Svarkin-spb.ru

Что такое никель─железные аккумуляторы?

Железо-никелевый аккумулятор

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.

Содержание

Долговечность [ править ]

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

Основные факторы ограничивающие долговечность железо-никелевых аккумуляторов — выгорание графита токопроводящей добавки из-за выделения кислорода при разложении воды, коррозия никелированых железных корпусов и ламелей с последующим высыпанием активных масс в шлам, осаждение железа на сепараторах и увеличение саморазряда. Железо-никелевые элементы производства заводов Эдисона в начале 19хх годов имели трубчатую конструкцию положительного окисно-никелевого электрода с токопроводящей добавкой никелевых лепестков вместо графита и улучшеную технологию никелирования железных конструкционных материалов (запекание многослойного никелевого покрытия, полученого из водного раствора никелевой соли, в печах с водородной защитной атмосферой). При этом назначеный срок службы составлял 100 лет и рекомендованый интервал замены электролита — один раз в 5..10 лет. В более дешевых конструкциях железо-никелевых аккумуляторов со сроком службы в начальные десятки лет из-за выгорания графитной токопроводящей добавки в процессе эксплуатации элемента быстрее загрязняется электролит карбонатами и уменьшаются интервалы между заменами электролита (рекомендованый интервал замены электролита в исполнениях никелевых аккумуляторов с графитом — от 100 циклов или 1 раз в год). Также после выгорания существенного количества графита ухудшается отдаваемая емкость и увеличивается эквивалентное внутренее сопротивление элемента из-за ухудшения контакта активной массы с электродами. Окончательное разрушение аккумулятора и полный выход из строя происходят при сквозной коррозии конструкционных элементов (ламелей и/или стального корпуса) из-за ограниченого качества никелирования дешевых вариантов исполнения аккумулятора.

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 ]

Вальдемар Юнгнер [ править ]

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 ]

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»).

Читать еще:  Как заменить банки в аккумуляторе шуруповерта

Параметры [ править ]

  • 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 ]

Половина реакции на катоде:

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

В связи со значением электрохимического потенциала железа в рабочем щелочном растворе при хранении заряженого аккумулятора происходит выделение водорода и саморазряд железного электрода. Также из-за малого значения перенапряжения выделения водорода на железном электроде при заряде примерно половина прошедшего через аккумулятор электрического заряда тратится на выделение водорода даже при рекомендованых положительных рабочих температурах. Это основной фактор ограничивающий энергетическую эффективность железо-никелевого аккумулятора. При понижении температуры ниже нуля зарядная эффективность железного электрода еще больше ухудшается и примерно при ниже −20 °C аккумулятор перестает заряжаться.

Производство [ править ]

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 ]

  • Используются для резервного электропитания там, где могут быть постоянно заряжаемыми. Срок службы в таком случае может быть более 20 лет.
  • В качестве тяговых аккумуляторов на различном электротранспорте [9] .
  • В системе электрооборудования пассажирских вагонов, а также моторвагонного подвижного состава и локомотивов (для питания цепей управления).

Экология [ править ]

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 ]

Литература [ править ]

  • 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.
  • Modern nickel-iron battery data

К концу года 80% батарей для электромобилей будут с высоким содержанием никеля

Основной потребитель никеля (73%) традиционно производство нержавеющей стали. И спрос в этой отрасли поддерживается увеличением производства нержавеющей стали в Китае и Индонезии. На долю Китая приходится примерно половина мирового производства и потребления стали. Что касается нержавеющей, то в 2019 г. ее производство (с содержанием никеля 10%) в Китае составит, по прогнозам, 13,5 млн т из всего примерно 40 млн т в мире.

Импорт никеля в Китай за первые шесть месяцев 2019 г. вырос на 43% (в годовом сопоставлении), составив 300 000 т, сообщает в полугодовом отчете компания «Норникель», подконтрольная «Интерросу» Владимира Потанина. Компания производит 10% первичного и 23% рафинированного никеля в мире.

Но производство нержавеющей стали – не единственный рынок потребления никеля, уверены в компании, все больший спрос предъявляют производители аккумуляторных батарей для электромобилей – никель служит материалом для катодов. Пока спрос не превышает 4% мирового потребления никеля, но быстро растет, пишет «Норникель». В 2018 г. потребление никеля производителями автобатарей составляло 70 000 т. В 2019 г. оно вырастет на 28,6%, а в 2020 г. – еще на 27,8%, приводит данные компания. Доля никелевых батарей в этом году составит 80%. Всего в 2019 г. будет произведено порядка 500 000 т катодов. Еще в 2017 г. доля никелевых катодов не превышала 50%, а их производство было менее 400 000 т.

