RUSENG

Основные типы продукцииНаправления деятельностиПрименениеУслугиОформить заказ

Научно-Исследовательский проектно-конструкторский и технологический Аккумуляторный Институт

Контакты
Каталог
Компания
Главная
   

Никель-металлгидридные аккумуляторы И БАТАРЕИ НА ИХ ОСНОВЕ

Развитие техники в 90-е годы и появление новых конструкционных и электродных материалов обусловили создание никель-металлгидридных аккумуляторов (НМГ), которые обладают рядом достоинств перед неуклонно устаревающими никель-кадмиевым аккумуляторам (НК).

Преимуществами НМГ являются:

  • Взаимозаменяемость с НК по габаритам и электрическим параметрам в стандартных типоразмерных рядах малогабаритных дисковых, цилиндрических и призматических аккумуляторов
  • Удельная энергия на 50-80 % по массе и на 60-100 % по объему выше, чем у НК
  • Минимальный срок службы (по циклам) примерно в 2 раза больше, чем у НК
  • В конструкции не используются токсичные соединения кадмия.

Также, характеристики НМГ вполне сопоставимы, а по ряду параметров превосходят характеристики никель-водородных аккумуляторов (НВ):

  • При практически одинаковых удельных массовых и ресурсных характеристиках НМГА в 4-5 раз превосходит НВА по удельной объемной энергии
  • Предельное рабочее давление в НМГА не превышает 0,15 Мпа против 5-8 Мпа для НВА
  • Батареи НМГА не нуждаются в сложных специальных устройствах обеспечения теплового режима
  • Скорость саморазряда НМГ на порядок меньше скорости саморазряда НВ.

Фактически НМГА являются источниками тока, очень удачно сочетающими в себе высокую удельную энергию и долговечность НВ и конструктивную простоту НК.

Несмотря на быстрый рост производства малогабаритных НМГ [1], предложение призматических герметичных аккумуляторов емкостью свыше 10 Ач довольно ограниченно, причем, как правило, речь идет о герметизированных, а не о герметичных НМГ. Очевидно, что существует некий фактор, препятствующий реализации несомненных преимуществ НМГ перед другими щелочными аккумуляторами.

Согласно проведенным в ОАО "НИАИ "Источник" исследованиям предполагается, что причина относительно слабого продвижения призматических герметичных НМГ большой емкости является концепция построения аккумуляторов и батарей на их основе. Все ведущие фирмы мира, разрабатывающие НМГ, исходят из постулата, что НМГ – это никель-кадмиевый аккумулятора (НК), в котором отрицательный кадмиевый электрод заменен металлгидридным. Данное положение вполне справедливо для малогабаритных (цилиндрических и дисковых) аккумуляторов, что подтверждается широкой практикой их успешной эксплуатации в портативной аппаратуре. Однако при переходе к призматической конструкции НМГ с емкостью более 10 Ач наблюдается заметное ухудшение емкостных, тепловых и ресурсных характеристик по сравнению с ожидаемыми.

В ОАО "НИАИ "Источник" разработана и экспериментально проверена концепция построения НМГ, исходящая из положения, что НМГ – это никель-водородный аккумулятор низкого давления, в котором отрицательный газодиффузионный водородный электрод заменен абсорбционным металлгидридным электродом.

Работа НМГ в данной концепции основана на электрохимической реакции:

Ni(OH)2 + Ме       NiOOH + МеН (1)

Водородабсорбирующий сплав (ВАС), применяемый в качестве отрицательного электрода, представляет собой сложное интерметаллическое соединение кристалллического типа АВ5, где А - лантан или комбинация редкоземельных металлов, В - никель и различные активирующие добавки. При заряде электрода, содержащего ВАС, происходит восстановление воды, но газообразный водород при этом не выделяется, а остается в сплаве в виде твердого раствора:

Ме + Н2О + е- -> МеH + ОН- (2)

При перезаряде положительный электрод продолжает заряжаться, на отрицательном электроде начинает выделяться водород, и давление в НМГ растет. Рост давления легко использовать в качестве сигнала на прекращение заряда. Очевидно, что при этом в аккумуляторе отсутствует кислород, не происходит бесполезных тепловых потерь, а подаваемая электрическая энергия эффективно используется. Действительно, КПД по энергии аккумуляторов производства ОАО "НИАИ "Источник" превышает 0,9 при глубине разряда до 30 % и 0,8 при глубине разряда 80 %.

