Batería de níquel-hierro

Batería de níquel-hierro

Baterías de níquel-hierro fabricadas entre 1972 y 1975 bajo la marca “Exide” desarrollada originalmente en 1901 por Thomas Edison.
Energía específica	19–25 [1] Wh/kg
Densidad de energía	30 [2] Wh / L
Potencia específica	100 [3] W/kg
Eficiencia de carga/descarga	<65% [4]
Energía/precio al consumidor	1,5 [2] – 6,6 [3] Wh/ dólar estadounidense
Tasa de autodescarga	20% [2] [3] – 30% [3] /mes
Durabilidad en el tiempo	30 [4] – 50 años [2] [5]
Durabilidad del ciclo	La descarga profunda repetida no reduce significativamente la vida útil. [2] [4]
Voltaje nominal de la celda	1,2 V [3]
Intervalo de temperatura de carga	mín. −40 °C – máx.46 °C [6]

La batería de níquel-hierro (batería NiFe) es una batería recargable que tiene placas positivas de óxido-hidróxido de níquel (III) y placas negativas de hierro , con un electrolito de hidróxido de potasio . Los materiales activos se almacenan en tubos de acero niquelados o en bolsillos perforados. Es una batería muy robusta que tolera el abuso (sobrecarga, sobredescarga y cortocircuito) y puede tener una vida útil muy larga incluso si se trata de esa manera. ^[7] A menudo se utiliza en situaciones de respaldo donde se puede cargar continuamente y puede durar más de 20 años. Debido a su baja energía específica , mala retención de carga y alto costo de fabricación, otros tipos de baterías recargables han desplazado a la batería de níquel-hierro en la mayoría de las aplicaciones. ^[8]

Muchos vehículos ferroviarios utilizan baterías de NiFe. ^{[9] [10]} Algunos ejemplos son las locomotoras eléctricas del metro de Londres y los vagones del metro de la ciudad de Nueva York (R62A) .

La tecnología ha recuperado popularidad para aplicaciones fuera de la red donde la carga diaria la convierte en una tecnología apropiada . ^{[11] [12] [13]}

Se están investigando las baterías de níquel-hierro para su uso como baterías combinadas y electrólisis para la producción de hidrógeno para automóviles con pilas de combustible y su almacenamiento. Estos "batilizadores" podrían cargarse y descargarse como las baterías convencionales y producirían hidrógeno cuando estuvieran completamente cargadas. ^{[14] [15] [16]}

La capacidad de estas baterías para sobrevivir a ciclos frecuentes se debe a la baja solubilidad de los reactivos en el electrolito. La formación de hierro metálico durante la carga es lenta debido a la baja solubilidad del hidróxido ferroso . Si bien la lenta formación de cristales de hierro preserva los electrodos, también limita el rendimiento a alta velocidad: estas celdas se cargan lentamente y solo pueden descargarse lentamente. ^[7] Las celdas de níquel-hierro no deben cargarse con una fuente de voltaje constante, ya que pueden dañarse por una fuga térmica ; el voltaje interno de la celda cae a medida que comienza la gasificación, lo que aumenta la temperatura, lo que aumenta la corriente consumida y, por lo tanto, aumenta aún más la gasificación y la temperatura.

Reacción de semicelda en la placa positiva del hidróxido de óxido de níquel (III) negro NiO(OH) al hidróxido de níquel (II) verde Ni(OH) ₂  :

${\displaystyle {\ce {2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e- <=> 2 Ni(OH)2 + 2 OH-}}}$

y en la placa negativa:

${\displaystyle {\ce {Fe + 2 OH- <=> Fe(OH)2 + 2 e-}}}$

(La descarga se lee de izquierda a derecha, la carga de derecha a izquierda). ^[17]

El voltaje de circuito abierto es de 1,4 voltios, cayendo a 1,2 voltios durante la descarga. ^[7] La ​​mezcla de electrolitos de hidróxido de potasio e hidróxido de litio no se consume en la carga o descarga, por lo que a diferencia de una batería de plomo-ácido, la gravedad específica del electrolito no indica el estado de carga. ^[7] El voltaje necesario para cargar la batería de NiFe es igual o mayor a 1,6 voltios por celda. ^[18] La inclusión de hidróxido de litio mejora el rendimiento de la celda. El voltaje de carga de ecualización es de 1,65 voltios.

