Bateria de níquel-ferro - Nickel–iron battery

Bateria de níquel-ferro
Baterias de níquel-ferro de Thomas Edison.jpg
Baterias de níquel-ferro fabricadas entre 1972 e 1975 sob a marca "Exide" originalmente desenvolvida em 1901 por Thomas Edison.
Energia especifica 19-25 Wh / kg
Densidade de energia 30 Wh / l
Poder específico 100 W / kg
Eficiência de carga / descarga <65%
Energia / preço ao consumidor 1,5 - 6,6 Wh / US $
Taxa de autodescarga 20% - 30% / mês
Durabilidade do tempo 30 - 50 anos
Durabilidade do ciclo A descarga profunda repetida não reduz a vida significativamente.
Tensão nominal da célula 1,2 V
Intervalo de temperatura de carga min. −40 ° C - máx.46 ° C
Thomas Edison em 1910 com sua célula de níquel-ferro de sua própria linha de produção.

A bateria de níquel-ferro ( bateria NiFe) é uma bateria recarregável com placas positivas de óxido-hidróxido de níquel (III) e placas negativas de ferro , com um eletrólito de hidróxido de potássio . Os materiais ativos são mantidos em tubos de aço niquelado ou em bolsas perfuradas. É uma bateria muito robusta que tolera abusos (sobrecarga, descarga excessiva e curto-circuito) e pode ter uma vida útil muito longa, mesmo se tratada dessa forma. É frequentemente usado em situações de backup em que pode ser carregado continuamente e pode durar mais de 20 anos. Devido à sua baixa energia específica, baixa retenção de carga e alto custo de fabricação, outros tipos de baterias recarregáveis ​​substituíram a bateria de níquel-ferro na maioria das aplicações.

Usos

Muitos veículos ferroviários usam baterias NiFe. Alguns exemplos são as locomotivas elétricas subterrâneas de Londres e o vagão do metrô de Nova York - R62A .

A tecnologia recuperou a popularidade para aplicações fora da rede , onde o carregamento diário a torna uma tecnologia apropriada .

Baterias de níquel-ferro estão sendo investigadas para uso como baterias combinadas e eletrólise para produção de hidrogênio para carros e armazenamento de células de combustível . Esses "battolysers" poderiam ser carregados e descarregados como baterias convencionais e produziriam hidrogênio quando totalmente carregados.

Durabilidade

A capacidade dessas baterias de sobreviver a ciclos frequentes se deve à baixa solubilidade dos reagentes no eletrólito. A formação de ferro metálico durante a carga é lenta devido à baixa solubilidade do hidróxido ferroso . Enquanto a formação lenta de cristais de ferro preserva os eletrodos, ela também limita o desempenho de alta taxa: essas células carregam lentamente e só são capazes de descarregar lentamente. As células de níquel-ferro não devem ser carregadas com uma fonte de tensão constante, pois podem ser danificadas pela fuga térmica ; a voltagem interna da célula cai quando a gaseificação começa, aumentando a temperatura, o que aumenta a corrente consumida e, portanto, aumenta ainda mais a gaseificação e a temperatura.

Eletroquímica

A reação de meia célula na placa positiva de níquel (III) óxido-hidróxido preto NiO (OH) para hidróxido de níquel (II) verde Ni (OH) 2  :

2 NiO (OH) + 2 H 2 O + 2 e - ↔ 2 Ni (OH) 2 + 2 OH -

e na placa negativa:

Fe + 2 OH - ↔ Fe (OH) 2 + 2 e -

(A descarga é lida da esquerda para a direita, a carga é da direita para a esquerda.)

A tensão de circuito aberto é de 1,4 volts, caindo para 1,2 volts durante a descarga. A mistura de eletrólitos de hidróxido de potássio e hidróxido de lítio não é consumida na carga ou descarga, portanto, ao contrário de uma bateria de chumbo-ácido, a gravidade específica do eletrólito não indica o estado de carga. A voltagem necessária para carregar a bateria NiFe é igual ou superior a 1,6 volts por célula. A inclusão de hidróxido de lítio melhora o desempenho da célula. A tensão de carga de equalização é de 1,65 volts.

