Никель-металлгидридті қайта зарядталатын батареялар

Кіріспе

Қайта зарядталатын аккумулятордың түрі

Никель-металл гидридті аккумуляторы (NiMH немесе Ni–MH) – қайта зарядталатын аккумулятордың бір түрі. Оң электродтағы химиялық реакция никель-кадмийлі (NiCd) аккумуляторындағы сияқты, екеуінде де никель оксиді гидроксиді (NiOOH) қолданылады. Дегенмен, теріс электродтар кадмийдің орнына сутекті сіңіретін қорытпаны пайдаланады. NiMH аккумуляторлары бірдей өлшемдегі NiCd аккумуляторларынан екі-үш есе артық сыйымдылыққа ие, энергия тығыздығы айтарлықтай жоғары, бірақ литий-ион аккумуляторларының шамамен жартысына ғана тең. Олар көбінесе ұқсас пішіндегі бір рет қолданылатын сілтілі аккумуляторлардың орнына қолданылады, себебі олардың жасуша кернеуі сәл төмен, бірақ көбінесе үйлесімді және ағып кету қаупі аз.

Тарих

NiMH батареялары бойынша жұмыстар 1967 жылы технологияның ойлап табылуынан кейін Battelle Geneva Research Center-де басталды. Ол күйдірілген Ti2Ni+TiNi+x қорытпалары және NiOOH электродтарына негізделген. Даму шамамен екі онжылдық бойы Daimler Benz және Volkswagen AG компаниялары Deutsche Automobilgesellschaft құрамында, қазір Daimler AG еншілес компаниясы арқылы қаржыландырылды. Батареялардың нақты энергиясы 50 Вт⋅сағ/кг (180 кДж/кг), нақты қуаты 1000 Вт/кг-ға дейін және 500 зарядтау циклының қызмет ету мерзімі (100% терең разрядта) құрады. Патенттік өтінімдер Еуропа елдеріне (басымдық: Швейцария), АҚШ және Жапонияға жіберілді. Патенттер Daimler Benz компаниясына берілді. 1970 жылдары спутниктік қолданбалар үшін никель-сутекті батареяның коммерциялық сәттілігі қызығушылықты арттырды. Гидрид технологиясы сутекті сақтаудың балама, көлемді азайтатын жолын ұсынды. Philips Laboratories және Францияның CNRS зерттеулері теріс электрод үшін сирек металдарды қамтитын жаңа, жоғары энергиялы гибридтік қорытпаларды жасады. Алайда, олар сілтілік электролитте қорытпаның тұрақсыздығынан және осыған байланысты жеткіліксіз циклдық өмірден зардап шекті. 1987 жылы Виллемс және Бушоу осы тәсілге негізделген (La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1 қоспасын пайдалана отырып) сәтті батареяны көрсетті, ол 4000 зарядтау-разряд циклынан кейін 84% зарядтау сыйымдылығын сақтады. Лантанның орнына мишметалды қолдана отырып, жақын арада экономикалық тұрғыдан тиімді қорытпалар жасалды. Қазіргі NiMH элементтері осы дизайнға негізделген. Тұтынушыларға арналған алғашқы NiMH элементтері 1989 жылы сатуға түсті. 1998 жылы 1980 жылдың ортасынан бері MH NiOOH батареяларымен жұмыс істеп келе жатқан Ovonic Battery Co. компаниясының Стэнфорд Овшинский Ti–Ni қорытпасының құрылымын және құрамын жақсартты және өзінің инновацияларын патенттеді. 2008 жылы әлем бойынша екі миллионнан астам гибридтік автомобильдер NiMH батареяларымен жабдықталды. Еуропалық Одақта Батареялар директивасының талабына сәйкес, Ni–Cd батареялары портативті тұтынушылар үшін никель-металл гидрид батареяларымен ауыстырылды. 2010 жылы Жапонияда сатылған қайта зарядталатын портативті батареялардың шамамен 22% NiMH құрады. Швейцарияда 2009 жылы бұл көрсеткіш шамамен 60% болды. Литий-ионды батареялардың өндірісінің артуына байланысты бұл көрсеткіш уақыт өте келе төмендеді: 2000 жылы Жапонияда сатылатын барлық портативті қайта зарядталатын батареялардың шамамен жартысы NiMH болды.