El inventor sueco Waldemar Jungner inventó la batería de níquel-cadmio en 1899. Jungner experimentó con la sustitución del cadmio por hierro en proporciones variables, incluido el 100% de hierro. Jungner descubrió que la principal ventaja sobre la química de níquel-cadmio era el costo, pero debido a la menor eficiencia de la reacción de carga y la formación más pronunciada de hidrógeno (gasificación), la tecnología de níquel - hierro se consideró deficiente y se abandonó. Jungner tenía varias patentes para la versión de hierro de su batería (patentes suecas n.º 8.558 ^{[ enlace muerto permanente ]} /1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 y patente alemana n.º 110.210 /1899). Además, tenía una patente para la batería de NiCd: patente sueca n.º 15.567/1899. ^[19]

En 1901, Thomas Edison patentó y comercializó NiFe en Estados Unidos ^[20] y lo ofreció como fuente de energía para vehículos eléctricos , como Detroit Electric y Baker Electric . Edison afirmó que el diseño de níquel-hierro era "muy superior a las baterías que utilizan placas de plomo y ácido" ( batería de plomo-ácido ). ^[21] Edison tenía varias patentes: patente estadounidense 678.722 /1901, patente estadounidense 692.507 /1902 y patente alemana n.º 157.290/1901. ^[19]

Edison estaba decepcionado de que su batería no fuera adoptada para arrancar motores de combustión interna, y de que los vehículos eléctricos dejaran de fabricarse sólo unos años después de que se introdujera su batería. Desarrolló la batería para que fuera la batería de elección ^[22] para los vehículos eléctricos , que eran el modo de transporte preferido a principios de la década de 1900 (seguido de la gasolina y el vapor). Las baterías de Edison tenían una densidad energética significativamente mayor que las baterías de plomo-ácido que se utilizaban en ese momento, y podían cargarse en la mitad del tiempo; sin embargo, su rendimiento era deficiente a bajas temperaturas y eran más caras.

El trabajo de Jungner fue prácticamente desconocido en Estados Unidos hasta la década de 1940, cuando se empezaron a producir allí baterías de níquel-cadmio. Una batería de níquel-hierro de 50 voltios era la principal fuente de alimentación de CC del cohete alemán V-2 de la Segunda Guerra Mundial , junto con dos baterías de 16 voltios que alimentaban los cuatro giroscopios (generadores alimentados por turbinas que suministraban corriente alterna para sus servomecanismos accionados por amplificadores magnéticos ). Se utilizó una versión más pequeña en la bomba volante V-1 (a saber, planos de la Operación Backfire de 1946 ).

Las baterías de Edison se fabricaron de forma rentable desde aproximadamente 1903 hasta 1972 por la Edison Storage Battery Company de West Orange, Nueva Jersey . En 1972, la empresa de baterías se vendió a Exide Battery Corporation, que dejó de fabricar el producto en 1975. La batería se utilizó ampliamente para señalización ferroviaria, carretillas elevadoras y aplicaciones de energía de reserva .

Las celdas de níquel-hierro se fabricaron con capacidades de 5 a 1250 Ah. Muchos de los fabricantes originales ya no producen celdas de níquel-hierro, ^[7] pero nuevas empresas han comenzado a producirlas en varios países.

