بطارية النيكل وهيدريد فلز

بطارية النيكل وهيدريد فلز (بالإنجليزية: Nickel–metal hydride battery)‏، تختصر ب NiMH أو Ni–MH، هي نوع من الخلايا الثانوية. التفاعل الكيميائي للقطب الكهربائي الموجب يشبه قطب خلية نيكل-كادميوم، وكلاهما يستخدمان هيدروكسيد النيكل الثنائي الذي يتحول إلى هيدروكسيد أكسيد النيكل أثناء التفاعلات الكهروكيميائية في البطارية. لكن هذا النوع من البطاريات يحوي قطبه الكهربائي السالب على سبيكة فلزية ممتصة للهيدروجين عوضا عن الكادميوم. تملك هذه البطارية سعة أكبر بمرتين إلى ثلاثة مرات من سعة بطارية نيكل-كادميوم، وتصل كثافة الطاقة إلى بطارية ليثيوم-أيون.

التاريخ

العمل على بطاريات النيكل بدأ في مركز باتيل -جنيف بعد اختراع هذه التقنية في عام 1967. اعتمدت على تلبيد سبائك Ti2Ni+TiNi+x وقطب هيدروكسيد أكسيد النيكل. دعم تطور التقنية على مدى عقدين دايملر بنز ومجموعة فولكسفاغن مع شركة دايملر. وصلت الطاقة في هذه البطاريات 50 واط.سا/كغ (180 كيلو جول/كغ). وتصل كثافة الطاقة إلى 1000 واط/كغ ومدة حياة حتى 500 شحنة (100% عمق التفريغ). ملئت تطبيقات براءة الاختراع الدول (الأولوية:سويسرا)، الولايات المتحدة واليابان. نقلت براءات الاختراع إلى دايملر بنز.

نما الاهتمام الاستثماري في سبعينيات القرن الماضي مع الاستخدام التجاري لبطاريات نيكل-هيدروجين للاستعمالات الفضائية.^[1] قدمت تقنية الهيدريد بديل أقل حجم لتخرين الهيدروجين. طور كل من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي ومختبرات فيليبس سبيكة جديدة ذات طاقة هيدروجينية عالية بدمج العناصر الأرضية النادرة للقطب السالب. ولكن تعاني هذه البطارية من عدم استقرار الإلكتروليت القلوي ولذلك دورة حياة البطارية ناقصة. في عام 1987، أظهر ويليمز وباساهو (بالإنجليزية: Willems and Buschow )‏ بطارية ناجحة تعتمد على هذه الأسلوب (باستخدام خليط من La_0.8Nd_0.2Ni_2.5Co_2.4Si_0.1) والتي تحتفظ 84% من سعة الشحن بعد 4000 دورة شحن-إعادة شحن. طورت سبائك أكثر اقتصادية وقابلة للتطبيق التي تستخدم المعدن الخليط (بالإنجليزية: Mischmetal)‏ عوضا عن اللنثانوم. واعتمدت البطاريات الحديثة على هذا التصميم.^[2] قدمت أول بطارية نيكل-هيدريد فلز بشكل تجاري عام 1989.^[3]

في عام 1998، حسنت شركة أوفنكس للبطاريات بنية وتركيب سبيكة نيكل تيتانيوم وسجلت براءة اختراع بذلك.^[4]

في عام 2008، أكثر من مليونا سيارة هجينة صنعت حول العالم مع بطارية نيكل-هيدريد فلز.^[5]

في الاتحاد الأوروبي وبسبب التعليمات عن البطاريات (بالإنجليزية: Battery Directive)‏، استبدلت بطاريات نيكل-كادميوم ببطاريات نيكل-هيدريد فلز وذلك لبطاريات المستهلكين القابلة للحمل.^[6]

نصف البطاريات الصغيرة القابلة لإعادة الشحن التي بيعت في اليابان في عام 2000 كانت بطاريات نيكل-هيدريد فلز وانخفضت النسبة إلى 22% في عام 2010.^[7] أما في سويسرا عام 2009 كانت النسبة 60% تقريبا.^[8] انخفضت النسبة بمرور الوقت بسبب انتشار بطاريات ليثيوم-أيون.^[7]

أنتجت باسف في عام 2015 بنية مصغرة معدلة جعلت بطاريات نيكل-هيدريد فلز أكثر متانة، وسمحت بتغيير تصميم البطارية وتوفير وزن كبير منها، ووصول كثافة الطاقة بالنسبة للحجم إلى 140 واط-ساعة لكل كيلو متر.^[9]

الكيمياء الكهربائية

عند إجراء عملية شحن للبطارية يحدث عند القطب السالب تفاعل اختزال لأيونات ⁺H (البروتونات) إلى الهيدروجين، والذي يرتبط فوراً مع الفلز ليشكل مركب هيدريد، وذلك بعملية قابلة للانعكاس. أما عند القطب الموجب، فيحدث عند عملية شحن البطارية تفاعل أكسدة للنيكل، وذلك من حالة الأكسدة +II (على شكل مركب هيدروكسيد النيكل الثنائي Ni(OH)₂) إلى حالة الأكسدة +III (على شكل مركب أكسيد هيدروكسيد النيكل (NiO(OH).

