← назад в раздел База знаний


Никель - это металлический элемент серебристо-белого цвета, блестящий на вид. Это пятый по распространенности элемент на Земле, который широко встречается в земной коре и ядре. Никель, наряду с железом, также часто встречается в метеоритах. Никель встречается в природе в почве и воде. Это также важное питательное вещество для растений. Никель является переходным металлом с атомным весом 28 г/моль. 

Никель - пятый по распространенности элемент на земле.

Способность никеля сохранять хорошую емкость и более высокую плотность энергии в батареях при относительно низкой цене является одним из его главных преимуществ. Никель используется в литий-ионных аккумуляторах второго поколения и выпускается в общей сложности двух типов, включая NMC (LiNiMnCo или оксид лития никеля марганца кобальта) и NCA (LiNiCoAlO2 или оксид лития никеля кобальта алюминия). Первым в мире никелевым аккумулятором была NiCd (никель-кадмиевый), которая стала первым аккумулятором, использующей щелочной электролит. Вслед за этой батареей в 1980-х годах были изобретены многие другие, например, NiMH (никель-металлгидридный аккумулятор), NiFe (железо-никелевый аккумулятор), NiZn (никель-цинковый аккумулятор), NiH2 (никель-водородный аккумулятор).

Никель-кадмиевые аккумуляторы обычно используются для портативных устройств в виде элементов AA и AAA, в то время как литий-ионные аккумуляторы NCA и NMC используются в электромобилях, в которых используется 80% и 33% никеля соответственно. Никель-цинковые аккумуляторы используются во многих железнодорожных транспортных средствах, например, в локомотивах, а также в метро. Никель-цинковые аккумуляторы предпочтительнее, когда требуется высокая мощность и напряжение. Никель-водородные аккумуляторы хорошо зарекомендовали себя в широком диапазоне температур, что делает их пригодными для использования на спутниках.

Основное преимущество использования никеля в аккумуляторах заключается в том, что он обеспечивает более высокую плотность энергии и большую емкость аккумулятора при меньших затратах. Дальнейший прогресс в технологии никельсодержащих аккумуляторов означает, что их роль в системах хранения энергии возрастает, что помогает повысить конкурентоспособность стоимости каждого киловатт-часа аккумуляторной батареи. Это делает производство энергии из непостоянных возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия, заменяющих ископаемое топливо, более жизнеспособным.

Никелевые аккумуляторы обеспечивают более высокую плотность энергии и большую емкость аккумулятора при меньших затратах.

Никель стал наиболее широко использоваться в аккумуляторах благодаря своей стойкости к высоким напряжениям и электропроводности, что означает, что аккумулятор не нагревается при прохождении большого тока. Никель это  недорогой и легкодоступный, а также его можно легко свариваемый материал. Он очень популярен при изготовлении различных деталей аккумуляторных батарей; в конструкции аккумуляторов используются различные никелевые сплавы. Это связано с тем, что никелевые токоотводы позволяют создавать аккумуляторы с длительным сроком службы. Никель используется в различных устройствах, от самолетов до устройств Bluetooth. Он используется во многих формах, таких как ленты, пористая никелевая пена, токотводы для батареек и многое другое.

Свойства никеля

1. Обилие никеля: Никель, уступающий железу, является одним из самых распространенных металлов в ядре Земли, его содержание составляет 80 ppm.

2. Цвет никеля: Это серебристо-белый твердый металл, который содержится в силикатных и сульфидных рудах.

3. Температура плавления/замерзания и плотность никеля: Его температура плавления и кипения составляет 1455°C и 2730°C соответственно, а плотность - 8.908 г/см3 при комнатной температуре.

4. Физические свойства никеля: Он обладает высокой пластичностью, и ему можно придавать различные формы без образования трещин. Из него можно изготавливать проволоку, прутки, листы, трубы и многое другое. По сравнению с железом, он относительно тверже.

5. Электропроводность и магнитные свойства никеля: Никель является довольно хорошим проводником электричества и тепла. Он ферромагнитен и является одним из 4 металлов, которые при комнатной температуре проявляют магнитные свойства.