Читать еще:  Как правильно заряжать литий─полимерный аккумулятор?

По данным Международного энергетического агентства, в 2018 г. продажи новых электромобилей в мире (включая гибриды) выросли почти на 70% – с 1,17 млн до 1,97 млн шт. К 2025 г. производство гибридных автомобилей и автомобилей на батареях превысит 25 млн шт., прогнозирует «Норникель». Для бензинового или дизельного автомобиля требуется 2–4 кг никеля, по данным компании, для гибрида – в 2,5–3,75 раза больше: от 5 до 15 кг, а для электромобиля – от 30 до 110 кг никеля, в 15–27,5 раза больше, чем для обычного автомобиля. В первом полугодии 2019 г. продажи никеля уже выросли на 13% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года, отчитался «Норникель». На рынке сохраняется дефицит никеля – в 2019 г. он составит 67 000 т, что провоцирует рост цен на металл. За полгода он подорожал на 44,7% до $15 665 за 1 т.

Батареи стали крупным и быстро растущим рынком для никеля, соглашается младший директор Fitch Вячеслав Демченко. По его оценкам, потребление никеля в автомобильных батареях может вырасти более чем в 2 раза за пять лет и составить 10% общего потребления этого металла. Никель будет вытеснять более дорогой и редкий кобальт в аккумуляторах, поясняет эксперт. Однако серьезного дефицита никеля на рынке возникнуть не должно, уверен Демченко: рост спроса на этот металл будет стимулировать компании увеличивать его предложение. Одним из главных направлений в стратегии развития «Норникеля» до 2025 г. является увеличение производства цветных металлов – оно должно вырасти к 2020 г. на 5–8% в сравнении с показателями 2017 г. А после 2025 г. компания планирует увеличить производство цветных металлов еще на 15%. Это позволит компании удовлетворить растущий спрос, вызванный структурными изменениями в автомобильной промышленности. И компания ожидает, что дефицит никеля к 2020 г. сократится до 27 000 т.

«Норникель» более устойчив к макроэкономическим факторам, чем его конкуренты, полагает аналитик «Атона» Андрей Лобазов. Риски замедления китайской экономики, конечно, оказывают негативное влияние на цены металлов, производимых «Норникелем», но такие процессы, как трансформация автомобильной отрасли, идут независимо от большинства глобальных факторов, что позволяет «Норникелю» показывать опережающую динамику прибыли, заключает эксперт.

Обзор и технические характеристики аккумуляторов Nimh

Никель-металлогидридные батареи в современном мире используются довольно активно для поддержания работоспособности автономных устройств. Наверное, каждый сталкивался с таким видом аккумуляторов, но не каждый знает, что это никель-металлогидридная батареи.

Такой тип аккумуляторов известен в исполнении ААА и АА – то есть обычные пальчиковые и мизинчиковые батареи с номинальным напряжением 1.2 V. Конечно, есть и более крупные батареи, но «батарейки» пользуются большей популярностью, чем другие изделия, изготовленные по этой технологии.

Применение

Спектр, где применяются батареи такого типа немного шире, чем спектр применения никель-кадмиевых аккумуляторов. Достижение популярности связано с тем, что в NiMh отсутствуют токсичные вещества, и они абсолютно безопасны при использовании, многообразны в выборе, и можно найти аккумулятор практически любой нужной формы.

Потребители делятся на 2 вида:

Узнай время зарядки своего аккумулятора

  • 1500-3000 мАч – применяется в оборудовании, где необходим быстрый разряд (фотоаппараты, модели на радиоуправлении и др.).
  • 300-1000 мАч – используется в аппаратуре, где нужен равномерный расход энергии на протяжении определённого количества времени (фонарь, рация и др.).

Конструкция

Существует несколько видов конструкций, в которых производятся аккумуляторы Nimh 1,2V:

  • Цилиндр – одна из самых известных форм (батарейки ААА, АА). Компоненты имеют цилиндрическую форму, и разделены между собой сепаратором, чтобы у комплектующих не было контакта между собой. Есть встроенный в крышку клапан, который открывается, при высоком давлении внутри батареи.
  • Призма – собирается в герметичном пластиковом или железном корпусе, методом наложения друг на друга элементов. Изолятором служит сепаратор. Для выпуска лишнего давления предусмотрен датчик или клапан, который встраивается в крышку.
Читать еще:  Почему телефон не включается после замены аккумулятора?

При производстве возможны различия в отрицательном и положительном электроде (материалы изготовления), материалом сепаратора чаще всего служит полиамид и полипропилен, а роль электролита выполняет щёлочь.