При разряде происходит окисление абсорбированного водорода непосредственно в твердой фазе, т.е. рабочее давление в НМГ определяется величиной равновесного давления водорода над ВАС, которое при нормальной температуре не превышает 0,05 МПа. Данное обстоятельство обеспечивает скорость саморазряда НМГ, сравнимую с саморазрядом НК и значительно меньшую, чем у НВА высокого давления. После 30 суток хранения в заряженном состоянии потеря емкости НМГ не превышает 20-30 %. Кроме того, в НМГ конструкции ОАО "НИАИ "Источник" при переразряде (переполюсовании) на положительном электроде выделяется водород, рост давления которого также может использоваться для выдачи сигнала на прекращение разряда. Таким образом, предложенная концепция обеспечивает длительный срок службы, высокую энергетическую эффективность и простые и надежные контроль и управление работой батареи НМГ, не зависящие от условий эксплуатации и срока службы.

Данные преимущества обеспечиваются избытком емкости положительных электродов, составляющим суть излагаемой концепции. Следует отметить, что такой подход имеет еще два существенных достоинства.

Во-первых, наличие в газовой фазе НМГ только водорода, являющегося фактически активной массой, позволяет изготавливать батареи из аккумуляторов, соединенных общей газовой магистралью, по опыту никель-водородных батарей с общим газовым пространством, что значительно упрощает контроль состояния батареи. При этом для исключения перезаряда и переразряда достаточно иметь в батарее только один датчик давления.

Во-вторых, типоразмерный ряд НМГ в интервале, по крайней мере, от 10 до 100 Ач становится технологически гомологичным, т.е. обеспечивается унифицированной общей технологической схемой. При этом меняются только количественные параметры операций и методик, и не происходит качественных скачков, требующих дополнительных операций или оборудования.

Процессы электрохимической абсорбции-окисления водорода обладают высокой степенью обратимости практически со 100 % выходом по току и могут обеспечить несколько тысяч циклов "заряд-разряд".

Отрицательный электрод НМГ изготавливается намазкой пасты из порошка ВАС и связующих добавок на высокопористый токопроводящий каркас из никеля с последующим прессованием или прокаткой.

В качестве положительного электрода используется оксидноникелевый электрод на никелевой каркасной основе. Паста для намазки такого электрода изготавливается на основе сферического гидроксида никеля с активирующими добавками и органическим связующим.

Особый интерес представляют теплофизические характеристики НМГ. Термодинамический анализ основной электрохимической реакции показывает, что НМГ, в отличие от большинства электрохимических вторичных источников тока, при заряде выделяет тепло, а при разряде – поглощает, т.е. тепловые потери более равномерно распределяются при циклировании. Это обстоятельство заметно упрощает задачу оптимизации терморегулирования батареи в условиях как газового, так и контактного охлаждения.

Несмотря на существующие технологические сложности в реализации полного потенциала НМГ большой емкости, можно с уверенностью утверждать, что никель-металлгидридные аккумуляторы являются весьма перспективным направлением в современной автономной энергетике. Одной из таких областей является энергообеспечение космических аппаратов с помощью НМГ. Используя свой научно-производственный потенциал, компания ОАО "НИАИ "Источник" изготовила НМГ, соответствующие техническим заданиям ряда предприятий Российского Авиационно-Космического Агентства. Кроме этого, разработана серия призматических никель-металлгидридных аккумуляторов, с характеристиками которой можно ознакомиться в разделе «Производство».

Литература.

1. А.А.Таганова, И.А.Пак. Герметичные химические источники тока, Химиздат, Спб, 2003.

Руководитель отдела никель-металлгидридных и

никель-водородных аккумуляторов,

кандидат технических наук,

Шохор А. Б.