História

O inventor sueco Waldemar Jungner inventou a bateria de níquel-cádmio em 1899. Jungner experimentou substituir o cádmio pelo ferro em proporções variáveis, incluindo ferro 100%. Jungner descobriu que a principal vantagem sobre a química níquel-cádmio era o custo, mas devido à menor eficiência da reação de carga e formação mais pronunciada de hidrogênio (gaseificação), a tecnologia níquel - ferro foi considerada deficiente e abandonada. Jungner tinha várias patentes para a versão de ferro de sua bateria (patentes suecas nos 8.558 / 1897, 10.177 / 1899, 11.132 / 1899, 11.487 / 1899 e Patente alemã No.110.210 / 1899). Além disso, ele tinha uma patente para bateria de NiCd: Swed.pat nº 15.567 / 1899.

Edison Storage Battery Company

Em 1901, Thomas Edison patenteou e comercializou o NiFe nos Estados Unidos e o ofereceu como fonte de energia para veículos elétricos , como Detroit Electric e Baker Electric . Edison afirmou que o projeto de níquel-ferro é "muito superior às baterias que usam placas de chumbo e ácido" ( bateria de chumbo-ácido ). Edison tinha várias patentes: Patente US 678.722 / 1901, Patente US 692.507 / 1902 e Patente Alemã No 157.290 / 1901.

Edison ficou desapontado porque sua bateria não foi adotada para dar partida em motores de combustão interna e que os veículos elétricos saíram de produção poucos anos depois que sua bateria foi introduzida. Ele desenvolveu a bateria para ser a bateria de escolha para veículos elétricos , que eram o meio de transporte preferido no início de 1900 (seguido pela gasolina e vapor). As baterias de Edison tinham uma densidade de energia significativamente maior do que as baterias de chumbo-ácido em uso na época e podiam ser carregadas na metade do tempo; no entanto, eles tiveram um mau desempenho em baixas temperaturas e eram mais caros.

O trabalho de Jungner era amplamente desconhecido nos Estados Unidos até a década de 1940, quando as baterias de níquel-cádmio começaram a ser produzidas lá. Uma bateria de níquel-ferro de 50 volts foi a principal fonte de alimentação DC no foguete alemão V-2 da Segunda Guerra Mundial , junto com duas baterias de 16 volts que alimentaram os quatro giroscópios (geradores de turbina fornecidos AC para seus servomecanismos acionados por amplificador magnético ). Uma versão menor foi usada na bomba voadora V-1 . (viz. Projetos da Operação Backfire de 1946. )

As baterias da Edison foram lucrativas entre 1903 e 1972 pela Edison Storage Battery Company em West Orange, NJ . Em 1972, a empresa de baterias foi vendida para a Exide Battery Corporation, que descontinuou o produto em 1975. A bateria foi amplamente utilizada para sinalização ferroviária, empilhadeira e aplicações de energia em standby .

As células de níquel-ferro foram feitas com capacidades de 5 a 1250 Ah. Muitos dos fabricantes originais não fabricam mais células de níquel-ferro, mas a produção por novas empresas já começou em vários países.

Três bancos de placas dentro de uma bateria moderna de níquel-ferro

Pratos

O material ativo das placas da bateria está contido em vários tubos ou bolsos cheios, montados com segurança em uma estrutura ou grade de suporte e condutora. O suporte está em bom contato elétrico com os tubos. A grade é uma estrutura de esqueleto leve, estampada em chapa de aço fina, com largura de reforço na parte superior. As grades, bem como todas as outras superfícies metálicas internas, são banhadas a níquel para evitar a corrosão. Os elementos devem permanecer cobertos com eletrólito; se secarem, as placas negativas oxidam e requerem uma carga muito longa.