El material activo de las placas de la batería está contenido en una serie de tubos o cavidades rellenas, montadas de forma segura en un marco o rejilla de soporte y conducción. El soporte está en buen contacto eléctrico con los tubos. La rejilla es un armazón ligero, estampado a partir de una lámina fina de acero, con un ancho de refuerzo en la parte superior. Las rejillas, así como todas las demás superficies metálicas internas, están niqueladas para evitar la corrosión. Los elementos deben permanecer cubiertos con electrolito; si se secan, las placas negativas se oxidan y requieren una carga muy prolongada. ^[18]

El material activo de las placas positivas es una forma de hidrato de níquel . Los retenedores de los tubos están hechos de una fina cinta de acero, finamente perforada y niquelada, de aproximadamente 4 pulgadas de largo y 1/4 y 1/8 pulgadas de diámetro. La cinta está enrollada en espiral, con costuras superpuestas, y los tubos están reforzados a intervalos de aproximadamente 1/2 pulgada con pequeños anillos de acero. En estos tubos se cargan hidrato de níquel y níquel en escamas puro en capas delgadas y alternas (aproximadamente 350 capas de cada uno por tubo) y se empaquetan o apisonan firmemente. El propósito del níquel en escamas es hacer un buen contacto entre el hidrato de níquel y los tubos, y así proporcionar conductividad. Los tubos, cuando están llenos y cerrados, se montan luego verticalmente en las rejillas. ^[18]

El material activo de las placas negativas es óxido de hierro . Las cavidades de retención están hechas de acero niquelado fino y finamente perforado, de forma rectangular, de 1/2 pulgada de ancho, 3 pulgadas de largo y 1/8 de pulgada de espesor máximo. El óxido de hierro, en forma de polvo fino, se apisona firmemente en estas cavidades, después de lo cual se montan en las rejillas. Después del montaje, se presionan, obligándolas a entrar en estrecho contacto con las rejillas. Esto ondula los lados de las cavidades para proporcionar un contacto elástico de la cavidad con el material activo. ^[18]

La carga/descarga implica la transferencia de oxígeno de un electrodo a otro (de un grupo de placas a otro). Por ello, este tipo de celda se denomina a veces celda de elevación de oxígeno. En una celda cargada, el material activo de las placas positivas está superoxidado y el de las placas negativas está en un estado esponjoso o reducido. ^[18]

Si la capacidad normal de la celda es insuficiente, se pueden realizar cargas breves a mayor velocidad, siempre que la temperatura del electrolito no supere los 115˚ F / 46˚ C. Estas cargas breves son muy eficientes y no causan lesiones. Se pueden emplear cargas de hasta tres veces la velocidad de carga normal (definida como C, la corriente igual a la capacidad nominal de la batería dividida por 1 hora) durante períodos de 30 minutos. ^[18]

La carga completa de una celda de NiFe requiere siete horas a la velocidad normal de la celda. En servicio, la cantidad de carga proporcionada depende de la extensión de la descarga anterior. Por ejemplo, una batería descargada hasta la mitad permite una carga a velocidad normal de 3,5 horas. La sobrecarga desperdicia corriente y provoca una rápida evaporación del agua en el electrolito.

Para velocidades de carga que van disminuyendo gradualmente, se debe mantener un promedio de 1,67 voltios entre los terminales de la celda durante toda la carga. El valor de la corriente al inicio de la carga varía según la resistencia eléctrica . En ausencia de resistencia, la velocidad de inicio será aproximadamente el doble de la normal y la velocidad de finalización, aproximadamente el 40 % de la normal. ^[18]

Durante la descarga, las placas positivas se reducen ("desoxidan"); el oxígeno, con su afinidad natural por el hierro, pasa a las placas negativas, oxidándolas. Se permite una descarga continua a cualquier ritmo de hasta un 25% por encima de lo normal, y durante períodos cortos a un ritmo de hasta seis veces lo normal. Cuando el ritmo de descarga supera este valor, se producirán caídas de tensión anormales. ^[18]

El electrolito no entra en combinación química para realizar las funciones de la celda, sino que actúa como transportador. Su gravedad específica no se ve afectada durante la carga y la descarga, salvo por la evaporación y los cambios de temperatura. Se permite una variación considerable de la gravedad específica, que solo influye en la eficiencia de la batería. ^[18]

Las baterías de níquel-hierro no contienen plomo ni cadmio como las baterías de plomo-ácido y de níquel-cadmio, que requieren tratamiento como materiales peligrosos . Las baterías de níquel-hierro no causan problemas de derrames, ya que no contienen ácido en el componente. ^[23]

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