و باتری نیکل هیدرید فلز NiMH مانند لاستیک توپ بسکتبال یا دوچرخه دارای نشت عمل می کند. چراغ قوه یا دستگاه سرگرمی قابل حمل با باتری NiMH وقتی فقط برای چند هفته کنار گذاشته می شود “کاملا خالی” می شود. نیاز به شارژ مجدد دستگاه قبل از هر بار استفاده برای بسیاری از مصرف کنندگان مناسب نیست ، به خصوص برای چراغ قوه هایی که برای قطع برق گاه به گاه در حالت آماده به کار قرار می گیرند. قلیایی شارژ را به مدت 10 سال نگه می دارد.

باتریEneloop NiMH توسط پاناسونیک در مقایسه با نسخه های قبلی سانیو میزان تخلیه خود را با 6 برابر کاهش داده است. این پیشرفت ها با تغییر در ترکیب شیمیایی و جدا کننده اصلاح شده امکان پذیر شد. این بدان معناست که شما می توانید باتری شارژ شده را شش برابر بیشتر از NiMH معمولی قبل از اینکه شارژ لازم شود ، نگهداری کنید. گفته می شود 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 ، می تواند نوسازی شود
• ذخیره سازی و حمل و نقل ساده،  تحت کنترل نظارتی نیست
• سازگار با محیط زیست ؛ فقط حاوی سموم خفیف است
• محتوای نیکل بازیافت می شود بنابراین محصول را سودآور می کند
• دامنه وسیع دما

محدودیت های باتری نیکل هیدرید فلز

• عمر مفید محدود تخلیه عمیق باعث کاهش عمر می شود
• به الگوریتم بار پیچیده نیاز دارد. حساس به اضافه بار
• اضافه بار را به خوبی جذب نمی کند. شارژ باید کم باشد
• در هنگام شارژ سریع و تخلیه بار زیاد گرما ایجاد می کند
• تخلیه زیاد از خود
• 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 باتری هایی است که از صفحات سرب در اسید سولفوریک استفاده می کنند.” او روی بازار ظهور وسایل نقلیه الکتریکی حساب باز کرد و وقتی اتومبیل های بنزینی قدرت را در دست گرفت ، به ضرر دهی رسید. وقتی صنعت خودرو از سیلد اسید به عنوان باتری برای شروع ، 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 می کند که ولتاژ نامی سلول 1.20 ولت را تولید می کند. NiFe در برابر شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد انعطاف پذیر است و می تواند بیش از 20 سال در برنامه های آماده به کار 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 باتری از بمب های پرنده V-1 آلمان و موشک های V-2 استفاده می کرد. کاربردهای دیگر سیگنالینگ راه آهن ، لیفتراک و برنامه های 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.

پیشرفت هایی در حال انجام است و NiFe در حال تبدیل شدن به یک گزینه مناسب برای سیلد اسید در سیستم های برق خارج از شبکه است. فناوری صفحه جیبی تخلیه خود را کاهش می دهد. 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 سیکل عمر 12 ساله دارند. NiFe حدود چهار برابر سیلد اسید قیمت دارد و از نظر قیمت خرید با لیون یون قابل مقایسه است.

باتری های نیکل آهن از شارژ مخروطی مشابه NiCd و NiMH استفاده می کنند. 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 باتری های مبتنی بر نیکل ، ولتاژ سلول با شارژ کامل و با افزایش گاز داخلی و افزایش دما شروع به کاهش می کند. از شارژ بیش از حد خودداری کنید زیرا این امر باعث تبخیر و خشک شدن آب می شود. فقط برای جبران تخلیه خود شارژ کنید.

ظرفیت کم را اغلب می توان 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 در ولتاژ متفاوت است. NiZn به جای 1.20 ولت ،  1.65 ولت در سلول را فراهم می کند که باتری نیکل کادمیوم NiCd و باتری NiMH در اختیار دارند. باتری NiZn با یک جریان ثابت تا 1.9 ولت در سلول شارژ می شود و نمی تواند شارژ قطره ای داشته باشد ، همچنین به عنوان شارژ نگهداری شناخته می شود. انرژی ویژه 100 وات بر کیلوگرم است و می تواند 200-300 بار چرخه داشته باشد باتریNiZn فاقد مواد سنگین سمی است و به راحتی قابل بازیافت است. برخی از بسته بندی ها 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 ناشی از رشد دندریت رنج می برد ، که اغلب منجر به کوتاه برق پیشرفت در الکترولیت این مشکل را کاهش داده است و NiZn دوباره برای مصارف تجاری در نظر گرفته شده است. کم هزینه ، توان خروجی بالا و دامنه عملکرد دمای مناسب باعث جذابیت این شیمی 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 می کند. این سلول شامل الکترودهای جامد نیکل ، الکترودهای هیدروژن ، صفحه های گاز و الکترولیت است که در ظرف تحت فشار محصور می شوند.

NiH ولتاژ سلول اسمی 1.25 ولت دارد و انرژی ویژه آن 40-75 وات ساعت / کیلوگرم است. از مزایای آن می توان به ماندگاری طولانی مدت ، حتی با چرخه تخلیه کامل ، عمر تقویم 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 ویژگی ها NiH را برای استفاده ماهواره ای ایده آل می کند. دانشمندان سعی کردند باتری های NiH را برای استفاده در زمین تولید کنند ، اما انرژی خاص کم و هزینه زیاد در برابر این کار م مؤثر بود. هزار سلول برای یک برنامه ماهواره ای هزار دلار هزینه دارد. همانطور که NiH جایگزین NiCd در ماهواره ها شد ، حرکت به سمت یون های با عمر طولانی انجام می شود.

منابع

باتری یونیورسیتی