니켈수소전지

Nickel–hydrogen battery
니켈-금속 하이드라이드 배터리와 혼동하지 마십시오.
니켈수소전지
니켈-수소 배터리의 개략도
비중에너지55-75W·h/kg[1][2]
에너지 밀도~60W·h/L[2]
비전력~220W/kg[3]
충방전 효율85%
사이클 내구성>2만 사이클.[4]

니켈-수소 배터리(NiH2 또는 Ni-H2)는 니켈과 수소를 기반으로 하는 충전식 전기화학 전원입니다.[5] 최대 1200psi(82.7bar) 압력의 가압 셀에 저장되는 기체 형태의 수소를 사용한다는 점에서 니켈-금속 하이드라이드(NiMH) 배터리와 다릅니다.[6] 니켈-수소 배터리는 1971년 2월 25일 미국의 Alexandr Ilich Kloss와 Boris Ioselevich Tsenter에 의해 특허가 되었습니다.[7]

26% 수산화칼륨(KOH)을 전해질로 사용한 NiH2 셀은 방전 80% 깊이(DOD)[8]에서 15년 이상의 사용 수명을 나타냄 에너지 밀도는 75 Wh/kg, 60 Wh/dm3[2] 비열 220 W/kg입니다.[3] 개방 전압은 1.55V, 방전 시 평균 전압은 1.25V입니다.[9]

에너지 밀도는 리튬 배터리의 약 1/3에 불과하지만 니켈-수소 배터리의 특징적인 장점은 85%의 에너지 효율과 100%의 파라다이틱 효율로 20,000회 이상의 충전 사이클을[4] 처리한다는 것입니다.

NiH2 충전 배터리는 위성과[10] 우주 탐사선의 전기 에너지 저장에 매력적인 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, ISS,[11] Mercury Messenger,[12] Mars Odyssey[13], Mars Global Survey는[14] 니켈 수소 배터리를 장착하고 있습니다. 허블 우주망원경은 발사 19년여가 지난 2009년 5월 원래의 배터리를 교체하면서 지구 저궤도에서 NiH2[15] 배터리 중 가장 많은 충전과 방전 주기를 기록했습니다.[16]

역사

주 기사: 배터리 § 니켈-수소 및 니켈 금속-수소의 역사

니켈 수소 배터리 개발은 1970년 컴샛에서[17] 시작돼 1977년 미 해군의 내비게이션 기술 위성-2(NTS-2)에 처음으로 탑재됐습니다.[18] 현재 니켈 수소 배터리의 주요 제조업체는 이글-피셔 테크놀로지스와 존슨 컨트롤스입니다.

특성.

허블용[19] 니켈 수소 전지

니켈-수소 전지는 니켈-카드뮴 전지의 양극 전극과 연료 전지의 촉매 및 가스 확산 소자를 포함하는 음극 전극을 결합합니다. 방전 시, 압력 용기에 포함된 수소는 산화되고 니켈 옥시수산화물 전극은 니켈 수산화물로 환원됩니다. 니켈 전극에서 물이 소모되고 수소 전극에서 생성되므로 수산화칼륨 전해질의 농도는 변하지 않습니다. 배터리가 방전됨에 따라 수소 압력이 떨어져 신뢰할 수 있는 충전 상태 표시기를 제공합니다. 한 통신 위성 배터리에서는 완충 시 압력이 500파운드/제곱인치(3.4MPa) 이상이었고, 완충 시에는 약 15PSI(0.1MPa)로 떨어졌습니다.

셀이 과충전되면 니켈 전극에서 생성된 산소가 셀에 존재하는 수소와 반응하여 물을 형성합니다. 결과적으로 셀은 발생된 열을 방출할 수 있는 한 과충전을 견딜 수 있습니다.[dubious – discuss]

셀은 비교적 높은 자가 방전 속도, 즉 음극에서 Ni(III)을 Ni(II)로 화학적으로 환원시키는 단점이 있습니다.

