...
Що таке нікель-металогідридний акумулятор Ключові принципи, використання та майбутні тенденції

Що таке нікель-металогідридні акумулятори? Ключові принципи, застосування та майбутні тенденції

Оскільки енергетичні технології продовжують розвиватися, енергетична Акумулятор NiMH (нікель-метал-гідридні акумулятори) залишаються життєво важливим рішенням у сфері зберігання енергії, що перезаряджається. Відомі своїм балансом безпеки, продуктивності та екологічності, нікель-металогідридні акумулятори відіграють важливу роль у гібридних транспортних засобах та побутовій електроніці.

У цій статті ми розглянемо, що таке нікель-металогідридний акумулятор, його структуру, принцип роботи, класифікацію, ключові переваги та обмеження, практичне застосування в автомобілях та електронних пристроях, а також потенціал його розвитку в майбутньому.

Зміст
</img
YouTube_play_button_icon_(2013–2017).svg

Що таке NiMH акумулятори

Нікель-метал-гідридні (NiMH) акумулятори - це тип вторинних акумуляторів, відомих своєю високою щільністю енергії та екологічністю. На відміну від первинних (одноразових) акумуляторів, NiMH-батареї можуть проходити численні цикли заряджання та розряджання. Катод (позитивний електрод) складається з гідроксиду нікелю (Ni(OH)₂), тоді як анод (негативний електрод) використовує сплав металу, що поглинає водень, який зазвичай називають сплавом для зберігання водню.

Електроліт, як правило, являє собою концентрований розчин гідроксиду калію (KOH) (див. електроліт для літій-іонних акумуляторів), що полегшує транспортування іонів між електродами. Акумулятори NiMH накопичують і вивільняють енергію за допомогою оборотних електрохімічних реакцій, що робить їх ключовою технологією в ширшій сфері застосування водневої енергії.

Структура нікель-металогідридних акумуляторів

NiMH акумулятор складається з наступних частин:

  • Позитивний електрод: Зазвичай в якості матриці використовується нікелеве спікання або нікелева піна, а активним матеріалом є гідроксид нікелю (Ni(OH)₂).
  • Негативний електрод: Як активний матеріал використовується сплав для зберігання водню, який може оборотно поглинати і вивільняти атоми водню.
  • Діафрагма: Розташований між позитивним і негативним електродами, він використовується, щоб запобігти прямому контакту позитивного і негативного електродів між собою і викликати коротке замикання, дозволяючи при цьому іонам проходити через нього.
  • Електроліт: Зазвичай розчин гідроксиду калію (KOH), що забезпечує середовище для передачі іонів.
  • Кожух: Використовується для інкапсуляції внутрішніх компонентів акумулятора, забезпечення захисту і запобігання витоку електроліту.
Конструкція та ключові компоненти NiMH акумулятора

Принцип роботи NiMH акумулятора

Принцип роботи нікель-металогідридного акумулятора заснований на оборотній електрохімічній реакції. Під час процесу заряджання та розряджання іони водню рухаються між позитивним та негативним електродами, таким чином здійснюючи накопичення та вивільнення енергії.

Рівняння хімічної реакції заряду та розряду
Позитивний електрод: Ni(OH)₂ + OH- ⇌ NiOOH + H₂O + e-
Негативний електрод: M + H₂O + e- ⇌ MHab + OH-
Повна реакція: Ni(OH)₂ + M ⇌ NiOOH + MH

Примітка: M - сплав для зберігання водню, а Hab - адсорбовані атоми водню.

Під час заряджання електрична енергія, що надходить від зовнішнього джерела живлення, запускає електрохімічну реакцію, і гідроксид нікелю на позитивному електроді втрачає електрони, проходить реакцію окислення і утворює кисень високовалентного гідроксиду нікелю. У той же час сплав, що накопичує водень на негативному електроді, поглинає іони водню, утворюючи гідрид металу. Цей процес перетворює електричну енергію в хімічну і зберігає її в акумуляторі.

Під час розряду зовнішній ланцюг підключається, і електрохімічна реакція протікає в зворотному напрямку. Гідрид металу вивільняє іони водню, які беруть участь у реакції відновлення на позитивному електроді і відновлюють гідроксид високовалентного нікелю до гідроксиду низьковалентного нікелю. Цей процес перетворює хімічну енергію в електричну для забезпечення живлення зовнішнього ланцюга.

Класифікація та характеристики NiMH акумуляторів

NiMH акумулятори можна розділити на високовольтні NiMH акумулятори та низьковольтні NiMH акумулятори відповідно до їх робочої напруги та сфер застосування.

