Baterie nichel – hidrură metalică - Nickel–metal hydride battery

Baterie nichel – hidrură metalică

Celule moderne reîncărcabile NiMH
Energie specifică	60–120 W · h / kg
Densitatea energiei	140–300 W · h / L
Puterea specifică	250-1.000 W / kg
Eficiență de încărcare / descărcare	66% –92%
Rata de auto-descărcare	13,9-70,6% la temperatura camerei 36,4-97,8% la 45 ° C Auto-descărcare redusă: 0,08-2,9% (pe lună)
Durabilitatea ciclului	180-2000 de cicluri
Tensiunea nominală a celulei	1,2 V

O baterie de hidrură de nichel metalic ( NiMH sau Ni – MH ) este un tip de baterie reîncărcabilă . Reacția chimică la electrodul pozitiv este similară cu cea a celulei de nichel-cadmiu (NiCd), ambele folosind hidroxid de nichel oxid (NiOOH). Cu toate acestea, electrozii negativi folosesc un aliaj absorbant de hidrogen în loc de cadmiu . Bateriile NiMH pot avea de două până la trei ori capacitatea bateriilor NiCd de aceeași dimensiune, cu densitate energetică semnificativ mai mare , deși mult mai mică decât bateriile litiu-ion .

Acestea sunt utilizate în mod obișnuit ca înlocuitor pentru baterii alcaline nereîncărcabile de formă similară , deoarece au o tensiune a celulei ușor mai mică, dar în mare parte compatibilă, și sunt rezistente la scurgeri și explozii.

Istorie

Lucrările la bateriile NiMH au început la Centrul de Cercetare Battelle- Geneva ca urmare a invenției tehnologiei în 1967. S-a bazat pe aliaje sinterizate Ti ₂ Ni + TiNi + x și electrozi NiOOH. Dezvoltarea a fost sponsorizată de aproape două decenii de către Daimler-Benz și de Volkswagen AG în cadrul Deutsche Automobilgesellschaft, acum filială a Daimler AG . Energia specifică a bateriilor a atins 50 W · h / kg (180 kJ / kg), putere specifică de până la 1000 W / kg și o durată de viață de 500 de cicluri de încărcare (la o adâncime de descărcare de 100% ). Cererile de brevet au fost depuse în țările europene (prioritate: Elveția), Statele Unite și Japonia. Brevetele transferate către Daimler-Benz.

Interesul a crescut în anii 1970 odată cu comercializarea bateriei nichel-hidrogen pentru aplicații prin satelit. Tehnologia hidrurii a promis o modalitate alternativă, mai puțin voluminoasă de a stoca hidrogenul. Cercetările efectuate de laboratoarele Philips și CNRS din Franța au dezvoltat noi aliaje hibride de mare energie care încorporează metale din pământuri rare pentru electrodul negativ. Cu toate acestea, acestea au suferit de instabilitatea aliajului în electroliți alcalini și, prin urmare, durata de viață insuficientă a ciclului. În 1987, Willems și Buschow au demonstrat o baterie de succes pe baza acestei abordări (folosind un amestec de La _0,8 Nd _0,2 Ni _2,5 Co _2,4 Si _0,1 ), care și-a păstrat 84% din capacitatea de încărcare după 4000 de cicluri de încărcare-descărcare. Au fost dezvoltate în curând aliaje mai viabile din punct de vedere economic care utilizează mischmetal în loc de lantan . Celulele NiMH moderne s-au bazat pe acest design. Primele celule NiMH de calitate pentru consumatori au devenit disponibile comercial în 1989.

În 1998, Ovonic Battery Co. a îmbunătățit structura și compoziția aliajului Ti-Ni și a brevetat inovațiile sale.

În 2008, peste două milioane de mașini hibride din întreaga lume au fost fabricate cu baterii NiMH.

În Uniunea Europeană și datorită Directivei sale privind bateriile , bateriile cu hidrură de nichel și metal au înlocuit bateriile Ni-Cd pentru consumul portabil.

Aproximativ 22% din bateriile reîncărcabile portabile vândute în Japonia în 2010 erau NiMH. În Elveția, în 2009, statistica echivalentă a fost de aproximativ 60%. Acest procent a scăzut în timp datorită creșterii producției de baterii litiu-ion : în 2000, aproape jumătate din toate bateriile portabile reîncărcabile vândute în Japonia erau NiMH.

