Железо-никелевый аккумулятор

Железо-никелевый аккумулятор — 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.

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.

Их использование стало снижаться с момента остановки производства из-за пожара на заводе/лаборатории Эдисона в 1914 году проверить ссылку, 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 в последние годы, цена свинцовых аккумуляторов значительно поднялась, и цены практически сравнялись.

При сравнении аккумуляторов со свинцово-кислотными следует помнить, что допустимый эксплуатационный разряд свинцово-кислотного аккумулятора значительно меньше, чем теоретическая полная ёмкость, а железоникелевого — очень близок к ней. Поэтому реальная эксплуатационная ёмкость железоникелевого аккумулятора, при равной теоретической полной ёмкости, может быть в несколько раз (в зависимости от режима) больше, чем у свинцово-кислотного.

Существует несколько видов щелочных аккумуляторов. По устройству электродов их делят на ламельные и безламельные, по составу активной массы пластин на никель-железные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, по способу исполнения  — на герметичные и негерметичные.

В скорпусе ламельного никель-железного (НЖ) аккумулятора (см. рис.) расположены блоки положительных и отрицательных пластин. Разноименные пластины изолируют друг от друга эбонитовыми палочками. На верхней крышке корпуса размещены полюсные выводы и отверстие для заливки электролита, закрываемое пробкой. Пробка имеет Т-образный канал для выхода газов, закрываемый резиновым пояском и прокладку. Полюсные выводы положительных и отрицательных пластин изолированы от крышки корпуса.

Пластины аккумулятора состоят из стальных перфорированных ламелей (оболочек), внутри которых находится активная масса. Для повышения электропроводности в активную массу добавляют графит или никель. В аккумуляторах типа НЖ число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных, причем крайние отрицательные пластины касаются корпуса (если он железный никелированный). Положительные пластины с торцов изолируют от корпуса (если он железный никелированный) листовым эбонитом.

Активной массой положительных пластин аккумуляторов типов НЖ является гидрат окиси никеля Ni(OH)3. Активная масса отрицательных пластин у аккумуляторов типа НЖ состоит из губчатого железа. Электролитом служит водный раствор едкого кали КОН или едкого натра NaOH плотностью 1,19—1,21 г/см3 с добавкой 20 г едкого лития на 1 л электролита, который препятствует изменению структуры активных масс положительных пластин в условиях высоких температур.

При разряде гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатое железо — в гидрат его закиси. На образование этих веществ не затрачивается едкий натр или едкое кали, поэтому плотность электролита во время разряда остается постоянной. Однако в аккумуляторы периодически доливают чистую воду, так как часть ее разлагается зарядным током на кислород и водород и испаряется. При заряде аккумуляторов типов НЖ и НК все химические процессы протекают в обратном порядке и пластины восстанавливаются до первоначального химического состава.

Электроды ламельные: они состоят из никелевой сетки, в которой упакованы брикеты активной массы. В качестве сепаратора применена капроновая ткань. Основные характеристики. Э.д.с. заряженного щелочного аккумулятора типа НЖ — 1,5 В. При разряде э.д.с. снижается до 1,3 В. Напряжение щелочных аккумуляторов не является постоянным. При разряде оно сначала быстро уменьшается до напряжения 1,3 В, а затем медленно до напряжения 1,15 В, при котором разряд прекращают. Дальнейший разряд нецелесообразен, так как напряжение быстро падает и становится недостаточным для нормальной работы приемника энергии. Среднее напряжение аккумулятора при разряде принимают равным 1,25 В.

Очередной заряд щелочных аккумуляторов проводят током, равным 0,25Q и в течение 6 ч. Окончание заряда определяется тем, что напряжение на каждом элементе становится равным 1,75—1,8 В и наступает интенсивное «кипение» электролита во всех элементах. Во время заряда нужно следить за тем, чтобы температура электролита не превышала 40 °С. Для снижения температуры уменьшают зарядный ток. Батареи щелочных аккумуляторов заряжают при вывернутых пробках во всех элементах.

