بطارية نيكل-هيدروجين

بطارية النيكل -هيدروجين (NiH₂ _أو Ni-H₂ ₎ هي مصدر طاقة كهروكيميائي قابل لإعادة الشحن، يعتمد على النيكل والهيدروجين . [ 5 ^{] وهي تختلف} عن بطارية النيكل-هيدريد المعدن (NiMH) في استخدام الهيدروجين في صورته الغازية، المخزنة في خلية مضغوطة بضغط يصل إلى 1200 رطل لكل بوصة مربعة (82.7 بار ). ^{[ 6 ]} وقد حصل ألكسندر إيليتش كلوس ، وفياشيسلاف ميخائيلوفيتش سيرجيف، وبوريس يوسيلفيتش تسينتر من الاتحاد السوفيتي على براءة اختراع بطارية النيكل-هيدروجين في الولايات المتحدة في 25 فبراير 1971. ^{[ 7 ]}  

أظهرت خلايا NiH₂ التي تستخدم هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) بنسبة 26% كمحلول إلكتروليتي عمرًا تشغيليًا يصل إلى 15 عامًا أو أكثر عند عمق تفريغ 80 % ^{[ 8 ].} _تبلغ كثافة الطاقة 75 واط / كجم ، و60 واط/ديسيمتر مكعب ^{[ 2 ]،} والقدرة النوعية 220 واط/كجم ^{[ 3 ]} . يبلغ جهد الدائرة المفتوحة 1.55 فولت ، ومتوسط ​​الجهد أثناء التفريغ 1.25 فولت ^{[ 9 ] .}     

في حين أن كثافة الطاقة تبلغ حوالي ثلث كثافة بطارية الليثيوم فقط ، فإن الميزة المميزة لبطارية النيكل والهيدروجين هي عمرها الطويل: إذ تتحمل الخلايا أكثر من 20000 دورة شحن ^{[ 4 ]} بكفاءة طاقة تبلغ 85% وكفاءة فاراداي تبلغ 100% .

تتمتع بطاريات النيكل _{والهيدروجين} القابلة لإعادة الشحن بخصائص تجعلها جذابة لتخزين الطاقة الكهربائية في الأقمار الصناعية ^{[ 10 ]} ومسبارات الفضاء . فعلى سبيل المثال، زُوِّدت مركبة ميركوري ميسنجر ^{[ 11 ]} ، ومسبار مارس أوديسي ^{[ 12 ]} ، ومسبار مارس غلوبال سيرفيور ^{[ 13 ]} ببطاريات النيكل والهيدروجين. أما تلسكوب هابل الفضائي ، فعندما استُبدلت بطارياته الأصلية في مايو 2009، أي بعد أكثر من 19 عامًا من إطلاقه، فقد سجل أعلى عدد من دورات الشحن والتفريغ مقارنةً بأي بطارية نيكل-هيدروجين _أخرى ^{[ 14 ]} في مدار أرضي منخفض . ^{[ 15 ]} وكانت محطة الفضاء الدولية تستخدم بطاريات النيكل والهيدروجين حتى عام 2019، حيث استُبدلت ببطاريات الليثيوم أيون . ^{[ 16 ]}

بدأ تطوير بطارية النيكل والهيدروجين عام 1970 في شركة كومسات ^{[ 17 ]} ، واستُخدمت لأول مرة عام 1977 على متن قمر الملاحة التكنولوجي الثاني (NTS-2) التابع للبحرية الأمريكية. ^{[ 18 ]} وتُعدّ شركتا إيجل بيشر تكنولوجيز وجونسون كونترولز من أبرز الشركات المصنّعة لبطاريات النيكل والهيدروجين حاليًا.

تجمع بطارية النيكل-هيدروجين بين قطب النيكل الموجب الموجود في بطارية النيكل-كادميوم والقطب السالب، بما في ذلك المحفز وعناصر نشر الغاز، الموجود في خلية الوقود . أثناء التفريغ، يتأكسد الهيدروجين الموجود في وعاء الضغط إلى ماء، بينما يُختزل قطب أوكسي هيدروكسيد النيكل إلى هيدروكسيد النيكل. يُستهلك الماء عند قطب النيكل ويُنتج عند قطب الهيدروجين، لذا لا يتغير تركيز محلول هيدروكسيد البوتاسيوم الإلكتروليتي. مع تفريغ البطارية، ينخفض ​​ضغط الهيدروجين، مما يوفر مؤشرًا موثوقًا لحالة الشحن. في إحدى بطاريات أقمار الاتصالات الصناعية، كان الضغط عند الشحن الكامل يزيد عن 500 رطل/بوصة مربعة (3.4 ميجا باسكال)، وانخفض إلى حوالي 15 رطل/بوصة مربعة (0.1 ميجا باسكال)  فقط عند التفريغ الكامل.  