În 2015, BASF a produs o microstructură modificată care a contribuit la îmbunătățirea durabilității bateriilor NiMH, permițând la rândul său modificări ale designului celulei care au economisit o greutate considerabilă, permițând ca energia specifică să ajungă la 140 de wați-oră pe kilogram.

Electrochimie

Reacția negativă a electrodului care apare într-o celulă NiMH este

H ₂ O + M + e ^- ⇌ OH ^- + MH

Pe electrodul pozitiv se formează oxihidroxid de nichel, NiO (OH):

Ni (OH) ₂ + OH ^- ⇌ NiO (OH) + H ₂ O + e ^-

Reacțiile se desfășoară de la stânga la dreapta în timpul încărcării și opusul în timpul descărcării. Metalul M din electrodul negativ al unei celule NiMH este un compus intermetalic . Mulți compuși diferiți au fost dezvoltați pentru această aplicație, dar cei în uz curent se încadrează în două clase. Cel mai frecvent este AB ₅ , unde A este un amestec de pământuri rare de lantan , ceriu , neodim , praseodim și B este nichel , cobalt , mangan sau aluminiu . Unele celule folosesc materiale cu electrod negativ de capacitate mai mare bazate pe compuși AB ₂ , unde A este titan sau vanadiu , iar B este zirconiu sau nichel, modificat cu crom , cobalt, fier sau mangan .

Celulele NiMH au un electrolit alcalin , de obicei hidroxid de potasiu . Electrodul pozitiv este hidroxid de nichel, iar electrodul negativ este hidrogen sub forma unei hidruri metalice interstițiale. Pentru separare se utilizează materiale nețesute hidrofile din poliolefină .

Baterie bipolară

Bateriile NiMH cu design bipolar (baterii bipolare) sunt dezvoltate deoarece oferă unele avantaje pentru aplicații ca sisteme de stocare pentru vehicule electrice. Separatorul de gel cu membrană din polimer solid ar putea fi util pentru astfel de aplicații în proiectarea bipolară. Cu alte cuvinte, acest design poate ajuta la evitarea scurtcircuitelor care apar în sistemele de lichid-electrolit.

Încărca

La încărcarea rapidă, este recomandabil să încărcați celulele NiMH cu un încărcător inteligent pentru a evita supraîncărcarea , care poate deteriora celulele.

Încărcare de scurgere

Cea mai simplă dintre metodele de încărcare sigură este cu un curent redus fix, cu sau fără temporizator. Majoritatea producătorilor susțin că supraîncărcarea este sigură la curenți foarte mici, sub 0,1  C ( C / 10) (unde C este echivalentul curent cu capacitatea bateriei împărțit la o oră). Manualul de încărcare Panasonic NiMH avertizează că supraîncărcarea suficient de lungă poate deteriora bateria și sugerează limitarea timpului total de încărcare la 10-20 de ore.

În plus, Duracell sugerează că o baterie care poate fi menținută într-o stare complet încărcată poate fi utilizată cu o încărcare de la C / 300. Unele încărcătoare fac acest lucru după ciclul de încărcare, pentru a compensa autodescărcarea naturală. O abordare similară este sugerată de Energizer, care indică faptul că autocataliza poate recombina gazul format la electrozi pentru viteze de încărcare de până la C / 10. Acest lucru duce la încălzirea celulei. Compania recomandă C / 30 sau C / 40 pentru aplicații nedeterminate în care viața lungă este importantă. Aceasta este abordarea adoptată în aplicațiile de iluminat de urgență, în care designul rămâne în esență același ca în unitățile NiCd mai vechi, cu excepția unei creșteri a valorii rezistorului de încărcare a scurgerilor.

Manualul Panasonic recomandă ca bateriile NiMH în regim de așteptare să fie încărcate printr-o abordare cu un ciclu de funcționare mai redus , unde se folosește un impuls de curent mai mare ori de câte ori tensiunea bateriei scade sub 1,3 V. Acest lucru poate prelungi durata de viață a bateriei și poate consuma mai puțină energie.