Низьковольтні NiMH акумулятори

Низьковольтними NiMH акумуляторами зазвичай називають батареї з напругою 1,2 або 1,3 В, що еквівалентно напрузі традиційних NiCd акумуляторів. Цей тип акумуляторів має наступні характеристики:

  • Стабільна напруга: Робоча напруга подібна до напруги нікель-кадмієвих батарей і легко замінюється.
  • Висока щільність енергії: The щільність енергії батареї більш ніж у 1,5 рази більше, ніж у NiCd акумуляторів, що може забезпечити довший термін служби батареї.
  • Швидка зарядка та розрядка: Його можна швидко заряджати та розряджати, щоб задовольнити різні вимоги до застосування.
  • Хороші низькотемпературні характеристики: Він все ще може підтримувати хорошу продуктивність в умовах низьких температур.
  • Хороша герметизація: З нього можна зробити герметичну батарею, щоб запобігти витоку електроліту.
  • Стійкість до перезарядження та розрядження: Він має сильну перезаряд акумулятора та захист від перезарядження.
  • Безпечний і надійний: Не забруднює навколишнє середовище, не містить токсичних речовин і не має ефекту пам'яті.
Типи NiMH акумуляторів Високовольтні та низьковольтні

Високовольтний NiMH акумулятор

Високовольтний нікель-металогідридний акумулятор зазвичай відноситься до акумуляторів з більш високою напругою, наприклад, до нікель-металогідридних акумуляторних батарей, що використовуються в гібридних автомобілях. Цей тип акумуляторів має наступні характеристики:

  • Висока надійність: Має хороший захист від перерозряду і перезаряду, витримує високі швидкості заряду і розряду, не утворює дендритів.
  • Хороші питомі характеристики: Висока питома ємність - близько 60 А-год/кг, що в 5 разів більше, ніж у нікель-кадмієвих акумуляторів.
  • Тривалий термін служби: може виконувати тисячі циклів заряду і розряду.
  • Менше обслуговування: Повністю герметична конструкція зменшує потребу в технічному обслуговуванні.
  • Відмінні низькотемпературні характеристики: Ємність не змінюється в умовах низьких температур.

Переваги та недоліки нікель-металогідридних акумуляторів

Переваги: Переваги
 
  • Високий рівень безпеки: NiMH акумулятори мають низький ризик теплового розряду (дізнайтеся більше літій-іонний акумулятор з тепловим розрядом) і високу стійкість до перезарядження і перерозрядження.
  • Екологічно чистий: не містить токсичних речовин і менше забруднює навколишнє середовище.
  • Висока щільність енергії: Порівняно з нікель-кадмієвими акумуляторами, вони мають вищу щільність енергії і можуть забезпечити довший час автономної роботи.
  • Широка температурна адаптивність: Він може нормально працювати в діапазоні температур від -30℃ до 60℃.

Недоліки: Недоліки

  • Відносно низька щільність енергії: Порівняно з літій-іонними акумуляторами, має нижчу щільність енергії, що обмежує її застосування в чисто електричних транспортних засобах.
  • Існує "ефект пам'яті": Зарядка до повного розряду призведе до тимчасового зниження ємності.
  • Висока швидкість саморозряду: Якщо не використовується, заряд поступово розряджається.
  • Висока ціна: Порівняно з нікель-кадмієвими акумуляторами, вони дорожчі.
Застосування NiMH акумуляторів у гібридних електромобілях (HEV)

Застосування NiMH акумуляторів в автомобілях

Застосування нікель-металогідридних акумуляторів в автомобілях в основному зосереджено в області гібридних електромобілів (HEV). Завдяки відмінній безпеці та широкій температурній адаптивності, нікель-металогідридні акумулятори стали ідеальним вибором для гібридних транспортних засобів. Toyota Prius є типовим представником застосування NiMH акумуляторів в автомобільній галузі. Більша частина її сукупних продажів з більш ніж 15 мільйонів гібридних транспортних засобів використовує NiMH акумуляторні системи.

Однак зі стрімким розвитком технології літієвих батарей і постійним зниженням вартості частка NiMH-акумуляторів у нових енергетичних транспортних засобах поступово зменшується. З 95% у 2005 році до менш ніж 5% у 2023 році вона в основному використовується в деяких японських гібридних моделях.

