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 guardan en tubos de acero niquelado o en bolsas perforadas. Es una batería muy robusta que tolera el abuso (sobrecarga, sobredescarga y cortocircuitos) y puede tener una vida útil muy larga incluso si se trata así. [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 las baterías 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 el vagón del metro 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 está investigando el uso de baterías de níquel-hierro como baterías combinadas y electrólisis para la producción de hidrógeno para automóviles de pila de combustible y su almacenamiento. Esos "battolizadores" podrían cargarse y descargarse como baterías convencionales y producirían hidrógeno cuando estuvieran completamente cargados. [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 de alta velocidad: estas celdas se cargan lentamente y solo pueden descargarse lentamente. [7] Las celdas de níquel-hierro no deben cargarse con un suministro de voltaje constante, ya que pueden dañarse por 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.
La reacción de media celda en la placa positiva del óxido-hidróxido de níquel (III) negro NiO (OH) al hidróxido de níquel (II) verde Ni (OH) 2 :
y en la placa negativa:
(La descarga se lee de izquierda a derecha, la carga se lee de derecha a izquierda). [17]
El voltaje de circuito abierto es de 1,4 voltios y cae a 1,2 voltios durante la descarga. [7] La mezcla de electrolitos de hidróxido de potasio e hidróxido de litio no se consume durante 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 superior a 1,6 voltios por celda. [18] La inclusión de hidróxido de litio mejora el rendimiento de la celda. El voltaje de la carga de ecualización es de 1,65 voltios.
El inventor sueco Waldemar Jungner inventó la batería de níquel-cadmio en 1899. Jungner experimentó sustituyendo el cadmio por hierro en distintas proporciones, incluido 100% de hierro. Jungner descubrió que la principal ventaja sobre la química de níquel-cadmio era el coste, pero debido a la menor eficiencia de la reacción de carga y a la formación más pronunciada de hidrógeno (gasificación), la tecnología de níquel - hierro resultó deficiente y abandonada. 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 baterías de NiCd: Swed.pat No. 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 el Detroit Electric y el 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 nº 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 producirse sólo unos años después de que se introdujera su batería. Desarrolló la batería para que fuera la batería elegida [22] para los vehículos eléctricos , que eran el modo de transporte preferido a principios del siglo XX (seguido de la gasolina y el vapor). Las baterías de Edison tenían una densidad de energía significativamente mayor que las baterías de plomo-ácido que se usaban en ese momento y podían cargarse en la mitad de tiempo; sin embargo, su rendimiento era deficiente a bajas temperaturas y eran más caros.
El trabajo de Jungner fue en gran medida 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 en el cohete V-2 alemán de la Segunda Guerra Mundial , junto con dos baterías de 16 voltios que alimentaban los cuatro giroscopios (generadores propulsados por turbinas suministraban CA para sus servomecanismos impulsados por amplificador magnético ). Se utilizó una versión más pequeña en la bomba voladora V-1 . (a saber, planos de la Operación Backfire de 1946 ).
Las baterías de Edison fueron fabricadas de manera rentable aproximadamente entre 1903 y 1972 por Edison Storage Battery Company en West Orange, Nueva Jersey . En 1972, la compañía de baterías se vendió a Exide Battery Corporation, que descontinuó el producto en 1975. La batería se usó ampliamente para señalización ferroviaria, montacargas y aplicaciones de energía de reserva .
Se fabricaron celdas de níquel-hierro con capacidades de 5 a 1250 Ah. Muchos de los fabricantes originales ya no fabrican pilas de níquel-hierro, [7] pero nuevas empresas han comenzado la producción en varios países.
El material activo de las placas de la batería está contenido en varios tubos o bolsillos llenos, montados 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 marco esqueleto ligero, estampado a partir de una fina chapa de acero, con un refuerzo ancho 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 de 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 delgada cinta de acero, finamente perforada y niquelada, de aproximadamente 4 pulgadas de largo y 1/4 de pulgada y 1/8 de pulgada. en diámetro. La cinta está enrollada en espiral, con costuras superpuestas y los tubos reforzados a intervalos de aproximadamente 1/2 pulgada con pequeños anillos de acero. En estos tubos se cargan el hidrato de níquel y el níquel puro en escamas en capas finas y alternas (unas 350 capas de cada una por tubo) y se empaquetan o apisonan herméticamente. 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, una vez llenos y cerrados, se montan verticalmente en las rejillas. [18]
El material activo de las placas negativas es óxido de hierro . Las bolsas retenedoras están fabricadas en acero niquelado fino, finamente perforado, de forma rectangular, de 1/2 pulg. de ancho, 3 pulg. de largo y 1/8 pulg. de espesor máximo. El óxido de hierro, en forma de polvo fino, se introduce firmemente en estas bolsas y después se montan en las rejillas. Después del montaje, se presionan, obligándolos a entrar en estrecho contacto con las rejillas. Esto corruga los lados de las bolsas para proporcionar un contacto elástico de la bolsa 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). De ahí que este tipo de célula a veces se denomine célula elevadora de oxígeno. En una celda cargada, el material activo de las placas positivas está superoxidado y el de las placas negativas se encuentra en un estado esponjoso o reducido. [18]
Si la capacidad normal de la celda es insuficiente, se pueden aplicar cargas cortas de mayor velocidad siempre que la temperatura del electrolito no exceda los 115˚ F / 46˚ C. Estas cargas cortas son muy eficientes y no causan lesiones. Se pueden emplear velocidades 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 NiFe consta de siete horas a la velocidad normal de la celda. En servicio el importe del cargo dado se rige por la extensión del alta 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 tasas de carga cada vez menores, se debe mantener un promedio de 1,67 voltios en 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, el ritmo inicial será aproximadamente el doble de lo normal y el ritmo final será aproximadamente el 40% de lo normal. [18]
Bajo descarga, las placas positivas se reducen ("desoxidan"); el oxígeno, con su afinidad natural por el hierro, va a las placas negativas, oxidándolas. Está permitido descargar continuamente a cualquier velocidad hasta un 25% por encima de lo normal y durante períodos cortos hasta seis veces lo normal. Cuando la tasa de descarga excede este valor, se producirán caídas de voltaje anormales. [18]
El electrolito no entra en combinación química para realizar las funciones de la celda, actuando como transportador. Su gravedad específica no se ve afectada durante la carga y descarga, excepto por la evaporación y los cambios de temperatura. Se permite una variación considerable en la gravedad específica, que influye únicamente en la eficiencia de la batería. [18]
Las baterías de níquel-hierro no contienen el plomo ni el cadmio de 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. [23]
Ward Harris está sentado en el asiento de un automóvil eléctrico [sic], para el cual Thomas Edison fabricó la batería.
