лекция 6. никель металлгидридные аккумуляторы

1. Химические источники энергии
Лекция 6. Никель-металлгидридные аккумуляторы

2. План лекции
2
 Предшественники
 Устройство
 Электрохимические реакции
 Побочные процессы
 Применение
Козадеров О.А. 2015

3. Образцы
никель-металлгидридных (Ni-MH) аккумуляторов
3 Козадеров О.А. 2015

4. Предшественники:
никель-кадмиевый и никель-железный аккумуляторы
Ni-Cd; Ni - Fe
Вальдемар Юнгнер (Швеция, 1899 г.)
Ni - Fe
Томас Эдисон (США, 1901 г.)
Козадеров О.А. 20154

5. Компоненты НК- и НЖ-аккумуляторов
5
 Положительный электрод – NiOOH
 с добавкой графита
 Отрицательный электрод – Cd или Fe
 в отличие от кадмия железо подвергается коррозии
 Электролит
 20-22% водный раствор KOH
 Электрохимическая система
(–) Cd или Fe | KOH | NiOOH (+)
Козадеров О.А. 2015

6. Электрохимические процессы
6
 Парциальные электродные реакции
(+) NiOOH + H2O + e– = Ni(OH)2 + OH- (E0 = 0.49 B)
(-) Me + 2OH- = Me(OH)2 + 2e–
(ECd
0 = -0.81 B, EFe
0 = -0.88 B)
 Суммарная токообразующая реакция
2NiOOH + 2H2O + Me = 2Ni(OH)2 + Me(OH)2
Me = Cd или Fe
Козадеров О.А. 2015

7. Образцы НК- и НЖ-аккумуляторов
7 Козадеров О.А. 2015

8. Устройство: рулонная конструкция
Козадеров О.А. 20158

9. Применение НК-аккумуляторов:
первые компактные компьютеры
9
Предок нынешних сверхкомпактных
персональных компьютеров –
Epson HX-20 (1981 г.)
Козадеров О.А. 2015

10. Применение НК-аккумуляторов:
первые мобильные телефоны
 Первый «народный»
GSM-телефон Nokia 1011
(1992 г.)
10 Козадеров О.А. 2015

11. Применение НЖ-аккумуляторов
Первые электромобили
1915 Detroit Electric Model 61
Электровозы,
электропогрузчики
Козадеров О.А. 201511

12. Эффект памяти
Козадеров О.А. 201512
Структура электрода нового
NiCd аккумулятора
Структура электрода NiCd
аккумулятора после
систематического
недоразряда

13. Конструкция Ni-MH-аккумулятора
13
 Положительный электрод
 NiOOH
 Отрицательный электрод
 Металлический сплав (M), который может обратимо поглощать
водород (образуя гидрид MH) и десорбировать его
 Примеры сплавов: LaNi5; TiFe; Mg2Ni
 Электролит
 26-31 % водный раствор KOH
 Электрохимическая система
(–) MH| KOH | NiOOH (+)
Козадеров О.А. 2015http://www.youtube.com/watch?v=NV_CBLxIczc

14. Электрохимические процессы
14
 Парциальные электродные реакции
Положительный электрод:
NiOOH + H2O + e – = Ni(OH)2 + OH- (E0 = 0.49 B)
Отрицательный электрод:
MH + OH- = M + H2O + e – (E0  -0.9 B)
 Суммарная токообразующая реакция
NiOOH + MH = Ni(OH)2 + M
Козадеров О.А. 2015

15. Схема работы Ni-MH-аккумулятора
Козадеров О.А. 201515

16. Побочные процессы:
перезаряд аккумулятора
Козадеров О.А. 201516
 реакция на положительном электроде:
 следствие: повышается внутреннее давление, рабочая
температура устройства, высыхает электролит
 как предотвратить: количество активного материала на
отрицательном электроде больше, чем на положительном
 при этом выделяющийся на положительном электроде
кислород поглощается отрицательным электродом:
4MH + O2 = 4M + 2H2O
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH–
2 24OH O 2H O 4e 
  

17. Побочные процессы:
глубокий разряд аккумулятора
1) Истощение материала
положительного электрода
NiOOH + H2O + e = Ni(OH)2 + OH-
2H2O + 2e– = H2 + 2OH–
Козадеров О.А. 201517

18. Козадеров О.А. 201518

19. Побочные процессы:
глубокий разряд аккумулятора
1) Истощение материала
положительного электрода
2) Истощение материала
отрицательного электрода
NiOOH + H2O + e = Ni(OH)2 + OH-
2H2O + 2e– = H2 + 2OH–
MH + OH- = M + H2O + e-
4OH– = O2 + 2H2O + 4e–
Козадеров О.А. 201519
Следствия:
интенсивное газовыделение на электродах,
резкое повышение внутреннего давления

20. Саморазряд
Козадеров О.А. 201520
 Причины:
 коррозия отрицательного электрода
 высыхание электролита
 рекристаллизация активных масс (см. эффект памяти)

21. Применение
Аккумуляторы высокой
емкости
Аккумуляторы низкой
емкости
 устройства с высоким
потреблением энергии в
течение короткого
времени
 электроинструмент
 фотоаппарат
 плеер
 радиоуправляемые
модели
 устройства
периодического
использования
 ручные фонари
 GPS-навигаторы
 игрушки
 рации
Козадеров О.А. 201521

22. Задание
Козадеров О.А. 201522
1. Запишите уравнения брутто-реакций, протекающих в
ходе заряда
a) никель-кадмиевого,
b) никель-железного и
c) никель-металлгидридного аккумуляторов
2. Рассчитайте
a) максимальное разрядное и
b) минимальное зарядное напряжение этих аккумуляторов.
Примите, что суммарная электродная поляризация равна
0,1 В как при разряде, так и при разряде устройств.