Batería de níquel-hidrógeno
Tipo de batería recargable
Batería de níquel-hidrógeno
Esquema de una batería de níquel-hidrógeno
Energía específica55-75 Wh / kg [1] [2]
Densidad de energía~ 60 Wh / L [2]
Potencia específica~ 220 W/kg [3]
Eficiencia de carga/descarga85%
Durabilidad del ciclo>20.000 ciclos [4]

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 en los Estados Unidos el 25 de febrero de 1971 por Alexandr Ilich Kloss, Vyacheslav Mikhailovic Sergeev y Boris Ioselevich Tsenter de la Unión Soviética. [7]

Las celdas NiH 2 que utilizan hidróxido de potasio (KOH) al 26 % como electrolito han demostrado una vida útil de 15 años o más con una profundidad de descarga (DOD) del 80 % [8] La densidad de energía es de 75  Wh / kg , 60 Wh/dm 3 [2] potencia específica 220 W/kg. [3] El voltaje de circuito abierto es de 1,55  V , el voltaje promedio durante la descarga es de 1,25 V. [9]

Si bien la densidad energética 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 útil: las celdas manejan más de 20.000 ciclos de carga [4] con un 85% de eficiencia energética y un 100% de eficiencia faradaica .

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 Mars Global Surveyor [14] están equipadas 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 de NiH 2 [15] en órbita terrestre baja . [16]

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 EE. UU. [18] En la actualidad, los principales fabricantes de baterías de níquel-hidrógeno son Eagle-Picher Technologies y Johnson Controls, Inc.

Características

Baterías de níquel-hidrógeno para el Hubble [19]

La batería de níquel-hidrógeno combina el electrodo positivo de níquel de una batería de níquel-cadmio y el electrodo negativo, que incluye el catalizador y los elementos de difusión de gas, de una pila de combustible . Durante la descarga, el hidrógeno contenido en el recipiente de 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, lo que proporciona un indicador confiable del estado de carga. En una batería de satélite de comunicaciones, la presión a plena carga era de más de 500 libras/pulgada cuadrada (3,4 MPa), cayendo a solo alrededor de 15 PSI (0,1 MPa) en la descarga completa.

Si la celda se sobrecarga, el oxígeno producido en el electrodo de níquel reacciona con el hidrógeno presente en la celda y forma agua; como consecuencia, las celdas pueden soportar la sobrecarga siempre que se pueda disipar el calor generado. [ dudoso – discutir ]

Las celdas tienen la desventaja de una tasa de autodescarga relativamente alta, es decir, la reducción química de Ni(III) a Ni(II) en el cátodo:

NiOH + 1 2 yo 2 ↽ − − ⇀ Ni ( OH ) 2 ⋅ {\displaystyle {\ce {NiOOH + 1/2H2 <=> Ni(OH)2.}}}

que es proporcional a la presión del hidrógeno en la celda; en algunos diseños, el 50% de la capacidad se puede perder después de sólo unos 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 una vida útil muy larga (40.000 ciclos al 40% de DOD) y una vida útil operativa (> 15 años) en aplicaciones satelitales. Las celdas pueden tolerar la sobrecarga y la inversión accidental de la 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 de presión sean de alto costo. [1]

El electrodo positivo está formado por una placa de níquel porosa sinterizada seca [20] , que contiene hidróxido de níquel . El electrodo de hidrógeno negativo utiliza un catalizador de platino negro unido con teflón a una carga de 7 mg/cm2 y el separador es una tela de zirconio tejida (ZYK-15 Zircar). [21] [22]

Las baterías de reemplazo del Hubble se producen con un proceso de suspensión húmeda donde un agente aglutinante y materiales metálicos en polvo se moldean y calientan para hervir el líquido. [23]

Diseños

  • El diseño de un recipiente a presión individual (IPV) consta de una sola unidad de celdas de NiH 2 en un recipiente a presión. [24]
  • El diseño de un recipiente a presión común (CPV) consta de dos pilas de celdas NiH2 en serie en un recipiente a presión común. El CPV proporciona una energía específica ligeramente superior a la del IPV.
  • El diseño de recipiente de presión único (SPV) combina hasta 22 celdas en serie en un solo recipiente de presión.
  • El diseño bipolar se basa en electrodos gruesos , apilados uno detrás del otro en un SPV, en posición positiva y negativa. [25]
  • El diseño de celdas de recipiente de presión dependiente (DPV) ofrece mayor energía específica 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]
  • Esquemas

Véase también

Referencias

  1. ^ abc David Linden, Thomas Reddy (ed.) Handbook of Batteries Third Edition , McGraw-Hill, 2002 ISBN  0-07-135978-8 Capítulo 32, "Baterías de níquel-hidrógeno"
  2. ^ abc Sistemas de energía de naves espaciales, página 9
  3. ^ ab NASA/CR—2001-210563/PART2 -Pag.10 Archivado el 19 de diciembre de 2008 en Wayback Machine.
  4. ^ Actualización de cinco años: encuesta sobre la industria del hidrógeno y el níquel
  5. ^ "Un modelo simplificado basado en la física para la batería de níquel-hidrógeno" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2016-03-03 . Consultado el 2008-10-25 .
  6. ^ Prácticas de almacenamiento y manipulación de baterías de níquel-hidrógeno para naves espaciales
  7. ^ Celda de almacenamiento de níquel-hidrógeno sellada herméticamente Patente de EE. UU. 3669744
  8. ^ "Electrolito de hidróxido de potasio para misiones geoestacionarias de níquel-hidrógeno a largo plazo" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2009-03-18 . Consultado el 2008-10-25 .
  9. ^ Optimización de subsistemas de potencia eléctrica de naves espaciales -Pag.40
  10. ^ Caracterización de celdas Ni-H2 para programas Intelsat
  11. ^ 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
  12. ^ NASA.gov
  13. ^ Un sistema de energía de batería única, liviano y de alta confiabilidad para naves espaciales interplanetarias
  14. ^ Mars Global Surveyor Archivado el 10 de agosto de 2009 en Wayback Machine
  15. ^ Misión de mantenimiento de baterías del telescopio espacial Hubble 4
  16. ^ Impacto de la confiabilidad del NiH2 en el reemplazo de la batería del telescopio espacial Hubble
  17. ^ "Tecnología de baterías de níquel-hidrógeno: desarrollo y estado" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2009-03-18 . Consultado el 2012-08-29 .
  18. ^ Rendimiento de la batería de níquel-hidrógeno NTS-2 31 Archivado el 10 de agosto de 2009 en Wayback Machine
  19. ^ Misión de mantenimiento de baterías del telescopio espacial Hubble 4
  20. ^ Comparación de rendimiento entre celdas de electrodos de lechada y sinterizados en seco de NiH2
  21. ^ [1] Archivado el 17 de agosto de 2008 en Wayback Machine .
  22. ^ Baterías de níquel-hidrógeno
  23. ^ Misión de mantenimiento de baterías del telescopio espacial Hubble 4
  24. ^ Baterías de níquel-hidrógeno: una descripción general Archivado el 12 de abril de 2009 en Wayback Machine
  25. ^ Desarrollo de una batería bipolar NiH2 a gran escala.
  26. ^ Recipiente a presión dependiente de 1995 (DPV)
  27. ^ Baterías de níquel-hidrógeno de recipientes a presión dependientes y comunes

Lectura adicional

  • Albert H. Zimmerman (ed), Principios y práctica de las baterías de níquel-hidrógeno , The Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9 . 
  • 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 mediante técnicas de impresión de película gruesa
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