Una batería de níquel-hidrógeno (NiH 2 o Ni-H 2 ) es una fuente de energía electroquímica recargable basada en níquel e hidrógeno . [5] Se diferencia de una batería de níquel-hidruro metálico (NiMH) por el uso de hidrógeno en forma gaseosa, almacenado en una celda presurizada a una presión de hasta 1200 psi (82,7 bar ). [6] La batería de níquel-hidrógeno fue patentada el 25 de febrero de 1971 por Alexandr Ilich Kloss y Boris Ioselevich Tsenter en los Estados Unidos. [7]
Energía específica | 55-75 W · h / kg [1] [2] |
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Densidad de energia | ~ 60 W · h / L [2] |
Poder especifico | ~ 220 W / kg [3] |
Eficiencia de carga / descarga | 85% |
Durabilidad del ciclo | > 20.000 ciclos [4] |
Las celdas de NiH 2 que utilizan hidróxido de potasio (KOH) al 26% como electrolito han mostrado una vida útil de 15 años o más al 80% de profundidad de descarga (DOD) [8] La densidad de energía es 75 Wh / kg , 60 Wh / dm 3 [2] potencia específica 220 W / kg. [3] La tensión en circuito abierto es de 1,55 V , la tensión media durante la descarga es de 1,25 V. [9]
Si bien la densidad de energía es solo alrededor de un tercio de la de una batería de litio , la virtud distintiva de la batería de níquel-hidrógeno es su larga vida: las celdas manejan más de 20,000 ciclos de carga [4] con 85% de eficiencia energética y 100% faradaica. eficiencia .
Las baterías recargables de NiH 2 poseen propiedades que las hacen atractivas para el almacenamiento de energía eléctrica en satélites [10] y sondas espaciales . Por ejemplo, la ISS , [11] Mercury Messenger , [12] Mars Odyssey [13] y el Mars Global Surveyor [14] están equipados con baterías de níquel-hidrógeno. El Telescopio Espacial Hubble , cuando se cambiaron sus baterías originales en mayo de 2009 más de 19 años después del lanzamiento, lideró con el mayor número de ciclos de carga y descarga de cualquier batería NiH 2 [15] en órbita terrestre baja . [dieciséis]
Historia
El desarrollo de la batería de níquel-hidrógeno comenzó en 1970 en Comsat [17] y se utilizó por primera vez en 1977 a bordo del satélite de tecnología de navegación 2 (NTS-2) de la Marina de los Estados Unidos . [18] Actualmente, los principales fabricantes de baterías de níquel-hidrógeno son Eagle-Picher Technologies y Johnson Controls, Inc.
Caracteristicas
La batería de níquel-hidrógeno combina el electrodo positivo de níquel de una batería de níquel-cadmio y el electrodo negativo, incluidos el catalizador y los elementos de difusión de gas, de una celda de combustible . Durante la descarga, el hidrógeno contenido en el recipiente a presión se oxida en agua mientras que el electrodo de oxihidróxido de níquel se reduce a hidróxido de níquel. El agua se consume en el electrodo de níquel y se produce en el electrodo de hidrógeno, por lo que la concentración del electrolito de hidróxido de potasio no cambia. A medida que la batería se descarga, la presión del hidrógeno cae, proporcionando un indicador confiable del estado de carga. En una batería de satélite de comunicaciones, la presión a plena carga fue de más de 500 libras / pulgada cuadrada (3.4 MPa), cayendo a solo alrededor de 15 PSI (0.1 MPa) con descarga completa.
Si la celda está sobrecargada, el oxígeno producido en el electrodo de níquel reacciona con el hidrógeno presente en la celda y forma agua; como consecuencia, las células pueden soportar la sobrecarga siempre que se pueda disipar el calor generado. [ dudoso ]
Las células tienen la desventaja de una tasa de autodescarga relativamente alta, es decir, la reducción química de Ni (III) en Ni (II) en el cátodo:
que es proporcional a la presión de hidrógeno en la celda; en algunos diseños, el 50% de la capacidad se puede perder después de unos pocos días de almacenamiento. La autodescarga es menor a menor temperatura. [1]
En comparación con otras baterías recargables, una batería de níquel-hidrógeno proporciona una buena energía específica de 55-60 vatios-hora / kg y un ciclo de vida muy largo (40.000 ciclos al 40% DOD) y vida útil (> 15 años) en aplicaciones satelitales. Las celdas pueden tolerar la sobrecarga y la inversión accidental de polaridad, y la presión de hidrógeno en la celda proporciona una buena indicación del estado de carga. Sin embargo, la naturaleza gaseosa del hidrógeno significa que la eficiencia de volumen es relativamente baja (60-100 Wh / L para una celda IPV (recipiente de presión individual)), y la alta presión requerida hace que los recipientes a presión sean de alto costo. [1]
El electrodo positivo está formado por una placa de níquel porosa sinterizada [20] seca , que contiene hidróxido de níquel . El electrodo de hidrógeno negativo utiliza un catalizador negro de platino unido a teflón con una carga de 7 mg / cm2 y el separador es una tela de zirconia tejida (ZYK-15 Zircar). [21] [22]
Las baterías de repuesto del Hubble se producen con un proceso de suspensión húmeda en el que un agente aglutinante y materiales metálicos en polvo se moldean y calientan para evaporar el líquido. [23]
Diseños
- El diseño de recipiente a presión individual (IPV) consta de una sola unidad de celdas de NiH 2 en un recipiente a presión. [24]
- El diseño de recipiente a presión común (CPV) consta de dos pilas de celdas de NiH 2 en serie en un recipiente a presión común. El CPV proporciona una energía específica ligeramente superior a la IPV.
