Rauta-nikkeli akku

Rauta-nikkeli-akku  on toissijainen kemiallinen virtalähde , jossa rauta  on anodi , elektrolyytti on natrium- tai kaliumhydroksidin vesiliuos ( lisättynä litiumhydroksidia ), katodi  on nikkeli(III)oksidihydraatti .

Vaikuttava aine on nikkelöityissä teräsputkissa tai rei'itetyissä taskuissa. Kustannukseltaan ja energiatiheydeltä ne ovat lähellä litiumioniakkuja ja itsepurkautumisen, tehokkuuden ja jännitteen suhteen lähellä NiMH-akkuja . Nämä akut ovat melko kestäviä, kestävät kovaa käsittelyä (ylilataus, syväpurkaus, oikosulku ja lämpöshokki) ja niillä on erittäin pitkä käyttöikä.

Niiden käyttö on vähentynyt sen jälkeen, kun tuotanto lopetettiin Thomas Edisonin tehtaan/laboratorion tulipalon vuoksi vuonna 1914 [1] tarkistuslinkki , mikä johtuu akun huonosta suorituskyvystä alhaisissa lämpötiloissa, huonosta latauksen säilyvyydestä (kuten NiMH-akut) ja korkeista tuotantokustannuksista, jotka ovat verrattavissa parhaiten suljetut lyijyakut ja jopa 1/2 NiMH-akkujen hinnasta. Viime vuosina lyijyn [2] kustannusten nousun vuoksi lyijyakkujen hinta on kuitenkin noussut merkittävästi ja hinnat ovat lähes samat. [3]

Kun verrataan akkuja lyijyakkuihin, on muistettava, että lyijyakun sallittu käyttöpurkaus on paljon pienempi kuin teoreettinen täysi kapasiteetti, ja rauta-nikkeli on hyvin lähellä sitä. Siksi rauta-nikkeliakun todellinen toimintakapasiteetti, jolla on sama teoreettinen täysi kapasiteetti, voi olla useita kertoja (tilasta riippuen) suurempi kuin lyijyakun.

Kestävyys

Näiden akkujen kyky kestää toistuvia purkaus-/latausjaksoja liittyy reagenssien alhaiseen liukoisuuteen elektrolyyttiin. Pitkäaikainen metallisen raudan muodostuminen latauksen aikana johtuu Fe 3 O 4 :n heikosta liukoisuudesta . Pitkä rautakiteiden muodostusprosessi säästää elektrodeja, mutta myös rajoittaa työn nopeutta: nämä akut latautuvat hitaasti ja purkautuvat yhtä hitaasti.

Tärkeimmät rauta-nikkeli-akkujen kestävyyttä rajoittavat tekijät ovat johtavan lisäaineen grafiitin palaminen pois hapen vapautumisesta veden hajoamisen aikana, nikkelöityjen rautakoteloiden ja lamellien korroosio, jota seuraa akun saostuminen. aktiiviset massat lietteeseen, raudan laskeutuminen erottimiin ja lisääntynyt itsepurkautuminen. Edisonin tehtaiden 1900-luvun alussa tuottamissa rauta-nikkelielementeissä oli positiivinen oksidi-nikkelielektrodi, johon oli lisätty johtavaa nikkelin terälehteä grafiitin sijasta ja parannettu nikkelipinnoitustekniikka rautarakennemateriaaleille (monikerroksisen nikkelin leipominen). pinnoite, joka on saatu nikkelisuolan vesiliuoksesta uuneissa, joissa on vety-suojailmakehä). Tässä tapauksessa ilmoitettu käyttöikä oli 100 vuotta ja suositeltu elektrolyytin vaihtoväli 5–10 vuoden välein. Halvemmissa rauta-nikkeli-akuissa, joiden käyttöikä on aluksi kymmeniä vuosia, johtuen grafiittia johtavan lisäaineen palamisesta kennon toiminnan aikana, elektrolyytti saastuu nopeammin karbonaateista ja elektrolyytin vaihtovälit ovat pidempiä. lyhennetty (suositeltu aikaväli elektrolyytin vaihtamiselle nikkeliakkuversioissa grafiitilla on 100 jaksosta tai kerran vuodessa). Myös huomattavan grafiittimäärän palamisen jälkeen lähtökapasitanssi heikkenee ja elementin vastaava sisäinen vastus kasvaa johtuen aktiivisen massan kosketuksesta elektrodien kanssa. Akun lopullinen tuhoutuminen ja täydellinen vikaantuminen tapahtuvat rakenneosien (lamellit ja/tai teräskotelo) korroosion seurauksena halpojen akkuvaihtoehtojen nikkelöinnin rajoitetun laadun vuoksi.