Δ Metoda de încărcare V

Pentru a preveni deteriorarea celulelor, încărcătoarele rapide trebuie să-și încheie ciclul de încărcare înainte de a se produce supraîncărcarea. O metodă este de a monitoriza schimbarea tensiunii cu timpul. Când bateria este complet încărcată, tensiunea la bornele sale scade ușor. Încărcătorul poate detecta acest lucru și poate opri încărcarea. Această metodă este adesea utilizată cu celule de nichel-cadmiu, care afișează o cădere mare de tensiune la încărcare completă. Cu toate acestea, scăderea tensiunii este mult mai puțin pronunțată pentru NiMH și poate fi inexistentă la rate de încărcare scăzute, ceea ce poate face abordarea nesigură.

O altă opțiune este de a monitoriza schimbarea tensiunii în ceea ce privește timpul și de a opri când aceasta devine zero, dar acest lucru riscă întreruperi premature. Cu această metodă, o rată mult mai mare de încărcare poate fi utilizat decât cu o taxă prelinge, până la 1  C . La această rată de încărcare, Panasonic recomandă să oprească încărcarea atunci când tensiunea scade cu 5-10 mV pe celulă de la tensiunea de vârf. Deoarece această metodă măsoară tensiunea pe baterie, se folosește un circuit de încărcare cu curent constant (mai degrabă decât cu o tensiune constantă).

Δ Metoda de încărcare T

Metoda de schimbare a temperaturii este similară în principiu cu metoda Δ V. Deoarece tensiunea de încărcare este aproape constantă, încărcarea cu curent constant furnizează energie la o rată aproape constantă. Când celula nu este complet încărcată, cea mai mare parte a acestei energii este convertită în energie chimică. Cu toate acestea, atunci când celula atinge încărcarea completă, cea mai mare parte a energiei de încărcare este transformată în căldură. Aceasta crește rata de schimbare a temperaturii bateriei, care poate fi detectată de un senzor, cum ar fi un termistor . Atât Panasonic, cât și Duracell sugerează o rată maximă de creștere a temperaturii de 1 ° C pe minut. Utilizarea unui senzor de temperatură permite o reducere absolută a temperaturii, pe care Duracell o sugerează la 60 ° C. Atât cu metodele de încărcare Δ T, cât și cu Δ V , ambii producători recomandă o perioadă suplimentară de încărcare prin prelevare pentru a urma încărcarea rapidă inițială.

Siguranță

O siguranță resetabilă în serie cu celula, în special de tip bandă bimetalică , crește siguranța. Această siguranță se deschide dacă curentul sau temperatura devin prea mari.

Celulele NiMH moderne conțin catalizatori pentru manipularea gazelor produse prin supraîncărcare ( ). Cu toate acestea, acest lucru funcționează numai cu curenți de supraîncărcare de până la 0,1  C (adică capacitatea nominală împărțită la zece ore). Această reacție determină încălzirea bateriilor, încheind procesul de încărcare. ${\ displaystyle {\ ce {2H2 {} + O2 -> [{\ text {catalizator}}] 2H2O}}}$

O metodă de încărcare foarte rapidă numită control al încărcării în celulă implică un presostat intern în celulă, care deconectează curentul de încărcare în caz de suprapresiune.

Un risc inerent al chimiei NiMH este acela că supraîncărcarea determină formarea hidrogenului gazos, care poate rupe celula. Prin urmare, celulele au un orificiu de evacuare pentru a elibera gazul în caz de supraîncărcare gravă.

Bateriile NiMH sunt fabricate din materiale ecologice. Bateriile conțin doar substanțe ușor toxice și sunt reciclabile.

Pierderea capacității

Deprimarea tensiunii (adesea atribuită greșit efectului de memorie ) din descărcarea parțială repetată poate apărea, dar este reversibilă cu câteva cicluri complete de descărcare / încărcare.

Descărcare

O celulă complet încărcată furnizează o medie de 1,25 V / celulă în timpul descărcării, scăzând la aproximativ 1,0-1,1 V / celulă (descărcarea suplimentară poate provoca daune permanente în cazul pachetelor cu mai multe celule, datorită inversării polarității). Sub o sarcină ușoară (0,5 amperi), tensiunea de pornire a unei celule AA NiMH proaspăt încărcate în stare bună este de aproximativ 1,4 volți.