Work on NiMH batteries began at the Battelle Geneva Research Center following the technology's invention in 1967. It was based on sintered Ti2Ni+TiNi+x alloys and NiOOH electrodes. Development was sponsored over nearly two decades by Daimler Benz and by Volkswagen AG within Deutsche Automobilgesellschaft, now a subsidiary of Daimler AG. The batteries' specific energy reached 50 W·h/kg (180 kJ/kg), specific power up to 1000 W/kg and a life of 500 charge cycles (at 100% depth of discharge). Patent applications were filed in European countries (priority: Switzerland), the United States, and Japan. The patents transferred to Daimler Benz. Interest grew in the 1970s with the commercialisation of the nickel hydrogen battery for satellite applications. Hydride technology promised an alternative, less bulky way to store the hydrogen. Research carried out by Philips Laboratories and France's CNRS developed new high energy hybrid alloys incorporating rare earth metals for the negative electrode. However, these suffered from alloy instability in alkaline electrolyte and consequently insufficient cycle life. In 1987, Willems and Buschow demonstrated a successful battery based on this approach (using a mixture of La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1), which kept 84% of its charge capacity after 4000 charge discharge cycles. More economically viable alloys using mischmetal instead of lanthanum were soon developed. Modern NiMH cells were based on this design. The first consumer grade NiMH cells became commercially available in 1989. In 1998, Stanford Ovshinsky at Ovonic Battery Co., which has been working on MH NiOOH batteries since mid 1980, improved the Ti–Ni alloy structure and composition and patented its innovations. In 2008, more than two million hybrid cars worldwide were manufactured with NiMH batteries. In the European Union due to its Battery Directive, nickel–metal hydride batteries replaced Ni–Cd batteries for portable consumer use. About 22% of portable rechargeable batteries sold in Japan in 2010 were NiMH. In Switzerland in 2009, the equivalent statistic was approximately 60%. This percentage has fallen over time due to the increase in manufacture of lithium ion batteries: in 2000, almost half of all portable rechargeable batteries sold in Japan were NiMH.

Биполярлы аккумулятор

Биполярлы NiMH батареялары (биполярлы батареялар) электрлік көліктерде энергия сақтау жүйелері ретінде қолдану үшін дамытылуда, себебі олар бірнеше артықшылықтар ұсынады. Қатты полимерлі мембраналық гельді сепаратор мұндай қолданыстарда биполярлы конструкция үшін тиімді болуы мүмкін. Яғни, бұл конструкция сұйық электролиттері бар жүйелерде кездесетін қысқа тұйықталулардың алдын алуға көмектеседі.

Айыппұл

Тез зарядтау кезінде NiMH аккумуляторларын зақымданудан сақтау үшін, артық зарядтауды болдырмау мақсатында ақылды зарядтағышпен зарядтау ұсынылады.

Трикльді жүктеу

Қауіпсіз зарядтаудың ең қарапайым әдісі таймері бар немесе жоқ, тұрақты төмен токпен зарядтау болып табылады. Көптеген өндірушілер өте төмен токтарда, 0,1 C-тан (C/10) төмен (мұнда C – батарея сыйымдылығын бір сағатқа бөлгендегі токқа тең) артық зарядтаудың қауіпсіз екенін айтады. Panasonic NiMH зарядтау нұсқаулығында батареяны тым ұзақ уақыт бойы артық зарядтау оны зақымдауы мүмкін екендігі ескеріледі және жалпы зарядтау уақытын 10–20 сағатқа дейін шектеу ұсынылады. NiMH аккумуляторлары қоршаған ортаға зиян келтірмейтін материалдардан жасалған. Батареялар аз ғана улы заттарды қамтиды және қайта өңдеуге жарамды.

Босату

Толық зарядталған элемент разряд кезінде орташа есеппен 1,25 В/элемент қуат береді, бірақ разряд кезінде шамамен 1,0–1,1 В/элементке дейін төмендейді (көп элементті жинақтамалардағы ең әлсіз элементтің полярлығы керілуі салдарынан, одан артық разрядтану тұрақты зақымдануға әкелуі мүмкін). Жеңіл жүктеме (0,5 ампер) кезінде, жақсы жағдайдағы жаңа зарядталған АА NiMH элементінің бастапқы кернеуі шамамен 1,4 вольтты құрайды.