Застосування NiMH акумуляторів у побутовій електроніці

Незважаючи на зниження частки нових енергетичних транспортних засобів, нікель-металогідридні акумулятори все ще зберігають певну частку ринку в галузі побутової електроніки. У таких сферах, як акумуляторні батареї АА/ААА, нікель-металгідридні акумулятори все ще займають близько 30% частки ринку. Крім того, в спеціальних сценаріях застосування, таких як супутники і медичне обладнання, NiMH-батареї, як і раніше, займають незамінну позицію завдяки своїй стабільності і безпеці.
Використання NiMH акумуляторів у повсякденних електронних пристроях

Майбутні тенденції розвитку NiMH акумуляторів

З розвитком науки і техніки, технологія NiMH акумуляторів також постійно розвивається. Майбутні тенденції розвитку в основному зосереджені в наступних аспектах:

  • Підвищення щільності енергії: Покращуючи матеріали позитивних і негативних електродів та електролітів, можна підвищити щільність енергії
  • Акумулятори NiMH можна вдосконалити, щоб зробити їх конкурентоспроможними у сфері чистого електротранспорту.
  • Зменшити витрати: Оптимізуючи виробничі процеси та використовуючи дешевші матеріали, можна знизити собівартість NiMH-акумуляторів, що зробить їх більш привабливими у сфері побутової електроніки.
  • Подовження терміну служби: Подовження терміну служби акумуляторів NiMH за рахунок оптимізації конструкції батареї та контролю за процесом заряду і розряду (розуміння Життєвий цикл літій-іонної батареї).
  • Розробка нових сплавів для зберігання водню: Розробляйте сплави для зберігання водню з більшою ємністю для зберігання водню та кращою стабільністю циклу, щоб покращити продуктивність нікель-металогідридних акумуляторів.

Висновок

Як зріла акумуляторна технологія, нікель-металогідридні акумулятори відіграють важливу роль у гібридних транспортних засобах, побутовій електроніці та інших сферах. Незважаючи на конкуренцію з боку літієвих батарей, нікель-металогідридні акумулятори все ще мають певний ринковий простір завдяки своїм перевагам, таким як висока безпека, екологічність та широка температурна адаптивність. Очікується, що з постійним розвитком технологій нікель-металогідридні акумулятори і надалі відіграватимуть свою унікальну роль у майбутньому та робитимуть внесок у сферу зберігання та застосування енергії.

ПОШИРЕНІ ЗАПИТАННЯ

Основні відмінності між нікель-металогідридними та літієвими акумуляторами - це щільність енергії, термін служби, вартість та ефект пам'яті. Літієві батареї мають вищу щільність енергії та меншу вагу, але вищу вартість; в той час як NiMH батареї безпечніші та дешевші, але мають певний ефект пам'яті та проблеми з саморозрядом.

Зазвичай нікель-металогідридні акумулятори можна заряджати від 500 до 1000 разів, залежно від марки акумулятора, умов використання та звичок заряджання і розряджання. Високоякісні нікель-металогідридні акумулятори з низьким рівнем саморозряду можуть досягти тривалого терміну служби за умови правильного використання.

Нові нікель-металогідридні акумулятори не потрібно активувати, але зазвичай рекомендується виконати перші кілька циклів заряджання і розряджання (повністю зарядити, а потім використовувати до повного виснаження акумулятора), щоб досягти найкращої ємності.

Так, NiMH акумулятори мають невеликий ефект пам'яті, але він набагато менший, ніж у NiCd акумуляторів. Щоб уповільнити ефект пам'яті, рекомендується час від часу (наприклад, раз на місяць) проводити глибоку розрядку і перезарядку акумулятора.

Час заряджання залежить від сили струму зарядного пристрою. Як правило, для повної зарядки за допомогою стандартного зарядного пристрою потрібно приблизно 6-8 годин, а за допомогою швидкого зарядного пристрою можна повністю зарядитися за 1-3 години. Рекомендується використовувати зарядний пристрій з функцією інтелектуального контролю, щоб запобігти перезарядці.

Не рекомендується змішувати. Лужні батареї та NiMH батареї мають різні характеристики напруги та розряду. Їх змішування призведе до погіршення продуктивності батареї і навіть може спричинити витік або пошкодження пристрою.
Зображення Chase Wu
Чейз Ву
Чейз - галузевий експерт і незалежний аналітик, що спеціалізується на системах заміни батарей для електричних дво- і триколісних транспортних засобів. Його експертиза охоплює технології літій-іонних акумуляторів, інтелектуальну інфраструктуру для заміни батарей та застосування електромобілів, з особливим акцентом на реальному впровадженні, динаміці ринку та довгостроковому розвитку галузі.
Всі публікації
Пов'язана публікація