Железо-никелевый аккумулятор

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. Используются для резервного электропитания там, где могут быть постоянно заряжаемыми. Срок службы в таком случае может быть более 20 лет.

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, из-за чего цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, цены практически сравнялись.^[3]

Долговечность

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

Вальдемар Юнгнер

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

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

• 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

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

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.

Экология

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

• Электрический аккумулятор

Литература

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST: нажмите эту ссылку, чтобы начать поиск; попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Википедия:Источники изображений.

• 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

Примечания

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