Артық төгілу

Көп жасушалы батареялардың толық разрядталуы бір немесе бірнеше жасушада кері полярлыққа алып келуі мүмкін, бұл оларды қайтымсыз зақымдауы мүмкін. Мұндай жағдай, әсіресе төрт АА батареясы тізбектей қосылған кезде туындауы мүмкін, онда жасушалардың сыйымдылығындағы шағын айырмашылықтарға байланысты біреуі қалғандарынан бұрын толық разрядталады. Бұл кезде, жақсы жасушалар разрядталған жасушаны кері полярлыққа (яғни оң анод және теріс катодқа) итеруге бастайды. Кейбір камералар, GPS қабылдағыштары және жеке цифрлік көмекшілер (PDA) тізбектелген жасушалардың қауіпсіз разрядталу кернеуін анықтап, автоматты түрде өшіріледі, бірақ фонарьлар және кейбір ойыншықтар сияқты құрылғылар мұндай мүмкіндікке ие емес. Полярлықтың кері ауысуынан туындайтын қайтымсыз зақым, тіпті төмен кернеу шегі кесілген жағдайда да, жасушалардың температурасы әртүрлі болғанда ерекше қауіпті. Өйткені жасушалар салқындаған сайын олардың сыйымдылығы күрт төмендейді. Бұл салдарынан суық жасушалардың жүктеме астындағы кернеуі төмендейді.

Басқа батарея түрлерімен салыстырғанда

NiMH элементтері көбінесе цифрлық камералар мен басқа да жоғары токты тұтынатын құрылғыларда қолданылады, онда бір рет зарядтау кезінде олар бастапқы (мысалы, сілтілік) батареялардан жақсы жұмыс істейді. NiMH элементтері жоғары ток ағынына арналған қолданулар үшін тиімді, көбінесе олардың ішкі кедергісі төмен болғандықтан. Типик сілтілік АА өлшемді батареялар төмен ток талабында (25 мА) шамамен 2,6 Аж сыйымдылықты ұсынады, ал 500 мА жүктемемен 1,3 Аж сыйымдылықты қамтамасыз етеді. LCD экраны және шамдары бар цифрлық камералар 1 А-дан астам ток тарта алады, оларды тез тоздырады. NiMH элементтері осы деңгейдегі токты сыйымдылықты айтарлықтай жоғалтпай жеткізе алады, бірақ олар әлдеқайда қымбат. Олар сондай-ақ жоғары кернеуді (3,2–3,7 В номиналды) шығарады, сондықтан кернеуді төмендету схемасы болмаса, сілтілік батареяларды тікелей алмастыру мүмкін емес. 2005 жылғы мәліметтер бойынша, никель-металл гидридті аккумуляторлар аккумулятор нарығының үш пайызын құрады. Алғашқы толық электрлік көліктерге General Motors EV1, бірінші буын Toyota RAV4 EV, Honda EV Plus, Ford Ranger EV және Vectrix скутері кірді. Бірінші буынның барлық гибридтік көліктері NiMH аккумуляторларын қолданды, ең танымалдары Toyota Prius және Honda Insight, сондай-ақ кейінірек шыққан Ford Escape Hybrid, Chevrolet Malibu Hybrid және Honda Civic Hybrid модельдері де оларды пайдаланды.

Патент мәселелері

Стенфорд Р. Овшинский NiMH батареясын жетілдіріп, патенттеді және 1982 жылы Ovonic Battery Company компаниясын құрды. General Motors 1994 жылы Ovonics компаниясының патентерін сатып алды. 1990 жылдардың соңында NiMH аккумуляторлары General Motors EV1 және Dodge Caravan EPIC минивэны сияқты көптеген толыққанды электрлік көліктерде сәтті қолданылды. Бұл буын электрлік көліктер сәтті болғанымен, күрт нарықтан алынып тасталды. 2000 жылдың қазан айында патент Texaco-ға сатылды, ал бір аптадан кейін Texaco компаниясын Chevron сатып алды. Chevron-ның Cobasys еншілес компаниясы осы батареяларды тек ірі OEM тапсырыстарына ғана жеткізеді. General Motors EV1 өндірісін тоқтатты, себебі батарея жетіспеушілігі басты кедергі болды. Cobasys компаниясының NiMH батареяларын бақылауы автомобильдерге арналған NiMH батареяларына патенттік кедергі келтірді.