6. Реакционная способность никеля: Он очень стабилен в твердом состоянии и не вступает в реакцию с воздухом, но при тонком измельчении и диспергировании воспламеняется на воздухе. Обладая такими свойствами, он не ржавеет и не подвергается коррозии.

7. Изотопы никеля: У никеля много изотопов, наиболее стабильными из которых являются: 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni и 64Ni с 58Ni. Никелевые сплавы представляют собой твердые растворы никеля с другими металлами, из которых наиболее широко используется нержавеющая сталь. Другими основными видами никелевых сплавов являются никель-хромовые сплавы, железо-никель-хромовые сплавы и медно-никелевые сплавы. Никелевые сплавы изготавливаются из-за их разнообразных свойств, таких как сплавы с электрическим сопротивлением, сплавы с памятью формы, сплавы с низким коэффициентом расширения, магнитомягкие сплавы.

Почему и как никель используется в аккумуляторах?

 

Никель является важным компонентом для катодов многих конструкций вторичных аккумуляторов.

Никель является относительно дешевым металлом и обладает высокой удельной энергией, что позволяет обеспечить большую емкость аккумулятора и высокую плотность энергии при очень низких ценах. Никель используется в качестве катода во многих перезаряжаемых аккумуляторах, включая литий-ионные аккумуляторы. 

Таблица 1. Никель является важным компонентом для катодов многих конструкций вторичных аккумуляторов, включая литий-ионные.

 Тип аккумулятора    Анод  Катод  Электролит
 Щелочной

 Однократное

использование

 Диоксид марганца (MnO2)  Цинк  Водно-щелочной
 Свинцово-кислотный  Перезаряжаемый  Оксид свинца (PbO2)  Свинец  Серная кислота
 Никель-кадмиевый  Перезаряжаемый

Оксид-гидроксид никеля

(NiOOH)

 Кадмий   Гидроксид калия
 Никель-металлогидридный  Перезаряжаемый

Водородсорбирующий

сплав

 Литий-ионный (LCO)  Перезаряжаемый  Оксид лития кобальта (LiCoO2)

На основе углерода,

обычно графита

Соль лития в органическом

растворителе 

 Литий-ионный (NMC)  Перезаряжаемый  Оксид лития никеля марганца кобальта
 Литий-ионный (NCA)  Перезаряжаемый  

Никель-кадмиевый аккумулятор

В этих аккумуляторах используются электроды, изготовленные с использованием гидроксида никеля, щелочного электролита из гидроксида калия и металлического кадмия. Это перезаряжаемые вторичные аккумуляторы, которые используются для портативных устройств, таких как видеокамеры, дрели, компьютеры и другие небольшие устройства. Однако этот аккумулятор обладает эффектом памяти, то есть его можно подзаряжать, но необходимо периодически полностью разряжать. Он обеспечивает напряжение 1.20 В. В некоторых странах этот аккумулятор запрещен к использованию из-за токсичных свойств кадмия, которые затрудняют его переработку.

Никель-металлогидридный аккумулятор

Это тип перезаряжаемых аккумуляторов, которые имеют низкое внутреннее сопротивление, высокий саморазряд, но могут иметь емкость в 2-3 раза выше, чем у NiCd того же размера, а плотность энергии приближается к плотности энергии литий-ионного аккумулятора. И никель-кадмиевые, и никель-металлогидридные аккумуляторы используют гидроксид никеля в качестве катодного материала и обеспечивают напряжение 1.20 В. Однако в отрицательных электродах вместо кадмия используется сплав, поглощающий водород.

Железо-никелевый аккумулятор

Железо-никелевый аккумулятор представляет собой перезаряжаемый аккумулятор. Он имеет железный анод и катод из оксида никеля и электролит из гидроксида калия. Обеспечивает напряжение 1.20 В. Он хорошо работает при высоких температурах, но выходит из строя при низких. За месяц аккумулятор разряжается на 20-40%, а его удельная энергия составляет около 50 Вт·ч/кг. Это сделало железо-никелевые аккумуляторы ненадежными. Хотя из-за его длительного срока службы его использование вновь рассматривается, поскольку более длительный срок службы требует меньших затрат рабочей силы на его переработку. Это очень надежная батарея, которая устойчива к неправильному обращению (перезаряду, переразрядке и короткому замыканию) и может прослужить очень долго даже при подобном обращении. Они часто используются для резервного питания, когда их можно заряжать непрерывно и они могут прослужить в таокм более 20 лет. Из–за низкой удельной энергии, плохого удержания заряда и высокой стоимости производства никель-железные аккумуляторы были вытеснены другими типами аккумуляторами в большинстве областей применения.