أما عند تفريغ البطارية (الاستخدام) فتحدث التفاعلات العكسية؛ حيث أن هيدريد الفلز (⁻M⁺H) يتأكسد إلى الفلز بحالته الحرة (حالة أكسدة 0 (M⁰)) وإلى بروتونات (⁺H). تتفاعل البروتونات الناتجة مع أيونات الهيدروكسيد ⁻OH لتشكل الماء. وفي القطب الآخر يختزل النيكل من حالة الأكسدة +III عائداً إلى حالة الأكسدة +II على شكل هيدروكسيد النيكل الثنائي.

$\mathrm {{\overset {+1}{M}}H+OH^{-}\rightleftharpoons {\overset {0}{M}}+H_{2}O+e^{-}}$
$\mathrm {{\overset {+3}{Ni}}O(OH)+H_{2}O+e^{-}\rightleftharpoons {\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}+OH^{-}}$
$\mathrm {{\overset {+1}{M}}H+{\overset {+3}{Ni}}O(OH)\rightleftharpoons {\overset {0}{M}}+{\overset {+2}{Ni}}(OH)_{2}}$

الحرف M في القطب الكهربائي السالب يرمز إلى مكون من عدة فلزات (خليط). تطورت عدة خلائط لأجل هذا الاستخدام، لكن المستخدمة حاليا هي نوعين. وأكثرها شيوعا هو AB5، حيث A هو عنصر أرضي نادر مكون من لانثانوم وسيريوم وبراسوديميوم ونيوديميوم وB هو النيكل وكوبالت والمنغنيز أو الألمنيوم.

انظر أيضا

المراجع

^ The US patent is US patent 3824131A, Dr. Klaus Beccu, "Negative electrode of titanium–nickel alloy hydride phases", assigned to Battelle-Geneva R&D Center . For the performance data
^ Nii، K.؛ Amano، M. (1997). "R & D of Hydrogen Absorbing Alloys in Japan". Acta Metallurgica Sinica. ج. 10 ع. 3: 249–255. مؤرشف من الأصل في 2017-08-02. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-10.
^ In search of the perfect battery, ذي إيكونوميست, 6 March 2008 نسخة محفوظة 22 أكتوبر 2017 على موقع واي باك مشين.
^ US patent 6413670, "High power nickel–metal hydride batteries and high power alloys/electrodes for use therein", published July 2, 2002
^ Avicenne Conf., Nice 2008, M.A. Fetcenko/ECD
^ "Directive 2006/66/EC of the European Parliament and of the Council of the 6 September 2006 on batteries and accumulators and repealing Directive 91/157/EEC". الجريدة الرسمية للاتحاد الأوروبي. الاتحاد الأوروبي ع. L 266. 26 سبتمبر 2006. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2019-08-10. اطلع عليه بتاريخ 2015-11-13.
^ ^ا ^ب "Secondary battery sales statistics by volume". Battery Association of Japan. مؤرشف من الأصل في 2018-10-12. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-10.
^ "Batterien-Absatzstatistik 2008" [Battery Sales Statistics 2008] (PDF) (بالألمانية). INOBAT. p. 2. Archived from the original (PDF) on 2011-11-14. Retrieved 2011-09-10.
^ Bullis، Kevin (February 19, 2015). "Old Battery Type Gets an Energy Boost". Technology Review. مؤرشف من الأصل في 17 مارس 2021. اطلع عليه بتاريخ February 2015. {{استشهاد بخبر}}: تحقق من التاريخ في: |تاريخ الوصول= (مساعدة)

[1] The US patent is US patent 3824131A, Dr. Klaus Beccu, "Negative electrode of titanium–nickel alloy hydride phases", assigned to Battelle-Geneva R&D Center . For the performance data

[rdjapan-2] Nii، K.؛ Amano، M. (1997). "R & D of Hydrogen Absorbing Alloys in Japan". Acta Metallurgica Sinica. ج. 10 ع. 3: 249–255. مؤرشف من الأصل في 2017-08-02. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-10.