Suprasolicitarea

Descărcarea completă a pachetelor cu mai multe celule poate provoca polaritatea inversă în una sau mai multe celule, care le poate deteriora permanent. Această situație poate apărea în dispunerea comună a patru celule AA în serie într-o cameră digitală , unde una se descarcă complet înaintea celorlalte datorită diferențelor mici de capacitate între celule. Când se întâmplă acest lucru, celulele bune încep să conducă celula descărcată în polaritate inversă (adică anod pozitiv / catod negativ). Unele camere, receptoare GPS și PDA detectează tensiunea sigură la sfârșitul descărcării celulelor din serie și efectuează o închidere automată, dar dispozitivele precum lanternele și unele jucării nu.

Deteriorarea ireversibilă prin inversarea polarității este un pericol deosebit, chiar și atunci când este utilizată o decupare de prag de tensiune scăzută, atunci când celulele variază în temperatură. Acest lucru se datorează faptului că capacitatea scade semnificativ pe măsură ce celulele sunt răcite. Acest lucru duce la o tensiune mai mică sub sarcină a celulelor mai reci.

Auto-descărcare

Din punct de vedere istoric, celulele NiMH au avut o rată de auto-descărcare ceva mai mare (echivalentă cu scurgerea internă) decât celulele NiCd. Rata de auto-descărcare variază foarte mult în funcție de temperatură, unde temperatura de depozitare mai scăzută duce la descărcare mai lentă și o durată mai mare de viață a bateriei. Auto-descărcarea este de 5-20% în prima zi și se stabilizează în jur de 0,5-4% pe zi la temperatura camerei . Dar la 45 ° C este de aproximativ trei ori mai mare.

Auto-descărcare redusă

Low autodescărcare hidrură de nichel metalic acumulator ( LSD NiMH ) are o rată semnificativ mai mică de auto-descărcare. Inovația a fost introdusă în 2005 de Sanyo , marca Eneloop . Utilizând un separator de electrod îmbunătățit și un electrod pozitiv îmbunătățit, producătorii susțin că celulele își păstrează 70-85% din capacitatea lor atunci când sunt depozitate un an la 20 ° C (68 ° F), comparativ cu aproximativ jumătate pentru bateriile normale NiMH. Acestea sunt altfel similare cu bateriile standard NiMH și pot fi încărcate în încărcătoare tipice NiMH. Aceste celule sunt comercializate ca reîncărcabile „hibride”, „gata de utilizare” sau „preîncărcate”. Păstrarea încărcării depinde în mare măsură de rezistența la scurgere a bateriei (cu cât este mai mare cu atât mai bine) și de dimensiunea fizică și capacitatea de încărcare.

Separatoarele mențin cei doi electrozi distanți pentru a încetini descărcarea electrică, permițând în același timp transportul purtătorilor de încărcare ionică care închid circuitul în timpul trecerii curentului . Separatoarele de înaltă calitate sunt esențiale pentru performanța bateriei.

Rata de auto-descărcare depinde de grosimea separatorului; separatoarele mai groase reduc autodescărcarea, dar reduc și capacitatea, deoarece lasă mai puțin spațiu pentru componentele active, iar separatoarele subțiri duc la o descărcare mai mare. Este posibil ca unele baterii să fi depășit acest compromis utilizând separatoare subțiri fabricate mai precis și un separator de poliolefină sulfonată, o îmbunătățire față de poliolefina hidrofilă pe bază de alcool etilen vinilic .

Celulele cu auto-descărcare redusă au o capacitate oarecum mai mică decât celulele echivalente NiMH echivalente din cauza volumului mai mare al separatorului. Celulele AA cu capacitate redusă de auto-descărcare redusă au capacitate de 2500 mAh, comparativ cu 2700 mAh pentru celulele AA NiMH de mare capacitate.

Comparativ cu alte tipuri de baterii

Celulele NiMH sunt adesea utilizate în camerele digitale și alte dispozitive cu scurgere ridicată, unde pe durata utilizării cu o singură încărcare depășesc bateriile primare (cum ar fi alcaline).

Celulele NiMH sunt avantajoase pentru aplicații cu scurgere de curent mare, în mare parte datorită rezistenței lor interne mai mici. Bateriile tipice alcaline de dimensiuni AA, care oferă o capacitate de aproximativ 2600 mAh la o cerere redusă de curent (25 mA), oferă o capacitate de doar 1300 mAh cu o sarcină de 500 mA. Camerele digitale cu LCD-uri și lanterne pot atrage peste 1000 mA, epuizându-le rapid. Celulele NiMH pot livra aceste niveluri actuale fără pierderi similare de capacitate.

