Nikkel-raudakud (NiFe-akud): tööpõhimõte, omadused ja kasutusvaldkonnad

Nikkel-raudakud (NiFe-akud) on rauast, niklist ja hüdroksiidist valmistatud akud. Need on väga tugevad ja ei purune kergesti. Nad võivad vastu pidada rohkem kui 20 aastat. Nad on aeglaselt laetavad. Neid kasutatakse sageli rongides.

Nikkelraudpatareid on väga vastupidavad. Neid saab mitu korda laadida. Neid seostatakse sageli Thomas Edisoniga, kuigi ta ei leiutanud seda tüüpi akut. Edisoni ettevõte tootis neid patareisid kuni 1970. aastate alguseni. Tänapäeval valmistavad neid mitmed Hiina ettevõtted. Neid kasutatakse sageli rakendustes, kus on vaja väga pikka kasutusiga, näiteks suurtes võrguteta päikeseenergiasüsteemides.

Tööpõhimõte

NiFe-aku on akueelmekemialt lihtne: positiivsele elektroodile (katoodile) läheb nikkel-hüdroksiid (täpsemalt nikli(III)oksiid-hüdroksiid) ja negatiivsele elektroodile (anoodile) raud/rauaühendid. Elektroliit on tavaliselt kaaliumhüdroksiidi (KOH) lahus. Laadimisel ja tühjendamisel toimuvad redoksreaktsioonid, mille tulemusel liiguvad elektronid välimises voolus ning ioonid elektroliidis.

Nende aku nimipinge on umbes 1,2 V ühe elemendi kohta. Tööpõhimõte võimaldab akul taluda sügavat tühjenemist ja mõningast ülelaadimist ilma kiire kahjustuseta, kuid energiatihedus ja laadimisefektiivsus on madalamad kui moodsatel liitium-ioonakudel.

Peamised omadused ja tehnilised näitajad

• Vastupidavus ja eluiga: väga pikk tööiga (kergesti üle 10–20 aasta) ja suur tsüklite arv (sadu kuni tuhandeid tsükleid olenevalt töörežiimist).
• Energiatihedus: suhteliselt madal (tüüpiliselt umbes 20–50 Wh/kg), seega akud on rasked ja mahult suured võrreldes kaasaegsete liitiumakudega.
• Laadimis- ja tühjendamiskiirus: üldjuhul aeglane laadimine on tavaline; kiire laadimine pole nende tugev külg.
• Laadimise efektiivsus: madalam kui liitium-ioonil — osa energiast läheb vee elektrolüüsiks ja soojenemiseks.
• Temperatuuritaluvus: töötavad laias temperatuurivahemikus ja taluvad kõrgeid temperatuure paremini kui paljud teised akutehnikad, kuid elektroliit on söövitav ja külmumisel tuleb ettevaatlik olla.
• Turvalisus: ei ole tuleohtlikud nagu mõned orgaanilised elektrolyüdid; võivad siiski erituda vesinikgaasi ülelaadimisel, seega hea ventilatsioon on vajalik.

Eelised ja puudused

• Eelised:
  • Erakordselt pikk eluiga ja kõrge tsüklilegend: sobivad pikaajaliseks energiavaruks.
  • Suurepärane vastupidavus mehhaanilisele ja keskkonna mõjutusele.
  • Lihtne keemiline koostis, metallid (raud, nikkel) on ringlussevõetavad.
  • Võib taluda sügavat tühjenemist ja mõningast ülelaadimist ilma tõsise kahjustuseta.
• Puudused:
  • Madalam energiatihedus ja suurem kaal.
  • Suurem isetühjenemine ja madalam laadimise efektiivsus võrreldes modernsete akutehnoloogiatega.
  • Kaaliumhüdroksiidi elektroliit on söövitav — nõuab korrektselt tihendatud korpust ja hooldust.
  • Vajadus aeglasema laadimise järele ja madal kiirlaadimise võime.

Kasutusvaldkonnad

NiFe-akudel on spetsiifilised kasutusalad, kus nende tugevad küljed tulevad eriti esile:

• Suurte päikeseenergia salvestussüsteemide ja maaparandussüsteemide varud (näiteks võrguühenduseta ja hübriidsüsteemid).
• Taristu ja sidevarude puhul, kus nõutakse pikaajalist töökindlust ja vähest hooldust.
• Ajalooliselt on neid kasutatud rongide ja muude rööbastega sõidukite akupakkides — seos rongidega tuleb sellest kasutusest.
• Teatud tööstus- ja varutoiteallikad, kus tuleoht ja õnnetuste riskid peavad olema minimaalsed.

Hooldus ja ohutus

• Kuigi NiFe-akud on vastupidavad, vajavad need korrapärast kontrolli: korpuse tihendid, elektroliidi taseme jälgimine (kui avatud akud), ja ventilatsioon vesiniku eemaldamiseks ülelaadimisel.
• Kaaliumhüdroksiid on tugev alus ja söövitav — vähemalt labakindad ja kaitseprillid on soovitatavad töötamisel või lekkega tegelemisel.
• Tavapärane laadimismeetod erineb liitium‑ioonist; kasuta akule sobivaid laadijaid ja ära ignoreeri tootja soovitusi võimsuse ja laadimisprofiili kohta.

Keskkonnamõju ja ringlussevõtt

NiFe-akude metalliline koostis (raud ja nikkel) on ringlussevõetav ning suhteliselt lihtne töödelda võrreldes keerukamate keemiliste ühenditega. Kaaliumhüdroksiidi neutraliseerimine ja korrosiooniga seotud jäätmed nõuavad õiget käitlemist. Kui akud on ehitatud korralikult, siis nende pika tööiga vähendab vajadust sagedaseks asendamiseks, vähendades sellega elu- ja ressursikulu.

Kokkuvõte

NiFe- ehk nikkel-raudakud on eripärase profiiliga akutüüp: nad ei ole sobiv alternatiiv igale rakendusele (madal energiatihedus ja aeglasem laadimine), kuid paistavad silma erakordse vastupidavuse, pika tööea ja suure tsüklitaluvuse poolest. Seetõttu leiavad nad kasutust kohtades, kus eelistatakse töökindlust ja pikaealisust kaaluliselt ja ruumiliselt efektiivsuse asemel.

Otsing