Nikkeli-rautaakkuja on käytetty pitkään Euroopan kaivosteollisuudessa, koska ne kestävät tärinää, korkeita lämpötiloja ja muita rasituksia. Kiinnostus aurinko- ja tuuligeneraattoreihin , moderniin sähköliikenteeseen on jälleen lisääntynyt.

Keksintöhistoria

Waldemar Jungner

Ruotsalainen keksijä Waldemar Jungner oli nikkeli-kadmiumpariston keksijä vuonna 1899. Jungner kokeili rautaa korvaamaan kadmiumin, mukaan lukien muunnos, jossa oli 100 % rautaa. Jungner havaitsi, että suurin etu nikkeli-kadmium-piiriin verrattuna oli hinta, mutta alhaisemman lataustehokkuuden ja suuremman kaasutuksen vuoksi nikkeli-rauta-tekniikkaa pidettiin huonompana ja siitä luovuttiin. Jungner sai useita patentteja akkunsa rautaversiolle (ruotsalaiset patentit nro 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 ja saksalainen patentti nro 110.210/1899).

Thomas Edison

Rauta-nikkeli-akun keksi itsenäisesti Thomas Edison vuonna 1901, ja sitä käytettiin sähköajoneuvojen, kuten Detroit Electricin ja Baker Electricin, virtalähteenä. Edison väitti, että nikkeli-rauta-akut olisivat "paljon parempia kuin lyijylevyjä ja happoa käyttävät akut". Jungnerin työ oli käytännössä tuntematon Yhdysvalloissa 1940-luvulle asti, jolloin siellä aloitettiin nikkelikadmiumparistojen valmistus.

50 voltin nikkeli-rauta-akku oli päävirtalähde saksalaisessa V-2- raketissa (yhdessä kahden 16 voltin akun kanssa neljän gyroskoopin tehostamiseksi, pienempää versiota käytettiin V-1- risteilyohjuksessa ).

Vaihtoehdot

• Varastoitu energia/massa: 20-50 [4] Wh/kg
• Varastoitu energia/tilavuus: 350 [5] Wh/ l
• Teho/paino: 100 [4] W/kg
• Tehokkuus: 65 % [6]
• Hinta: 1,5 [5]  - 6,6 [4] Wh / US$
• Itsepurkaus: 20 % [4] [5]  - 40 % [4] / kuukausi
• Käyttöikä: 30 [6]  - 50 vuotta [5] [7]
• Käyttöjaksojen lukumäärä: Toistuva syväpurkaus ei vaikuta merkittävästi käyttöikään. [5] [6]
• Jännite: 1,2 V [4]
• Käyttölämpötila-alue: -40 - +46 °C [8]

Sähkökemiallinen prosessi

Puolireaktio katodilla:

ja anodilla:

(Kun purkautuu, reaktio etenee vasemmalta oikealle, ladattuna oikealta vasemmalle.) [1]

Johtuen raudan sähkökemiallisen potentiaalin arvosta käyttöemäsliuoksessa ladatun akun varastoinnin aikana vapautuu vetyä ja rautaelektrodi purkautuu itsestään. Myös vedyn kehittymisen ylijännitteen alhaisesta arvosta rautaelektrodilla latauksen aikana, noin puolet akun läpi kulkevasta sähkövarauksesta kuluu vedyn kehittymiseen jopa suositelluissa positiivisissa käyttölämpötiloissa. Tämä on tärkein tekijä, joka rajoittaa rauta-nikkeli-akun energiatehokkuutta. Kun lämpötila laskee alle nollan, rautaelektrodin latausteho heikkenee entisestään ja alle -20 °C:n lämpötiloissa akku lopettaa latauksen.