[3] In search of the perfect battery, ذي إيكونوميست, 6 March 2008 نسخة محفوظة 22 أكتوبر 2017 على موقع واي باك مشين.

[4] US patent 6413670, "High power nickel–metal hydride batteries and high power alloys/electrodes for use therein", published July 2, 2002

[5] Avicenne Conf., Nice 2008, M.A. Fetcenko/ECD

[6] "Directive 2006/66/EC of the European Parliament and of the Council of the 6 September 2006 on batteries and accumulators and repealing Directive 91/157/EEC". الجريدة الرسمية للاتحاد الأوروبي. الاتحاد الأوروبي ع. L 266. 26 سبتمبر 2006. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2019-08-10. اطلع عليه بتاريخ 2015-11-13.

[bajstat-7] ا ^ب "Secondary battery sales statistics by volume". Battery Association of Japan. مؤرشف من الأصل في 2018-10-12. اطلع عليه بتاريخ 2011-09-10.

[8] "Batterien-Absatzstatistik 2008" [Battery Sales Statistics 2008] (PDF) (بالألمانية). INOBAT. p. 2. Archived from the original (PDF) on 2011-11-14. Retrieved 2011-09-10.

[9] Bullis، Kevin (February 19, 2015). "Old Battery Type Gets an Energy Boost". Technology Review. مؤرشف من الأصل في 17 مارس 2021. اطلع عليه بتاريخ February 2015. {{استشهاد بخبر}}: تحقق من التاريخ في: |تاريخ الوصول= (مساعدة)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

ع ن ت خلايا غلفانية
الأنواع	عمود فولتوي مُدَّخِرات كهربائية تدفُّق حوضية ^{[الإنجليزية]}‏ خلايا مُركَّزة ^{[الإنجليزية]}‏ وقود غلفانية حرارية ^{[الإنجليزية]}‏
خلايا أولية (غير قابلة للشحن)	مُدَّخِرة قلوية كهروكيميائية هوائية وفلزية ^{[الإنجليزية]}‏ الألومنيوم والهواء الليثيوم والهواء السيليكون والهواء ^{[الإنجليزية]}‏ الزنك والهواء خلايا كلارك ^{[الإنجليزية]}‏ غروف بنزن دانيال لوكلانشيه وستن حمض الكروميك ^{[الإنجليزية]}‏ مُدَّخِرة جافة زنك وكربون أكسيد الفضة ليثيوم زئبق خلية إديسون ولالاند ^{[الإنجليزية]}‏ حمض هيدروكسيد النيكل ^{[الإنجليزية]}‏ عمود زامبوني ^{[الإنجليزية]}‏
خلايا ثانوية (قابلة للشحن)	مُدَّخِرة السيارة الرصاص والحمض ذات الصَّمام المُنظِّم الليثيوم والهواء أيونات الليثيوم بوليمرات الليثيوم فوسفات الحديد والليثيوم تيتانات الليثيوم ^{[الإنجليزية]}‏ الليثيوم والكبريت مزدوجة الأقطاب الكربونية ^{[الإنجليزية]}‏ كهروكيميائية هوائية وفلزية ^{[الإنجليزية]}‏ ملح منصهر ذات مسام بالغة الصغر ^{[الإنجليزية]}‏ ذات أسلاك بالغة الصغر ^{[الإنجليزية]} النيكل والكادميوم النيكل والهيدروجين النيكل والحديد ^{[الإنجليزية]}‏ النيكل والليثيوم ^{[الإنجليزية]}‏ النيكل وهيدريد فلز النيكل والزنك ^{[الإنجليزية]}‏ البروميد عديد الكبريتيد ^{[الإنجليزية]} أيونات البوتاسيوم ^{[الإنجليزية]} قلوية قابلة لإعادة الشحن ^{[الإنجليزية]}‏ الفضة والزنك ^{[الإنجليزية]} الفِضَّة والكادميوم أيونات الصوديوم الصوديوم والكبريت صلبة الحالة تدفق الفانديوم ^{[الإنجليزية]}‏ الزنك والبروم الزنك والسيريوم ^{[الإنجليزية]}‏
أخرى	خلية شمسية خلية وقود بطارية ذرية
أجزاء الخلية	قطب كهربائي مصعد مهبط مادة رابطة تحفيز كهرل نصف خلية أيون قنطرة ملحية غشاء شبه منفذ
قائمة أنواع البطاريات تصنيف البطاريات