إذا تم شحن الخلية بشكل زائد، فإن الأكسجين الناتج عند قطب النيكل يتفاعل مع الهيدروجين الموجود في الخلية ويشكل الماء؛ ونتيجة لذلك، يمكن للخلايا تحمل الشحن الزائد طالما يمكن تبديد الحرارة المتولدة.

تتميز هذه الخلايا بعيب يتمثل في معدل التفريغ الذاتي المرتفع نسبياً، أي الاختزال الكيميائي لأيونات النيكل الثلاثي (Ni(III)) إلى أيونات النيكل الثنائي (Ni(II)) في المهبط:

${\displaystyle {\ce {NiOOH + 1/2H2 <=> Ni(OH)2}}}$

وهو ما يتناسب مع ضغط الهيدروجين في الخلية؛ في بعض التصاميم، قد تُفقد 50% من السعة بعد بضعة أيام فقط من التخزين. ويكون التفريغ الذاتي أقل عند درجات الحرارة المنخفضة. ^{[ 1 ]}

بالمقارنة مع البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأخرى، توفر بطارية النيكل-هيدروجين طاقة نوعية جيدة تتراوح بين 55 و60  واط-ساعة/كجم، وعمرًا تشغيليًا طويلًا جدًا (40,000 دورة عند 40% من عمق التفريغ) وعمرًا تشغيليًا طويلًا (أكثر من 15 عامًا) في تطبيقات الأقمار الصناعية. تتحمل هذه الخلايا الشحن الزائد وانعكاس القطبية العرضي، ويُعد ضغط الهيدروجين داخل الخلية مؤشرًا جيدًا على حالة الشحن. مع ذلك، فإن الطبيعة الغازية للهيدروجين تعني أن كفاءة الحجم منخفضة نسبيًا (60-100  واط-ساعة/لتر لخلية IPV (وعاء الضغط الفردي))، كما أن الضغط العالي المطلوب يجعل أوعية الضغط باهظة التكلفة. ^{[ 1 ]}

يتكون القطب الموجب من صفيحة نيكل مسامية جافة مُلبدة ^{[ 20 ]} تحتوي على هيدروكسيد النيكل . أما قطب الهيدروجين السالب فيستخدم محفزًا من البلاتين الأسود مرتبطًا بالتفلون بحمولة 7 ملغم/سم²، والفاصل مصنوع من قماش الزركونيا المحبوك (ZYK-15 Zircar). ^{[ 21 ] [ 22 ]} 

تُصنع بطاريات هابل البديلة باستخدام عملية الملاط الرطب حيث يتم تشكيل عامل رابط ومواد معدنية مسحوقة وتسخينها حتى يتبخر السائل. ^{[ 23 ]}

• يتكون تصميم وعاء الضغط الفردي (IPV) من وحدة واحدة من خلايا NiH2 _في وعاء ضغط. ^{[ 24 ]}
• يتكون تصميم وعاء الضغط المشترك (CPV) من مجموعتين من خلايا NiH2 _{موصولتين} على التوالي في وعاء ضغط مشترك. يوفر وعاء الضغط المشترك طاقة نوعية أعلى قليلاً من وعاء الضغط المتكامل (IPV).
• يجمع تصميم وعاء الضغط الواحد (SPV) ما يصل إلى 22 خلية متصلة على التوالي في وعاء ضغط واحد.
• يعتمد التصميم ثنائي القطب على أقطاب كهربائية سميكة ، موجبة إلى سالبة، مكدسة ظهرًا لظهر في خلية ضوئية كهروضوئية. ^{[ 25 ]}
• يوفر تصميم خلية وعاء الضغط المعتمد (DPV) طاقة نوعية أعلى وتكلفة أقل. ^{[ 26 ]}
• يُعد وعاء الضغط المشترك/التابع (C/DPV) مزيجًا من وعاء الضغط المشترك (CPV) ووعاء الضغط التابع (DPV) مع كفاءة حجمية عالية. ^{[ 27 ]}

• مخططات
• 
• 
• 
• 
• 

• قائمة أنواع البطاريات
• قائمة أحجام البطاريات
• مقارنة أنواع البطاريات
• بطارية نيكل-معدن هيدريد
• نسبة القوة إلى الوزن
• الوعاء
• الجدول الزمني لتقنيات الهيدروجين
• البطاريات في الفضاء

• ألبرت هـ. زيمرمان (محرر)، مبادئ وتطبيقات بطاريات النيكل والهيدروجين ، دار نشر الفضاء الجوي، إل سيغوندو، كاليفورنيا. رقم ISBN 1-884989-20-9.

• نظرة عامة على تصميم وتطوير وتطبيق بطاريات النيكل والهيدروجين
• بطاريات هيدروجين النيكل القابلة للزرع لتطبيقات الطاقة الحيوية
• دليل ناسا لبطاريات النيكل والهيدروجين
• بطارية نيكل/هيدروجين لأنظمة الطاقة الشمسية الأرضية
• بطارية نيكل-هيدروجين مصنعة بتقنية التصنيع الدقيق باستخدام تقنيات الطباعة بالأغشية السميكة