- El diseño de recipiente de presión única (SPV) combina hasta 22 celdas en serie en un recipiente de presión único.
- El diseño bipolar se basa en electrodos gruesos , de positivo a negativo apilados en un SPV. [25]
- El diseño de celda de recipiente de presión dependiente (DPV) ofrece una energía específica más alta y un costo reducido. [26]
- El recipiente de presión común / dependiente (C / DPV) es un híbrido del recipiente de presión común (CPV) y el recipiente de presión dependiente (DPV) con una alta eficiencia volumétrica. [27]
Ver también
- Lista de tipos de baterías
- Lista de tamaños de batería
- Comparación de tipos de baterías
- Batería de hidruro metálico de níquel
- Relación peso-potencia
- Recipiente a presión
- Cronología de las tecnologías de hidrógeno
- Baterías en el espacio
Referencias
- ^ a b c David Linden, Thomas Reddy (ed.) Manual de baterías Tercera edición , McGraw-Hill, 2002 ISBN 0-07-135978-8 Capítulo 32, "Baterías de hidrógeno de níquel"
- ^ a b c Sistemas de energía de naves espaciales Pag.9
- ^ a b NASA / CR — 2001-210563 / PART2 -Pag.10 Archivado el 19 de diciembre de 2008 en la Wayback Machine.
- ^ a b Actualización de cinco años: encuesta de la industria del hidrógeno y níquel
- ^ Un modelo simplificado basado en la física para la batería de níquel-hidrógeno
- ^ Práctica de almacenamiento y manipulación de baterías de naves espaciales de níquel-hidrógeno
- ^ Celda de almacenamiento de níquel-hidrógeno herméticamente sellada Patente de EE. UU. 3669744
- ^ Electrolito de hidróxido de potasio para misiones geosincrónicas de níquel-hidrógeno a largo plazo
- ^ Optimización de los subsistemas de energía eléctrica de las naves espaciales -Pág.40
- ^ Caracterización de células Ni-H 2 para programas INTELSAT
- ^ Validación del modelo de rendimiento eléctrico de la Estación Espacial Internacional mediante telemetría en órbita. Archivado el 18 de febrero de 2009 en Wayback Machine.
- ^ http://www.nasa.gov/pdf/168019main_MESSENGER_71504_PressKit.pdf
- ^ Un sistema de energía de una sola batería, liviano y de alta confiabilidad para naves espaciales interplanetarias
- ^ Mars Global Surveyor Archivado el 10 de agosto de 2009 en la Wayback Machine.
- ^ Telescopio espacial Hubble que da servicio a las baterías de la misión 4
- ^ Impacto de la confiabilidad de NiH 2 en el reemplazo de la batería del telescopio espacial Hubble
- ^ "Tecnología de baterías de níquel-hidrógeno: desarrollo y estado" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 18 de marzo de 2009 . Consultado el 29 de agosto de 2012 .
- ^ NTS-2 de níquel-hidrógeno Rendimiento de la batería 31 Archivado 2009-08-10 en la Wayback Machine
- ^ Baterías de la misión 4 de mantenimiento del telescopio espacial Hubble
- ^ Comparación de rendimiento entre celdas de electrodo de lechada y sinterizado seco de NiH 2
- ^ [1] Archivado el 17 de agosto de 2008 en la Wayback Machine .
- ^ Baterías de níquel-hidrógeno
- ^ Telescopio espacial Hubble que da servicio a las baterías de la misión 4
- ^ Baterías de níquel-hidrógeno: una descripción general Archivado el 12 de abril de 2009 en la Wayback Machine.
- ^ Desarrollo de una batería NiH 2 bipolar a gran escala .
- ^ Recipiente de presión dependiente de 1995 (DPV)
- ^ Baterías de níquel-hidrógeno de recipiente de presión común / dependiente
Otras lecturas
- Albert H. Zimmerman (ed.), Principios y práctica de las baterías de níquel-hidrógeno , The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9 .
enlaces externos
- Descripción general del diseño, desarrollo y aplicación de baterías de níquel-hidrógeno
- Baterías de níquel-hidrógeno implantables para aplicaciones de bioenergía
- Manual de la NASA para baterías de níquel-hidrógeno
- Una batería de níquel / hidrógeno para sistemas fotovoltaicos terrestres
- Una batería de níquel-hidrógeno microfabricada que utiliza técnicas de impresión de película gruesa