Os elementos de uma célula de níquel-ferro (NiFe)

O material ativo das placas positivas é uma forma de hidrato de níquel . Os retentores de tubo são feitos de fita de aço fina, finamente perfurada e niquelada, com cerca de 4 pol. De comprimento e 1/4 pol. E 1/8 pol. em diâmetro. A fita é enrolada em espiral, com costuras lapidadas e os tubos reforçados em intervalos de cerca de 1/2 pol. Com pequenos anéis de aço. Nestes tubos, o hidrato de níquel e o níquel puro em flocos são carregados em finas camadas alternadas (cerca de 350 camadas de cada em um tubo) e são compactados ou compactados. O objetivo do níquel em flocos é fazer um bom contato entre o hidrato de níquel e os tubos e, assim, fornecer condutividade. Os tubos, quando cheios e fechados, são montados verticalmente nas grades.

A placa positiva é preenchida com hidrato de níquel.

O material ativo das placas negativas é o óxido de ferro . Os bolsos de retenção são feitos de aço niquelado fino e finamente perfurado, de formato retangular, 1/2 pol. De largura, 3 pol. De comprimento e 1/8 pol. De espessura máxima. O óxido de ferro, em forma de pó fino, é firmemente colocado nesses bolsos, após o que são montados nas grades. Após a montagem, eles são pressionados, forçando-os a um contato próximo com as grades. Isso corruga os lados dos bolsos para fornecer um contato de mola do bolsão com o material ativo.

O material ativo do óxido de ferro das placas negativas.

Cobrar

Carga / descarga envolve a transferência de oxigênio de um eletrodo para outro (de um grupo de placas para o outro). Conseqüentemente, esse tipo de célula é às vezes chamado de célula elevadora de oxigênio. Em uma célula carregada, o material ativo das placas positivas está superoxidado e o das placas negativas está em um estado esponjoso ou reduzido.

Se a capacidade normal da célula for insuficiente, cargas curtas aumentadas podem ser fornecidas, desde que a temperatura do eletrólito não exceda 115˚ F / 46˚ C. Essas cargas curtas são muito eficientes e não causam ferimentos. Taxas de até três vezes a taxa de carga normal (definida como C, a corrente igual à capacidade nominal da bateria dividida por 1 hora) podem ser empregadas por períodos de 30 minutos.

O carregamento total de uma célula NiFe consiste em sete horas na taxa de célula normal. Em serviço, o valor da cobrança dada é regido pela extensão da quitação anterior. Por exemplo, uma bateria descarregada pela metade, permite uma carga normal de 3,5 horas. A sobrecarga desperdiça corrente e causa rápida evaporação da água no eletrólito.

Para reduzir as taxas de carga, uma média de 1,67 volts deve ser mantida nos terminais da célula durante a carga. O valor da corrente no início da carga varia de acordo com a resistência elétrica . Sem resistência, a taxa inicial será cerca de duas vezes normal e a taxa final cerca de 40% do normal.

Descarga

Sob descarga as placas positivas são reduzidas ("desoxidadas"); o oxigênio, com sua afinidade natural pelo ferro, vai para as placas negativas, oxidando-as. É permitido descarregar continuamente a qualquer taxa até 25% acima do normal e por curtos períodos de até seis vezes o normal. Quando a taxa de descarga excede esse valor, ocorrerão quedas de tensão anormais.

Eletrólito

O eletrólito não entra em combinação química para desempenhar as funções da célula, atuando como um transportador. Sua gravidade específica não é afetada durante a carga e descarga, exceto por evaporação e mudanças de temperatura. Uma variação considerável na gravidade específica é permitida, tendo influência apenas na eficiência da bateria.

Impacto ambiental

As baterias de níquel-ferro não têm o chumbo ou cádmio das baterias de chumbo-ácido e de níquel-cádmio, que requerem tratamento como materiais perigosos .

Veja também

Referências