Железо-никелевый аккумулятор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Желе́зо-ни́келевый аккумуля́тор — это вторичный химический источник тока, в котором железо — анод, электролитом является водный раствор гидроксида натрия или калия (с добавками гидроксида лития), катод — гидрат окиси никеля(III).

Активный материал содержится в никелированных стальных трубках или перфорированных карманах. С точки зрения стоимости и удельной энергоемкости, они близки к литий-ионным аккумуляторам, а с точки зрения саморазряда, эффективности и напряжения — к NiMH аккумуляторам. Это достаточно выносливые аккумуляторы, стойкие к грубому обращению (перезаряд, глубокий разряд, короткое замыкание и термические удары) и имеющие очень длинный срок службы.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году[1], по причине плохих показателей работы батарей при низких температурах, плохого удержания заряда (как у NiMH аккумуляторов) и высокой стоимости производства, сравнимой с лучшими герметизированными свинцово-кислотными аккумуляторами и до 1/2 стоимости NiMH аккумуляторов. Однако в связи с ростом стоимости свинца[2] в последние годы, цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, и цены практически сравнялись.[3]

При сравнении аккумуляторов со свинцово-кислотными следует помнить, что допустимый эксплуатационный разряд свинцово-кислотного аккумулятора в разы меньше, чем теоретическая полная ёмкость, а железоникелевого — очень близок к ней. Поэтому реальная эксплуатационная ёмкость железоникелевого аккумулятора, при равной теоретической полной ёмкости, может быть в разы (в зависимости от режима) больше, чем у свинцово-кислотного.

Долговечность[править | править вики-текст]

Способность этих аккумуляторов выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью реагентов в электролите. Формирование металлического железа в процессе зарядки длительно по причине низкой растворимости Fe3O4. Длительный процесс образования кристаллов железа сохраняет электроды, но также лимитирует скорость работы: данные аккумуляторы заряжаются медленно и разряжаются медленно.

Никель-железные аккумуляторы долгое время использовались в европейской горной промышленности благодаря их способности выносить вибрацию, высокие температуры и другие стрессовые воздействия. Повторно к ним возрос интерес в солнечных и ветрогенераторах, современном электротранспорте.

История изобретения[править | править вики-текст]

Вальдемар Юнгнер[править | править вики-текст]

Шведский изобретатель Вальдемар Юнгнер (Waldemar Jungner, в английском произношении — Джангнер) был изобретателем никель-кадмиевого аккумулятора в 1899. Юнгнер экспериментировал с железом в качестве замены кадмию, включая вариант со 100 % железом. Юнгнер обнаружил, что главным преимуществом перед никель-кадмиевой схемой была стоимость, но из-за более низкой эффективности зарядки и более высокого газообразования никель-железная технология была признана неполноценной и заброшена. Юнгнер получил несколько патентов на железную версию его аккумулятора (шведские патенты № 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 и германский патент № 110.210/1899).

Томас Эдисон[править | править вики-текст]

Железо-никелевый аккумулятор был независимо изобретён Томасом Эдисоном в 1901 и использовался как источник энергии для электромобилей, таких как «Detroit Electric» и «Baker Electric». Эдисон заявлял, что никель-железные батареи будут «гораздо лучше аккумуляторов, использующих свинцовые пластины и кислоту». Работа Юнгнера была практически неизвестна в США вплоть до 40-х годов, когда там было запущено производство никель-кадмиевых аккумуляторов. 50-вольтовая никель-железная батарея была основным источником питания в немецкой ракете «Фау-2» (совместно с двумя 16-вольтовыми аккумуляторами питания 4 гироскопов, в уменьшенной версии использовалась в крылатой ракете «Фау-1»).

Параметры[править | править вики-текст]

  • Запасённая энергия/масса: 20-50[4] Вт·ч/кг
  • Запасённая энергия/объем: 350[5] Вт·ч/л
  • Мощность/масса: 100[4] Вт/кг
  • Эффективность: 65 %[6]
  • Стоимость: 1,5[5] — 6,6[4] Вт·ч/US$
  • Саморазряд: 20 %[5][4] — 40 %[4]/месяц
  • Срок службы: 30[6] — 50 лет[7][5]
  • Количество рабочих циклов: Многократный глубокий разряд на срок службы заметно не влияет.[6][5]
  • Напряжение: 1,2 В[4]
  • Рабочий диапазон температур: от −40 до +46 °C[8]

Электрохимический процесс[править | править вики-текст]

Половина реакции на катоде:

\mathsf{2 Ni O OH \; + \; 2 H_2O \; + \; 2e^- \quad \rightleftharpoons \quad 2 Ni(OH)_2 + 2 OH^-}

и на аноде:

\mathsf{Fe + 2 OH^- \quad \rightleftharpoons \quad Fe(OH)_2 + 2e^-}.

(При разряде реакция протекает слева направо, при заряде справа налево.) [1]

Производство[править | править вики-текст]

Аккумулятор Эдисона производился с 1903 до 1972 компанией «Edison Battery Storage Company» в East Orange, штат Нью-Джерси. Они были достаточно прибыльными для компании. В 1972 компания была продана корпорации «Exide Battery», которая прекратила производство в 1975.

В настоящее время (2012) железо-никелевые аккумуляторы производятся в США, Китае, Венгрии, России и на Украине.

Применение[править | править вики-текст]

Экология[править | править вики-текст]

Железо-никелевые аккумуляторы не содержат кадмия и свинца, что делает их более безопасными для окружающей среды, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные аккумуляторы.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Black Edwin Internal Combustion : How Corporations and Governments Addicted the World to Oil and Derailed the Alternatives. — St Martin's Griffin. — ISBN 978-0-312-35908-9

Примечания[править | править вики-текст]

  1. «The Life of Thomas A. Edison» http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html
  2. Рост цен на свинец: эксперты рекомендуют создавать запас аккумуляторов.
  3. сравн: Железо-никелевый аккумулятор-Energy/consumer-price 1.5 — 6.6 Wh/US$ и свинцово-кислотный аккумулятор — Energy/consumer-price 7-18 Wh/US$
  4. 1 2 3 4 5 6 mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
  5. 1 2 3 4 5 a description of the Chinese nickel-iron battery from BeUtilityFree
  6. 1 2 3 Mpower: Nickel Iron Batteries, Axeonpower: Nickel Iron Batteries
  7. «Nickel Iron Battery Frequently Asked Questions» BeUtilityFree
  8. Web archive backup: Edison Battery Booklet original instruction book for the Edison battery
  9. Общие технические условия для аккумуляторов ТНЖ отражены в ГОСТ 26500-85 "Аккумуляторы щелочные никель-железные тяговые. Общие технические условия", который распространяется на аккумуляторы емкостью свыше 150 А*ч, предназначенные для питания электродвигателей рудничных электровозов и машин напольного безрельсового электрифицированного транспорта в условиях эксплуатации групп М26 и М28 по ГОСТ 17516-72 на высоте над уровнем моря до 2000м.