Гидриды металлов для применения в никель-металлогидридных аккумуляторах

Описание

Гидриды металлов играют ключевую роль в никель-металл-гидридных аккумуляторах. Они помогают хранить и выделять водород. Их использование позволяет повысить производительность и безопасность батарей.

Гидриды металлов - это соединения, образующиеся при соединении водорода с металлами. Эти соединения обладают большой способностью поглощать и выделять водород. Это делает их важнейшей частью никель-металлогидридных систем. Сегодня гидриды металлов используются в гибридных автомобилях, бытовой электронике и других областях, где требуются перезаряжаемые батареи.

Сравнение типов аккумуляторов

Сегодня существует множество типов аккумуляторов.

Например, никель-металлогидридные батареи работают иначе, чем никель-кадмиевые. Никель-кадмиевые батареи используют кадмий и известны эффектом памяти. В никель-металл-гидридных батареях используются гидриды металлов, и они меньше страдают потерей памяти.

Литий-ионные аккумуляторы - еще один вариант. Они обладают высокой емкостью, но требуют особого ухода при зарядке. Свинцово-кислотные батареи тяжелые и требуют обслуживания. У каждого типа батарей есть сильные и слабые стороны.

В никель-металл-гидридных батареях гидриды металлов обеспечивают хороший баланс между плотностью энергии и безопасностью. На протяжении многих лет инженеры отдают предпочтение металлогидридным системам для многих портативных и автомобильных устройств.

Дополнительное чтение: Эволюция аккумуляторов для электромобилей: От свинцово-кислотных к литий-ионным

Кристаллические структуры материалов никель-металл-гидридных аккумуляторов

Кристаллическая структура материалов никель-металл-гидридных батарей очень важна. Расположение атомов влияет на то, насколько хорошо сохраняется и высвобождается водород. Многие материалы никель-металлогидридных аккумуляторов имеют структуру AB5. В этой модели гидрид металла состоит из одного редкоземельного или переходного металлического элемента и пяти атомов других металлов. Такая структура создает пространство для размещения атомов водорода.

Инженеры и ученые измеряют эти кристаллы и используют рентгеновскую дифракцию. Благодаря тщательным измерениям они могут узнать, сколько водорода может быть поглощено. Такая структура обладает хорошей обратимостью и стабильностью.

Читать далее: Все об аккумуляторах для электромобилей

Кристаллические структуры материалов для аккумуляторов (AB5, AB2 и т. д.)

В никель-металлогидридных (NiMH) аккумуляторах кристаллическая структура сплава, поглощающего водород, играет ключевую роль в определении характеристик. Наиболее изученными являются структуры типа AB₅ и AB₂, где "A" и "B" означают различные металлические компоненты. Эти материалы важны для приложений, требующих длительного срока службы, высокой водородной емкости и эффективного поведения при заряде/разряде - важнейших свойств для подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) и электромобилей (EV).

Структура типа AB₅, обычно встречающаяся в никель-металлогидридных аккумуляторах, обычно включает в себя редкоземельные элементы на участке A и переходные металлы на участке B. Такая структура обеспечивает хорошо сбалансированное сочетание емкости для хранения водорода и благоприятной кинетики, что делает ее надежным выбором для потребительских и автомобильных применений. Например, герметичные никель-металлогидридные аккумуляторы, используемые в Toyota™ Prius (модели II-V), основаны на материалах типа AB₅ и продемонстрировали срок службы до 150 000 миль, как показали лабораторные испытания производителя.¹⁹

Структуры типа AB₂, с другой стороны, также состоят из двух металлических компонентов, но обладают несколько иными электрохимическими характеристиками. Хотя сплавы AB₂ могут демонстрировать более высокую водородную емкость, их фазовая стабильность и устойчивость к деградации при циклическом использовании могут варьироваться в зависимости от состава и микроструктуры.

При исследовании аккумуляторов гидриды AB₅ и AB₂ тщательно анализируются на предмет параметров решетки, фазовых превращений и термической стабильности, поскольку даже незначительные изменения в легирующих элементах могут существенно повлиять на производительность и срок службы. Эти соединения, которые теперь часто называют "классическими гидридами", сохраняют свою актуальность. С помощью микролегирования металлов сайтов A и B исследователи смогли улучшить электрохимическую стабильность и увеличить срок службы, что делает их сильными кандидатами на создание следующего поколения высокопроизводительных никель-металлогидридных аккумуляторов.

Электрохимические реакции в никель-металлогидридных аккумуляторах

В никель-металлогидридных аккумуляторах в основе выработки энергии лежат электрохимические реакции. Гидрид металла накапливает атомы водорода. Когда батарея разряжается, ионы водорода перемещаются от гидрида металла. Они перемещаются к электроду из оксида никеля. При этом во внешнюю цепь поступают электроны. Аккумулятор вырабатывает электрический ток для работы устройств.

Во время зарядки происходит обратный процесс. Атомы водорода возвращаются в металлическую структуру. Реакции обратимы. Эта обратимость добавляет удобства. Батарею можно использовать многократно. Во многих исследованиях этот простой механизм реакции доказал свою надежность и эффективность.

Заключение

Гидриды металлов являются важной частью никель-металлогидридных аккумуляторов. Они повышают производительность и стабильность. Их уникальные кристаллические структуры помогают накапливать и высвобождать энергию. Электрохимические реакции, в которых они участвуют, просты. Социальные преимущества включают в себя более безопасные энергетические системы и меньшее воздействие на окружающую среду.

Часто задаваемые вопросы

F: Какую роль играют гидриды металлов в этих батареях?
В: Они поглощают и выделяют водород, помогая управлять энергией батареи.

F: Как кристаллические структуры влияют на производительность батарей?
В: Они определяют, насколько хорошо водород сохраняется и высвобождается в электродах.

F: Почему никель-металл-гидридные батареи предпочитают использовать в гибридных автомобилях?
В: Они обеспечивают хорошую плотность энергии, безопасность и надежность при одновременном снижении вреда для окружающей среды.