Tuotanto

Edison-akkua valmisti vuosina 1903-1972 Edison Battery Storage Company East Orangessa , New Jerseyssä. Ne olivat yritykselle varsin kannattavia. Vuonna 1972 yritys myytiin Exide Battery Corporationille, joka lopetti tuotannon vuonna 1975.

Tällä hetkellä (2012) rauta-nikkeliparistoja valmistetaan Yhdysvalloissa, Kiinassa, Unkarissa, Venäjällä ja Ukrainassa.

Sovellus

• Niitä käytetään varavirtalähteenä, jossa niitä voidaan ladata jatkuvasti. Käyttöikä tässä tapauksessa voi olla yli 20 vuotta.
• Vetoakkuina erilaisissa sähköajoneuvoissa [9] .
• Henkilöautojen sähköjärjestelmässä , samoin kuin usean yksikön liikkuvan kaluston ja veturien (ohjauspiirien tehonsyöttöä varten).

Ekologia

Nikkeli-rauta-akut eivät sisällä kadmiumia ja lyijyä, mikä tekee niistä ympäristöystävällisempiä kuin nikkeli-kadmium- ja lyijyakut.

Katso myös

• Sähköakku

Muistiinpanot

1. ↑ "The Life of Thomas A. Edison" http://memory.loc.gov/ammem/edhtml/edbio.html Arkistoitu 20. tammikuuta 2011 Wayback Machinessa
2. ↑ Nousevat lyijyn hinnat: Asiantuntijat suosittelevat sukka-akkuja. . Haettu 10. huhtikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 19. elokuuta 2014. (määrätön)
3. ↑ vertaa: rauta-nikkeli-akku-energia/kuluttajahinta 1,5-6,6 Wh/US$ ja lyijyakku - Energia/kuluttajahinta 7-18 Wh/US$
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 mpoweruk.com: Akkujen ja paristojen vertailut (pdf) . Haettu 7. helmikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 29. maaliskuuta 2018. (määrätön)
5. ↑ 1 2 3 4 5 kuvaus BeUtilityFreen kiinalaisesta nikkeli-rauta-akusta
6. ↑ 1 2 3 Mpower: Nickel Iron Batteries Arkistoitu 26. elokuuta 2018 Wayback Machinessa , Axeonpower: Nickel Iron Batteries Arkistoitu 23. maaliskuuta 2011 Wayback Machinessa
7. ↑ "Nickel Iron Battery Usein kysytyt kysymykset" BeUtilityFree Arkistoitu 27. marraskuuta 2013 Wayback Machinessa
8. ↑ Verkkoarkiston varmuuskopio: Edison Battery Booklet Edisonin akun alkuperäinen ohjekirja
9. ↑ TNZh-akkujen yleiset tiedot löytyvät GOST 26500-85 "Alkali-nikkeli-rauta vetoparistot. Yleiset tekniset ehdot", joka koskee akkuja, joiden kapasiteetti on yli 150 Ah ja jotka on tarkoitettu kaivosvetureiden sähkömoottoreiden ja lattiatelattomien sähköistettyjen kulkuneuvojen sähkömoottoreille GOST 17516-72:n mukaisissa ryhmien M26 ja M28 käyttöolosuhteissa korkeudessa. jopa 2000 m merenpinnan yläpuolella.

Kirjallisuus

• Musta, Edwin. Sisäinen palaminen: Kuinka yritykset ja hallitukset saivat maailman riippuvaiseksi öljystä ja suistuivat vaihtoehdoista  (englanniksi) . -Pyhän Martinin griffin, 2006. - ISBN 978-0-312-35908-9 .
• Nykyaikaiset nikkeli-rauta-akkutiedot

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 4171805-7