Dispozitivele care au fost proiectate să funcționeze folosind celule chimice primare alcaline (sau zinc-carbon / clorură) pot să nu funcționeze cu celulele NiMH. Cu toate acestea, majoritatea dispozitivelor compensează căderea de tensiune a unei baterii alcaline, deoarece se descarcă până la aproximativ 1 volt. Rezistența internă scăzută permite celulelor NiMH să furnizeze o tensiune aproape constantă până când sunt aproape complet descărcate. Astfel, indicatorii de nivel de baterie concepuți pentru a citi celulele alcaline supraestimează încărcarea rămasă atunci când sunt utilizați cu celule NiMH, deoarece tensiunea celulelor alcaline scade constant în cea mai mare parte a ciclului de descărcare.

Bateriile litiu-ion au o energie specifică mai mare decât bateriile cu hidrură de nichel metal, dar sunt semnificativ mai scumpe. De asemenea, produc o tensiune mai mare (3,2–3,7 V nominală) și, prin urmare, nu reprezintă un înlocuitor pentru bateriile alcaline fără circuite pentru a reduce tensiunea.

Începând cu 2005, bateriile cu hidrură de nichel și metal au constituit trei procente din piața bateriilor.

Aplicații

Electronice de consum

Bateriile NiMH au înlocuit NiCd pentru multe roluri, în special bateriile mici reîncărcabile. Bateriile NiMH sunt disponibile în mod obișnuit în baterii AA ( dimensiune penlight ). Acestea au capacități nominale de încărcare ( C ) de 1,1-2,8 Ah la 1,2 V, măsurate la viteza care descarcă celula în 5 ore. Capacitatea de descărcare utilă este o funcție descrescătoare a ratei de descărcare, dar până la o rată de aproximativ 1 × C (descărcare completă în 1 oră), nu diferă semnificativ de capacitatea nominală. Bateriile NiMH funcționează nominal la 1,2 V pe celulă, oarecum mai mici decât celulele convenționale de 1,5 V, dar pot funcționa multe dispozitive concepute pentru tensiunea respectivă .

Vehicule electrice

Bateriile NiMH au fost utilizate frecvent în vehiculele electrice și hibrid-electrice din generația anterioară; începând din 2020 au fost înlocuite aproape în întregime cu baterii cu litiu în vehiculele hibride complet electrice și plug-in, dar acestea rămân în uz în unele vehicule hibride (Toyota Highlander 2020, de exemplu). Anterior, vehiculele plug-in complet electrice includeau General Motors EV1 , prima generație Toyota RAV4 EV , Honda EV Plus , Ford Ranger EV și scuterul Vectrix . Fiecare vehicul hibrid de primă generație a folosit baterii NIMH, mai ales Toyota Prius și Honda Insight , precum și modele ulterioare, inclusiv Ford Escape Hybrid , Chevrolet Malibu Hybrid și Honda Civic Hybrid .

Probleme de brevet

Stanford R. Ovshinsky a inventat și a brevetat o îmbunătățire populară a bateriei NiMH și a fondat Ovonic Battery Company în 1982. General Motors a achiziționat brevetul Ovonics în 1994. Până la sfârșitul anilor 1990, bateriile NiMH erau utilizate cu succes în multe vehicule complet electrice, precum General Motors EV1 și Dodge Caravan EPIC dubita.

Această generație de mașini electrice, deși a avut succes, a fost scoasă brusc de pe piață.

În octombrie 2000, brevetul a fost vândut către Texaco , iar o săptămână mai târziu Texaco a fost achiziționată de Chevron . Filiala Chevron's Cobasys furnizează aceste baterii numai comenzilor mari OEM. General Motors a oprit producția EV1 , citând lipsa disponibilității bateriei ca principal obstacol. Controlul Cobasys al bateriilor NiMH a creat o sarcină de brevet pentru bateriile mari NiMH auto.

Vezi si

Referințe

linkuri externe

• „Baterie bipolară cu hidrură metalică de nichel” de Martin G. Klein, Michael Eskra, Robert Plivelich și Paula Ralston
• Energizer Nickel Metal Hydride (NiMH) Manual și aplicație
• Brevetul Chevron / Texaco asupra bateriei NiMH
• Încărcarea bateriei NiMH și siguranță