Металлогазовые аккумуляторы

Идея герметичного металлогазового аккумулятора принадлежит Б. И. Центеру и А. И. Клоссу (1964), которые предложили серебряно-водородный, кислородно-кадмиевый и никель-водородный аккумуляторы.

Никель-водородный (НВ) аккумулятор

Электрохимическая система H₂ | KOH | NiOOH

Отрицательный электрод - водородный газожидкостной в виде тонкой металлокерамической пластины с платиновым катализатором (такие электроды применяют в топливных элементах) 

Положительный электрод - металлокерамический оксидно-никелевый НК аккумулятора.

Матричный электролит - 20 – 40% раствор KOH, имеет дозированный объем, пропитывает электроды и пористый сепаратор, оставляя часть пор открытыми.

Блок электродов помещен в герметичный металлический корпус цилиндрической или сфероидной формы, снабженный гермовыводами.

Суммарная реакция

2NiOOH + H₂  2Ni(OH)₂               E⁰ = 1,328 B

Разряд - на отрицательном электроде происходит ионизация водорода до воды, а на положительном – восстановление NiOOH.

Заряд - реакция протекает справа налево и на отрицательном электроде образуется водород, который накапливается в замкнутом объеме корпуса до заданного давления в пределах от 3,5 до 10 МПа (рис. 11.3).

НВ аккумуляторы удобно собирать в батарею в общем корпусе без опасения утечки тока: отсутствие свободного электролита исключает возможность появления шунтирующих цепей. Аккумуляторы в составе батареи обладают редким преимуществом быть нечувствительными к перезаряду или переразряду при циклировании. При перезаряде весь образующийся на положительном электроде кислород поступает на водородный электрод и там каталитически взаимодействует с водородом с образованием воды. Давление при этом не возрастает и лишь наблюдается повышение температуры. После полного разряда наиболее слабого аккумулятора (емкость лимитируется положительным электродом), когда давление газа падает до 0,4 – 0,6 МПа, в результате переполюсовки на положительном электроде начинает выделяться водород. Его объем равен объему водорода, разрядившегося на отрицательном электроде, поэтому никаких вредных последствий не наблюдается.

Разрядные характеристики НВ аккумулятора достаточно стабильны при среднем напряжении 1,25 В. Максимальный ток разряда НВ аккумулятора достигает 2С_ном, его ресурс составляет от 600 (при 100%-ном разряде) до 10000 циклов (при 30%-ной глубине разряда). Удельная энергия НВ батарей емкостью 3 — 60 А∙ч достаточно велика (55 — 70 Вт∙ч/кг).

Недостаток НВ аккумулятора — высокий саморазряд в пределах 6 — 12% в сутки, вызванный взаимодействием водорода с гидроксидом никеля, поэтому эти источники тока имеют ограниченное техническое применение.

НВ батареи используют для работы в буферном режиме на космических аппаратах при длительности циклирования до 5 лет. Они представляют интерес также в качестве источников энергоснабжения электромобилей.

Одна из главных проблем - снижение стоимости батарей, что возможно при замене платиновых катализаторов и металлокерамических электродов более дешевыми материалами.

В последнее время интенсивно разрабатывается герметичный свинцово-водородный аккумулятор, реализующий систему H₂ | H₂SO₄ | PbO₂.