Niķeļa-dzelzs (NiFe) akumulators — īpašības, vēsture un pielietojums

Uzzini par niķeļa-dzelzs (NiFe) akumulatoru īpašībām, ilgmūžību, vēsturi un moderniem pielietojumiem saules enerģijā, transportā un rūpniecībā.

Niķeļa-dzelzs akumulatori (NiFe akumulatori) ir akumulatori, kas izgatavoti no dzelzs, niķeļa un hidroksīda. Tipiskā šūnas nominālā sprieguma vērtība ir aptuveni 1,2 V. Šī tehnoloģija ir pazīstama ar izcili ilgu kalpošanas laiku un izturību pret mehānisku un ķīmisku iedarbību, taču tai ir arī savas īpatnības — zemāks enerģijas blīvums un lēnāka uzlāde salīdzinājumā ar mūsdienu litija jonu baterijām.

Īpašības

• Ilgs kalpošanas laiks: pareizi uzturēti NiFe akumulatori var darboties vairāk nekā 20–30 gadus, un tiek ziņots par šūnām, kas kalpojušas pat ilgāk.
• Ciklu izturība: ļoti liels uzlādēšanas–izlādes ciklu skaits; tie iztur atkārtotas dziļas izlādes un pārlādēšanu labāk nekā daudzas citas tehnoloģijas.
• Enerģijas blīvums: zemāks nekā litija jonu vai svina skābes baterijām — tie ir smagāki un lielāki, lai nodrošinātu tādu pašu uzglabāto enerģiju.
• Uzlādes īpašības: NiFe šūnas uzlādējas salīdzinoši lēni un ražo gāzes (ūdeņradis un skābeklis) pilnas uzlādes laikā, tāpēc nepieciešama ventilācija un pareiza lādēšanas vadība.
• Noturība: izturīgas pret pārlādēšanu, īssavienojumiem un mehāniskiem triecieniem; arī labi panes ilgstošu stāvokli bez straujas bojāšanas.
• Elektrolīts: parasti kālija (KOH) vai nātrija (NaOH) hidroksīda šķīdums — korozīvs un bīstams saskarē ar ādu vai acīm, tāpēc nepieciešama piesardzība.

Ķīmija un darbības princips

NiFe akumulatorā pozitīvais elektrods ir niķeļa oksīdhidroksīds, negatīvais elektrods — metālisks dzelzs. Uzlādes laikā dzelzs oksidējas un niķelis reducējas; izlādes laikā procesi notiek pretēji. Elektrolīts (hidroksīda šķīdums) nodrošina jonu vadītspēju starp elektrodiem. Šī ķīmija ir vienkārša, stabila un labprāt pakļaujas atjaunošanai, ja akumulators tiek bojāts mehāniski vai ķīmiski.

Vēsture

Niķeļa-dzelzs tehnoloģija bieži tiek saistīta ar Tomasu Edisonu, kurš akumulatorus ražoja un komercializēja agrīnajā 20. gadsimtā; tāpēc šos elementus dažkārt dēvē arī par “Edisona akumulatoriem”. Edisona uzņēmums ražoja NiFe baterijas plašākā mērogā līdz 20. gadsimta 70. gadiem, bet pēc tam ražošana daļēji pārgāja uz citiem materiāliem un tehnoloģijām. Mūsdienās dažādi ražotāji, tostarp vairāki Ķīnas uzņēmumi, joprojām piedāvā NiFe akumulatorus īpašiem lietojumiem.

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības:
  • Ilgstoša kalpošana un ļoti liels ciklu skaits.
  • Augsta mehāniskā izturība un tolerancija pret pārlādēšanu.
  • Salīdzinoši droša ķīmija — nav smago metālu kā kadmija, bet elektrolīts ir korozīvs.
  • Viegli atjaunojami un komplektā ar vienkāršu konstrukciju — daļēji remontējami vietējā līmenī.
• Trūkumi:
  • Zems enerģijas blīvums — lielāka masa un apjoms, lai saglabātu vienādu enerģiju.
  • Augsta pašizlāde un nepieciešamība periodiski uzlādēt, ja uzglabā ilgstoši.
  • Sarežģītāka un lēnāka uzlāde, gāzu evolūcija pilnas uzlādes laikā, kas prasa ventilāciju.
  • Elektrolīts (KOH/NaOH) ir kodīgs — nepieciešama piesardzīga apkope.

Pielietojums

NiFe akumulatori tiek izmantoti lietojumos, kur svarīga ir izturība un ilgs kalpošanas laiks, nevis kompakts izmērs vai maksimāla enerģijas blīvuma optimizācija. Tipiski pielietojumi:

• Stacionāri enerģijas uzkrāšanas risinājumi saldētas vai attālās vietās un off-grid saules enerģijas sistēmās.
• Vilcienu un dzelzceļa lietojumi (piemēram, avārijas barošanas bloki un vagona baterijas), kur parādīta izturība ilgtermiņā — tos reizēm izmantoja arī lokomotīvju palīgiekārtās, kā minēts lietojumu sarakstā vilcienos.
• Industriālas lietas, kur nepieciešamas ilgstošas barošanas ierīces ar minimālu apkopi.
• Vēsturiskas rekonstrukcijas un retro transportlīdzekļi (piem., daudzu agrīno elektrisko automobiļu restaurācijā) — saistība ar Tomasu Edisonu padara šo tehnoloģiju interesantu arī muzeju un kolekcionāru vidē.

Uzturēšana un drošība

• Regulāri jāpārbauda elektrolīta līmenis un jāpapildina ar destilētu ūdeni, jo iztvaikošanas un gāzu evolūcijas dēļ līmenis samazinās.
• Uzlādes laikā notiek ūdens sašķelšana (ūdeņradis + skābeklis). Tā kā rodas ūdeņradis, nepieciešama laba ventilācija, lai izvairītos no sprādzienbīstamas atmosfēras slēgtās telpās.
• Darbojoties ar elektrolītu, jālieto aizsargaprīkojums (brilles, cimdi), jo KOH ir kodīgs.
• Ja nepieciešams, bojātas šūnas var tikt remontētas vai atjaunotas, taču tas prasa noteiktas tehniskas zināšanas.

Vides un ekonomiskie aspekti

NiFe akumulatori satur mazāk toksisku materiālu nekā, piemēram, svina–skābes vai kadmija baterijas, un to ilgais kalpošanas laiks samazina nepieciešamību bieži nomainīt blokus, kas var būt vides priekšrocība. Tomēr elektrolīts ir kodīgs un jāapstrādā atbilstoši, un zemais enerģijas blīvums nozīmē lielāku materiālu patēriņu vienības enerģijas uzglabāšanai, kas jāņem vērā ekonomiskajos aprēķinos. Mūsdienās ražošana galvenokārt koncentrējas uz specifiskiem, ilgmūžīgiem risinājumiem, nevis patēriņa elektroniku.

Kopsavilkums: Niķeļa-dzelzs akumulatori ir īpaši vērtīgi tur, kur nepieciešama izcila izturība, ilgs darba mūžs un liela ciklu skaita noturība. Tie nav ideāli, ja primārais kritērijs ir maza masa vai augsta enerģijas blīvuma kompakts uzglabāšanas risinājums. Pareiza apkope un drošības pasākumi nodrošina ilgu un drošu ekspluatāciju, un mūsdienu ražotāji, tostarp uzņēmumi Ķīnā, turpina piedāvāt šo tehnoloģiju specifiskām vajadzībām.

Meklēt pēc burta