Технические и эксплуатационные характеристики

Основные параметры (примером взят аккумулятор Gp Nimh):

  • Энергетическая плотность – 60 Вт-ч-кг;
  • Сопротивление – 200-300 мОм;
  • Количество циклов до падения ёмкости (до 80%) – 300-500;
  • Количество часов для быстрой зарядки – от двух до четырёх;
  • Нет устойчивости к перезаряду;
  • Саморазряд при хранении в тёплой комнате составляет 30%/месяц;
  • Напряжение — 1.2V;
  • Оптимальный/пиковый ток нагрузки – максимум 0.5/5 С;
  • Рабочий температурный диапазон – от -20 до + 60 о С;
  • Необходимость обслуживания – 30-90 дней;
  • Максимальный срок службы составляет 5 лет;
  • Когда нагрузка повышается, а температура понижается – ёмкость уменьшается.

Как правильно хранить

При долгом хранении необходимо следовать рекомендациям: прежде всего — хранить в тёплом помещении (не ниже 0 о С). Иначе скорость саморазряда достигнет критических значений – нормальное значение составляет около 30% в первый месяц, и последующие месяцы он составит 4-6%/месяц. При понижении температуры скорость увеличится, а значит, будет шанс, что аккумулятор Nimh ААА придут в негодность.

Зарядка и зарядное устройство

Возможность зарядить никель-металлогидридные батареи и количество рабочих циклов, зависят только от правильности выбора зарядного устройства, и соблюдения рекомендаций производителя при зарядке.

Устройство аккумулятора Nimh подразумевает от 500 до 1000 рабочих циклов, если перевести это значение во время использования – срок эксплуатации составит около 5 лет. После истечения этого срока батарея будет разряжена на 80%, но будет пригодна к дальнейшему использованию.

Прежде всего, необходимо соблюдать при зарядке «температурный режим» — перезаряд для никель-металлогидридных аккумуляторов очень вреден. Он может вызвать «тепловой разгон», что очень быстро приведёт устройство в негодность.

Недопустимо использование старых аккумуляторов, вместе с новыми. Не допускается припаивание проводов к контактам или частям батареи.

Есть несколько видов зарядки:

Никель-металлогидридные батареи на зарядке

  1. Капельная – огромным минусом является то, что автоматического отключения после полного заряда не происходит, и ток продолжает подаваться на аккумулятор Nimh АА или другого типа. Ограничителем выступает только владелец, который должен правильно рассчитать время, требуемое для заряда. На современных аккумуляторах никель-металлогидридного типа эта проблема уже решена, и капельная зарядка не наносит вреда батареям.
  2. Быстрая зарядка – быструю зарядку рекомендуется проводить при напряжении максимум в 1 Вольт, но не менее 0.8В, и при температуре от 0 до 40 о С. Значения выше недопустимы – это приведёт к повышению температуры, и давления внутри аккумулятора. А повышение давления приведёт к открытию клапана для сброса давления – батарея после этого придёт в негодность.

Рекомендация производителя — проводить быстрый заряд в 3 этапа:

  • Сначала производится заряд напряжением 1 В;
  • Потом зарядку производить от 30 до 60 минут током 0.1С;
  • Последний этап зарядки проводить зарядом 0.05-0.2 С.

Важно: какой тип подходит, и какие токи необходимо выставлять при зарядке NiMh указано на самой батарее или в руководстве к эксплуатации!

Внимание: заряжать никель-металлогидридные аккумуляторы, необходимо подходящим зарядным устройством, и строго следить за окончанием процесса! Как только батарея начнёт греться – немедленно нужно её доставать!

Популярные производители

Среди популярных производителей никель-металлогидридных аккумуляторов можно отметить фирму Gp и Sanyo Eneloopnn. Компании производят батареи практически любых типов, среди которых можно встретить аккумуляторные батарейки типа ААА (мизинчиковые) и АА (пальчиковые).

Фирмы отличаются высоким качеством продукции, и доступностью. Покупая батарейки фирм Gp и Sanyo Eneloopnn можно быть уверенным, что они прослужат долгое время, и отработают больше положенного срока службы! Это доказывает множество положительных отзывов обычных людей, оставленных о продукции этих фирм.

Итог можно подвести следующий: за аккумуляторами NiMh – будущее. Чем дальше идёт прогресс – тем с большей уверенностью можно это утверждать. Несмотря на свою «капризность» при зарядке — это отличные аккумуляторные батареи, способные удовлетворить все запросы современного человека.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector