بطارية نيكل-حديد
بطارية النيكل-الحديد nickel–iron battery (بطارية NiFe) هي بطارية قابلة للشحن ذات صفائح هيدروكسيد أكسيد النيكل الثلاثي الموجبة والحديد السالبة، مع كهرل من هيدروكسيد الپوتاسيوم. توضع المواد الفعالة في أنابيب فولاذية مطلية بالنيكل أو جيوب مثقبة. فهي بطارية قوية للغاية تتحمل إساءة الاستخدام (الشحن الزائد، والإفراط في التفريغ، والقصور في الدائرة الكهربائية) ويمكن أن تتمتع بعمر طويل جداً حتى لو تم علاجها.[7] غالباً ما تُستخدم في حالات الدعم حيث يمكن شحنها باستمرار ويمكن أن يستمر لأكثر من 20 عاماً. نظراً لانخفاض الطاقة النوعية، وسوء الاحتفاظ بالشحن، والتكلفة العالية للتصنيع، فقد حلت أنواع أخرى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن محل بطارية النيكل-الحديد في معظم التطبيقات.[8]
 صُنّعت بطاريات النيكل-الحديد بين عامي 1972 و1975 تحت العلامة التجارية "إكسايد" التي طورها توماس إديسون في الأصل عام 1901. | |
| الطاقة المحددة | 19-25 [1] Wh/kg |
|---|---|
| كثافة الطاقة | 30[2] Wh/l |
| القدرة المحددة | 100[3] W/kg |
| كفاءة الشحن/التفريغ | <65%[4] |
| سعر-الطاقة/المستهلك | 1.5[2] – 6.6[3] Wh/US$ |
| معدل التفريغ الذاتي | 20%[2][3] – 30%[3]/month |
| تحمل الزمن | 30[4] – 50 years[2][5] |
| تحمل الدورة | لا يقلل التفريغ العميق المتكرر عمر البطارية بشكل كبير.[2][4] |
| جهد الخلية الإسمي | 1.2 V[3] |
| فترة درجة الحرارة الشحن | min. −40 °C – max.46 °C[6] |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الاستخدامات
تستخدم العديد من مركبات السكك الحديدية بطاريات NiFe.[9][10] بعض الأمثلة هي قاطرات لندن الكهربائية تحت الأرض وسيارة مترو أنفاق مدينة نيويورك - R62A. استعادت التكنولوجيا شعبية التطبيقات خارج الشبكة حيث يجعلها الشحن اليومي تقنية مناسبة.[11][12][13]
تُفحص بطاريات النيكل-الحديد لاستخدامها كبطاريات مدمجة و للتحليل الكهربائي لإنتاج الهيدروجين للسيارات التي تعمل بخلايا الوقود والتخزين. يمكن شحن وتفريغ هذه "البطاريات" مثل البطاريات التقليدية، وسوف تنتج الهيدروجين عندما تكون مشحونة بالكامل.[14][15][16]
التحمل
ترجع قدرة هذه البطاريات على تحمل التدوير المتكرر إلى انخفاض قابلية الذوبان في المواد المتفاعلة في الإلكتروليت. يكون تكوين الحديد المعدني أثناء الشحن بطيئاً بسبب انخفاض قابلية الذوبان في هيدروكسيد الحديدوز. بينما يحافظ التكوين البطيء لبلورات الحديد على الأقطاب الكهربائية، فإنه يحد أيضاً من أداء المعدل المرتفع: تشحن هذه الخلايا ببطء[7]، وهي قادرة على التفريغ ببطء فقط. إمداد الجهد حيث يمكن أن يتضرر بسبب الانفلات الحراري; ينخفض الجهد الداخلي للخلية مع بدء إطلاق الغاز، مما يرفع درجة الحرارة، مما يزيد من سحب التيار وبالتالي يزيد من الغاز ودرجة الحرارة.
الكيمياء الكهربية
نصف التفاعل الخلوي على الصفيحة الموجبة من هيدروكسيد-أكسيد النيكل الثلاثي الأسود NiO(OH) إلى هيدروكسيد النيكل الثنائي الأخضر Ni(OH)2 :
- 2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e− ↔ 2 Ni(OH)2 + 2 OH−
وعلى الصفيحة السالبة:
- Fe + 2 OH− ↔ Fe(OH)2 + 2 e−
(يُقرأ التفريغ من اليسار إلى اليمين، والشحن من اليمين إلى اليسار.)[17]
جهد اللاحمل هو 1.4 ڤولت، وينخفض إلى 1.2 ڤولت أثناء التفريغ.[7] لا يُستهلك خليط الإلكتروليت من هيدروكسيد البوتاسيوم وهيدروكسيد الليثيوم في الشحن أو التفريغ، لذلك على عكس بطارية الرصاص الحمضية، لا تشير الجاذبية النوعية للإلكتروليت إلى حالة الشحن.[7] الجهد المطلوب لشحن بطارية NiFe يساوي أو يزيد عن 1.6 ڤولت لكل خلية.[18] يعمل تضمين هيدروكسيد الليثيوم على تحسين أداء الخلية. جهد الشحن المعادل هو 1.65 ڤولت.
التاريخ
عام 1899 اخترع المخترع السويدي ڤالديمار گنگنر بطارية النيكل-الكادميوم. جرب گنگنر استبدال الحديد بالكادميوم بنسب متفاوتة، بما في ذلك الحديد بنسبة 100٪. اكتشف گنگنر أن الميزة الرئيسية لكيمياء النيكل-الكادميوم كانت التكلفة، ولكن نظرًا لانخفاض كفاءة تفاعل الشحن والتكوين الأكثر وضوحًا للهيدروجين (الغازات)، النيكل-الحديد، وُجد أن التقنية قاصرة وتم التخلي عنها. حصل گنگنر على العديد من براءات الاختراع للنسخة الحديدية من بطاريته (براءة الاختراع السويدية رقم 8.558[dead link]/1897، 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 وبراءة الاختراع الألمانية رقم 110.210 /1899). علاوة على ذلك ، كان لديه براءة اختراع واحدة لبطارية كادميوم-نيكل: براءة الاختراع السويدية رقم 15.567/1899.[19]
عام 1901، حصل توماس إديسون على براءة اختراع وتسويق بطارية الحدي-النيكل في الولايات المتحدة وعرضها كمصدر طاقة للمركبات الكهربائية، مثل ديترويت إلكتريك وبيكر إلكتريك. ادعى إديسون أن تصميم النيكل-الحديد هو "أفضل بكثير من البطاريات التي تستخدم ألواح الرصاص والحمض" (بطارية الرصاص-الحمض).[20] حاز إديسون على العديد من براءات الاختراع: U.S. Patent 678٬722/1901، U.S. Patent 692٬507/1902، وبراءة الاختراع الألمانية رقم 157.290/1901.[19]
شعر إديسون بخيبة أمل لأن بطاريته لم يُعتمد عليها لبدء محركات الاحتراق الداخلي، وأن السيارات الكهربائية خرجت من الإنتاج بعد سنوات قليلة فقط من إدخال بطاريته. طور البطارية لتكون البطارية المفضلة[21] للمركبات الكهربائية، التي كانت وسيلة النقل المفضلة في أوائل عقد 1900 (تلاها الگزولين والبخار). كانت بطاريات إديسون ذات كثافة طاقة بكثير من بطاريات الرصاص الحمضية المستخدمة في ذلك الوقت، ويمكن شحنها في نصف الوقت؛ ومع ذلك، كان أداؤها ضعيفًا في درجات الحرارة المنخفضة، وكانت أكثر تكلفة.
كان عمل گنگنر غير معروف إلى حد كبير في الولايات المتحدة حتى الأربعينيات، عندما بدأ إنتاج بطاريات النيكل-الكادميوم هناك. كانت بطارية النيكل-الحديد بجهد 50 ڤولت هي مصدر الطاقة الرئيسي للتيار المستمر في الصاروخ الألماني V-2 المستخدم في الحرب العالمية الثانية، جنبًا إلى جنب مع بطاريتين 16 ڤولت اللتين تعملان على تشغيل الجيروسكوبات الأربعة (المولدات التي تعمل بالتوربينات المزودة للتيار المتردد من أجل الآليات المنظمة المدفوعة[[مضخم مغناطيسي|بالمضخم المغناطيسي). أستخدمت نسخة أصغر في القنبلة الطائرة ڤ-1. (أي مخططات عملية النيران العكسية عام 1946.)
تم تصنيع بطاريات إديسون بشكل مربح من حوالي عام 1903 حتى 1972 بواسطة شركة إديسون لبطارايت التخزين في وست أورنج، نيوجرزي. عام 1972، بيع تشركة البطاريات لشركة إكسايد للبطاريات، التي أوقفت المنتج عام 1975. أستخدمت البطارية على نطاق واسع لإشارات السكك الحديدية، الرافعات الشوكية، وتطبيقات الطاقة الاحتياطية.
تم تصنيع خلايا النيكل والحديد بقدرات من 5 إلى 1250 Ah. لم يعد العديد من المصنّعين الأصليين يصنعون خلايا الحديد-النيكل، [7] لكن بدأ الإنتاج من قبل شركات جديدة في العديد من البلدان.
الصفائح
تُحتوى المادة الفعالة لألواح البطاريات في عدد من الأنابيب أو الجيوب المملوءة، والمثبتة بإحكام في إطار أو شبكة داعمة وموصلة. تكون الدعامة في اتصال كهربائي جيد مع الأنابيب. الشبكة عبارة عن إطار هيكلي خفيف، مختوم من صفائح فولاذية رفيعة، مع عرض تقوية في الأعلى. الشبكات، وكذلك جميع الأسطح المعدنية الداخلية الأخرى، مطلية بالنيكل لمنع التآكل. يجب أن تظل العناصر مغطاة بالكهرباء؛ إذا جفت، تتأكسد الصفائح السالبة وتتطلب شحنة طويلة جدًا.[18]
المادة الفعالة للألواح الموجبة هي شكل من أشكال هيدرات النيكل. مثبتات الأنبوب مصنوعة من شريط فولاذي رفيع، مثقوب بدقة ومطلي بالنيكل، بطول حوالي 4 بوصات و 1/4 بوصة و 1/8 بوصات. في القطر. الشريط ملفوف حلزونيًا، مع طبقات ملتوية، والأنابيب مقواة بحوالي 1/2 بوصة بحلقات فولاذية صغيرة. يتم تحميل هيدرات النيكل والنيكل النقي في هذه الأنابيب في طبقات متناوبة رفيعة (حوالي 350 طبقة من كل طبقة إلى أنبوب) ويتم تعبئتها بإحكام أو صدمها. الغرض من تقشر النيكل هو عمل اتصال جيد بين هيدرات النيكل والأنابيب، وبالتالي توفير الموصلية. يتم بعد ذلك تركيب الأنابيب، عند ملؤها وإغلاقها، عموديًا في الشبكات.[18]
المادة الفعالة للألواح السالبة هي أكسيد الحديد. جيوب التجنيب مصنوعة من الفولاذ الرقيق المثقوب جيدًا المطلي بالنيكل، على شكل مستطيل، عرض 1/2 بوصة، 3 بوصات و 1/8 بوصة أقصى سمك. يملأ أكسيد الحديد، على شكل مسحوق ناعم، بإحكام في هذه الجيوب، وبعد ذلك تُثبت في الشبكات. بعد التثبيت، تُضغط، مما يجبرها على الاتصال الوثيق بالشبكات. يموج هذا جوانب الجيوب لتوفير اتصال نابض للجيب مع المادة الفعالة.[18]
الشحن
يتضمن الشحن/التفريغ نقل الأكسجين من قطب كهربائي إلى آخر (من مجموعة لوحات إلى أخرى). ومن ثم يُطلق على هذا النوع من الخلايا أحياناً اسم خلية رفع الأكسجين. في الخلية المشحونة، تكون المادة الفعالة للألواح الموجبة شديدة التأكسد، وتكون تلك الموجودة في الصفائح السالبة في حالة إسفنجية أو مختزلة.[18]
إذا كانت السعة العادية للخلية غير كافية، فيمكن إعطاء رسوم زيادة سريعة شريطة ألا تتجاوز درجة حرارة المحلول الكهربائي 115˚ F / 46˚ C. هذه الشحنات القصيرة فعالة للغاية ولا تسبب أي إصابة. يمكن استخدام معدلات تصل إلى ثلاثة أضعاف معدل الشحن العادي (يُعرف بـ C، التيار الذي يساوي السعة الاسمية للبطارية مقسوماً على ساعة واحدة) لفترات 30 دقيقة.[18]
يتكون شحن خلية NiFe بالكامل من سبع ساعات بمعدل الخلية الطبيعي. في الخدمة، يخضع مبلغ الرسوم المعطى لمدى التفريغ السابق. على سبيل المثال، بطارية مفرغة نصفها تسمح بشحن معدل عادي لمدة 3.5 ساعة. إن الشحن الزائد يهدر تيار ويسبب التبخر السريع للماء في المنحل بالكهرباء.
لتقليل معدلات الشحن، يجب الحفاظ على متوسط 1.67 فولت عبر أطراف الخلية في جميع أنحاء الشحنة. تختلف القيمة الحالية في بداية الشحنة وفقاً لـ المقاومة الكهربائية. في غياب المقاومة، سيكون معدل البدء حوالي ضعف المعدل الطبيعي ومعدل الإنهاء حوالي 40٪ من المعدل الطبيعي.[18]
التفريغ
أثناء التفريغ تُقلَّل الصفائح الموجبة ("منزوعة الأكسجين"); فالأكسجين، لما له من تقارب طبيعي مع الحديد، يذهب إلى الصفائح السالبة ويؤكسدها. يجوز التفريغ بشكل مستمر بأي معدل يصل إلى 25٪ فوق المعدل الطبيعي، ولفترات قصيرة تصل إلى ستة أضعاف المعدل الطبيعي. عندما يتجاوز معدل التفريغ هذه القيمة، سيحدث انخفاض غير طبيعي في الجهد.[18]
الانحلال بالكهرباء (الكهرل)
لا يدخل الكهرل في تركيبة كيميائية لأداء وظائف الخلية، حيث يعمل كناقل. لا تتأثر الجاذبية النوعية أثناء الشحن والتفريغ بخلاف التبخر والتغيرات في درجة الحرارة. الاختلاف الكبير في الثقل النوعي مسموح به، ويكون له تأثير فقط على كفاءة البطارية.[18]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
العامل البيئي
لا تحتوي بطاريات النيكل-الحديد على الرصاص أو الكادميوم من بطاريات الرصاص والحمض والنيكل والكادميوم، والتي تتطلب المعالجة كمواد خطرة.
انظر أيضاً
المراجع
- ^ "Energy Density from NREL Testing by Iron Edison" (PDF). Retrieved 25 March 2014.
- ^ أ ب ت ث ج A description of the Chinese nickel–iron battery from BeUtilityFree[dead link]
- ^ أ ب ت ث ج mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
- ^ أ ب ت Mpower: Nickel Iron Batteries
- ^ "Nickel Iron Battery Frequently Asked Questions" BeUtilityFree
- ^ Web archive backup: Edison Battery Booklet original instruction book for the Edison battery
- ^ أ ب ت ث ج David Linden, Thomas B. Reddy (ed). Handbook Of Batteries 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-135978-8, Chapter 25
- ^ Ian Soutar (1 July 2010). "Nickel Iron Battery Association HomePage". Retrieved 30 October 2011.
- ^ "Systematic design of an autonomous hybrid locomotive | EUrailmag". eurailmag.com. Archived from the original on 17 أغسطس 2018. Retrieved 17 أبريل 2013.
- ^ "Magma #10 Project". azrymuseum.org. 2012-05-15. Retrieved 2013-04-17.
- ^ Mother Earth News Issue #62 – March/April 1980
- ^ http://www.nickel-iron-battery.com/
- ^ Home Power Magazine Issue #80 December 2000/Jan 2001
- ^ F. M. Mulder et al: Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe-battery and electrolyser. Energy and Environmental Science. 2017, doi:10.1039/C6EE02923J
- ^ Véronique Amstutz et al: Renewable hydrogen generation from a dual-circuit redox flow battery . Energy and Environmental Science. 2014, 2350-2358, doi:10.1039/C4EE00098F
- ^ "Stanford scientists develop ultrafast nickel-iron battery | Stanford News Release". 26 June 2012.
- ^ Electrochemistry Edison Cell (Iron-Nickel-Battery) – Model
- ^ أ ب ت ث ج ح خ د ذ "Manual of Storage Battery Practice" (PDF). The Committee on Electric Storage Batteries. Association of Edison Illuminating Companies. Archived from the original (PDF) on 4 يوليو 2012. Retrieved 5 يوليو 2012.
- ^ أ ب Journal of Power Sources, 12 (1984). pp 177–192.
- ^ Desmond, Kevin (2016). Innovators in Battery Technology: Profiles of 93 Influential Electrochemists (in الإنجليزية). McFarland & Co. p. 65. ISBN 9780786499335.
- ^ "Guide to the San Francisco News-Call Bulletin Newspaper Photograph Archive, ca. 1915-1965". oac.cdlib.org. Retrieved 4 November 2021.
Ward Harris sits in the seat of an electricly powered automobile, for which Thomas Edison made the battery.