이는 셀 내 수소의 압력에 비례합니다. 일부 설계에서는 며칠만 저장해도 용량의 50%가 손실될 수 있습니다. 자가 방전은 낮은 온도에서 더 적습니다.[1]

다른 충전식 배터리와 비교했을 때, 니켈 수소 배터리는 55-60 와트-시/kg의 양호한 비에너지를 제공하며, 위성 응용 분야에서 매우 긴 사이클 수명(40% DOD에서 40,000 사이클)과 작동 수명(> 15년)을 제공합니다. 전지는 과충전과 우발적 극성 반전을 견딜 수 있으며, 전지 내 수소 압력은 충전 상태를 잘 나타냅니다. 그러나 수소의 기체 특성은 부피 효율이 상대적으로 낮고(IPV(개별 압력 용기) 셀의 경우 60-100 Wh/L), 필요한 고압은 고비용 압력 용기를 만듭니다.[1]

양극은 수산화니켈을 포함하는 건식 소결[20] 다공성 니켈 플라크로 구성됩니다. 음극 수소 전극은 테프론 결합 백금 블랙 촉매를 7mg/cm2의 부하로 사용하며, 분리막은 니트 지르코니아 천(ZYK-15 Zircar)입니다.[21][22]

Hubble 대체 배터리는 결합제와 분말 금속 물질을 성형하고 가열하여 액체를 증발시키는 습식 슬러리 공정으로 생산됩니다.[23]

디자인

  • 개별 압력 용기(IPV) 설계는 압력 용기에 있는 NiH2 셀의 단일 단위로 구성됩니다.[24]
  • 공통 압력 용기(CPV) 설계는 공통 압력 용기에 직렬로 2개의 NiH2 셀 스택으로 구성됩니다. CPV는 IPV보다 약간 높은 특정 에너지를 제공합니다.
  • 단일 압력 용기(SPV) 설계는 단일 압력 용기에 최대 22개의 셀을 직렬로 결합합니다.
  • 양극성 설계는 SPV에 적층된 두꺼운 전극, 양에서 음으로 연속적으로 적층된 전극을 기반으로 합니다.[25]
  • 종속 압력 용기(DPV) 셀 설계는 더 높은 비에너지와 절감된 비용을 제공합니다.[26]
  • 공통/의존형 압력 용기(C/DPV)는 체적 효율이 높은 공통 압력 용기(CPV)와 의존형 압력 용기(DPV)의 하이브리드입니다.[27]
  • 도식화

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b c David Linden, Thomas Reddy(편집) 배터리 핸드북 제3판, McGraw-Hill, 2002 ISBN0-07-135978-8 제32장 "니켈 수소 배터리"
  2. ^ a b c 우주선 파워 시스템 페이지 9
  3. ^ a b NASA/CR—2001-210563/PART2 -Pag.10 웨이백 기계에서 보관된 2008-12-19
  4. ^ a b 5개년 업데이트 : 니켈수소산업조사
  5. ^ "A simplified physics-based model for nickel hydrogen battery" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2016-03-03. Retrieved 2008-10-25.
  6. ^ 니켈-수소 우주선 배터리 취급 및 보관 실무
  7. ^ 기밀 밀봉 니켈-수소 저장 셀 미국 특허 3669744
  8. ^ "Potassium hydroxide electrolyte for long-term nickel-hydrogen geosynchronous missions" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-03-18. Retrieved 2008-10-25.
  9. ^ 우주선 전력 서브시스템의 최적화 - Pag.40
  10. ^ INTELSAT 프로그램을 위한 Ni-H2 셀 특성 분석
  11. ^ Wayback Machine에서 보관된 2009-02-18 궤도 원격 측정을 통한 국제 우주 정거장 전기 성능 모델 검증
  12. ^ NASA.gov
  13. ^ 행성간 우주선을 위한 경량의 고신뢰성 단일 배터리 전원 시스템
  14. ^ Wayback Machine에서 Mars Global Survey Archive 2009-08-10
  15. ^ 허블 우주 망원경 서비스 임무 4개 배터리
  16. ^ 허블 우주 망원경 배터리 교체 시 NiH2 신뢰성 영향
  17. ^ "Nickel-Hydrogen Battery Technology—Development and Status" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-03-18. Retrieved 2012-08-29.
  18. ^ NTS-2 니켈-수소 배터리 성능 31 Wayback 기계 보관 2009-08-10
  19. ^ 임무용 4개의 배터리를 제공하는 허블 우주 망원경
  20. ^ NiH2 건식 소결체와 슬러리 전극 셀의 성능 비교
  21. ^ [1]2008-08-17은 웨이백 머신에 보관되어 있습니다.
  22. ^ 니켈-수소 배터리
  23. ^ 허블 우주 망원경 서비스 임무 4개 배터리
  24. ^ 니켈 수소 배터리 - 웨이백 기계에서 보관된 개요 2009-04-12
  25. ^ 대규모 바이폴라 NiH2 배터리 개발.
  26. ^ 1995-의존성 압력용기(DPV)
  27. ^ 공통/의존형 압력 용기 니켈 수소 전지

더보기

  • Albert H. Zimmerman (ed), Nickel-Hydrogen Battery Presidents and Practice, the Aerospace Press, El Segundo, California. ISBN 1-884989-20-9.

외부 링크