В отличие от кислотных щелочные аккумуляторы могут отдать полную емкость при различных режимах разряда. Для этого щелочные аккумуляторы следует разряжать до различного конечного напряжения. Чем больше разрядный ток, тем меньше конечное напряжение, при котором аккумулятор отдает полную емкость. Например, при 8-часовом режиме разряда аккумулятор отдает номинальную емкость при конечном напряжении 1,1 В, а при 5-часовом режиме разряда при конечном напряжении 0,8 В. Большое изменение напряжения щелочных аккумуляторов требует установки специальных устройств, стабилизирующих напряжение электропитающей установки. Поэтому при 1, 3 и 5-часовом режимах разряда используется только часть номинальной емкости щелочных аккумуляторов.

Нормальной температурой электролита щелочного аккумулятора считается 25°С. При снижении температуры емкость аккумулятора уменьшается, при повышении — увеличивается. Однако увеличение температуры электролита выше 40 град. резко увеличивает саморазряд аккумулятора.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов приблизительно в 2 раза больше, чем свинцовых аккумуляторов такой же емкости. Вследствие этого они менее чувствительны к коротким замыканиям, но имеют более низкий к.п.д. Внутреннее сопротивление заряженного щелочного аккумулятора r0 = 0,35/QН, где QH — номинальная емкость аккумулятора. Внутреннее сопротивление разряженного аккумулятора в 1,5—2 раза больше, чем заряженного.

Щелочные никель-железные аккумуляторы подвержены значительному саморазряду.

Так, за 30 сут хранения при температуре электролита +20°С эти аккумуляторы теряют от 30 до 50% номинальной емкости, а при температуре электролита +40°С— всю емкость. Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов в 2—2,5 раза меньше, чем никель-железных. Отдача у щелочных аккумуляторов меньше, чем у кислотных, и составляет 0,65 по емкости и 0,5 по энергии.

Долговечность

Способность этих аккумуляторов выносить частые циклы разряд/заряд связана с низкой растворимостью реагентов в электролите. Длительное формирование металлического железа в процессе зарядки обусловлено низкой растворимостью Fe3O4. Длительный процесс образования кристаллов железа сохраняет электроды, но также лимитирует скорость работы: данные аккумуляторы заряжаются медленно и так же медленно разряжаются.

Основные факторы ограничивающие долговечность железо-никелевых аккумуляторов — выгорание графита токопроводящей добавки из-за выделения кислорода при разложении воды, коррозия никелированых железных корпусов и ламелей с последующим высыпанием активных масс в шлам, осаждение железа на сепараторах и увеличение саморазряда. Железо-никелевые элементы производства заводов Эдисона в начале 19хх годов имели трубчатую конструкцию положительного окисно-никелевого электрода с токопроводящей добавкой никелевых лепестков вместо графита и улучшеную технологию никелирования железных конструкционных материалов (запекание многослойного никелевого покрытия, полученого из водного раствора никелевой соли, в печах с водородной защитной атмосферой). При этом назначеный срок службы составлял 100 лет и рекомендованый интервал замены электролита — один раз в 5..10 лет. В более дешевых конструкциях железо-никелевых аккумуляторов со сроком службы в начальные десятки лет из-за выгорания графитной токопроводящей добавки в процессе эксплуатации элемента быстрее загрязняется электролит карбонатами и уменьшаются интервалы между заменами электролита (рекомендованый интервал замены электролита в исполнениях никелевых аккумуляторов с графитом — от 100 циклов или 1 раз в год). Также после выгорания существенного количества графита ухудшается отдаваемая емкость и увеличивается эквивалентное внутренее сопротивление элемента из-за ухудшения контакта активной массы с электродами. Окончательное разрушение аккумулятора и полный выход из строя происходят при сквозной коррозии конструкционных элементов (ламелей и/или стального корпуса) из-за ограниченого качества никелирования дешевых вариантов исполнения аккумулятора.

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.

.