Никель-цинковый аккумулятор

Никель-цинковый аккумулятор это тип перезаряжаемого аккумулятора, аналогичный никель–кадмиемовым, но с более высоким напряжением - 1.6 В. В качестве катода здесь используется гидроксид никеля. Его можно полностью перезаряжать около 200 ÷ 300 раз, а удельная энергия составляет 100 Вт·ч/кг, что является относительно высоким показателем. Этот тип аккумуляторов оптимален для использования при высокой мощности и высоком напряжении. Он также доступен в типоразмерах АА. Распространенной проблемой, связанной с цинковыми аккумуляторными батареями, является изменение формы электродов и появление дендритов (или "усов"), которые могут снизить эффективность разрядки элемента или, в конечном счете, привести к короткому замыканию элемента, что приводит к сокращению срока службы. При сравнении NiZn аккумуляторов с другими технологиями срок службы может варьироваться в зависимости от используемой скорости и глубины разряда.

Никель-водородный аккумулятор

Никель-водородный аккумулятор (NiH2 или Ni–H2) - это перезаряжаемый электрохимический источник питания на основе никеля и водорода. Он отличается от никель–металлогидридных аккумуляторов (NiMH) использованием водорода в газообразной форме, который хранится в герметичном элементе при давлении до 1200 psi (82.7 бар). Элементы NiH2, использующие в качестве электролита 26%-ный гидроксид калия (KOH), показали срок службы 15 лет и более при глубине разряда 80%. Плотность энергии составляет 75 Вт·ч/кг, 60 Вт*ч/дм3. Удельная мощность 220 Вт/кг. Напряжение разомкнутой цепи составляет 1.55 В, среднее напряжение во время разряда - 1.25 В. Хотя плотность энергии составляет всего около трети от плотности энергии литий-ионного аккумулятора, отличительным достоинством никель–водородного аккумулятора является ее длительный срок службы: элементы выдерживают более 20 000 циклов заряда/разряда с 85%-ной энергоэффективностью и 100%-ной фарадеевской эффективностью.

Литий-ионные аккумуляторы на основе NMC и NCA

В сочетании с растущей долей рынка развиваются и аккумуляторные технологии, что является еще одной причиной увеличения доли используемых никельсодержащих литий-ионных аккумуляторов. Два наиболее часто используемых типа аккумуляторов, никель-кобальтово-алюминиевые (NCA) и никель-марганцево-кобальтовые (NMC), содержат 80% и 60 ÷ 80% никеля соответственно; содержание никеля в новых составах NMC также приближается к 90% никеля. В настоящее время большинство литий-ионных аккумуляторов изготавливаются на основе никеля.

Никель вносит существенный вклад в производство литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые обеспечивают большую часть революции в электромобилях.

Использование никеля в комплектующих для аккумуляторов

Никелевые токотводы 

Никель обладает многими полезными свойствами, что делает его одним из лучших и наиболее часто используемых материалов для изготовления токотводов для аккумуляторов. Никелевые токотводы изготавливаются из никелевого сплава НП1/Alloy 201, который является ферромагнитным, обладает высокой электропроводностью и не поддается коррозии. Литиевый сплав изготавливается из никеля благодаря его свойству выдерживать самое высокое напряжение среди металлов, таких как Al и Cu, которые подвержены коррозии при напряжении ниже 4 В, в то время как Ni может выдерживать напряжение до 4.5 В. Его легко сваривать по сравнению с другими материалами, используемыми в аккумуляторах. Благодаря низкому сопротивлению этот материал очень безопасен в использовании, он не нагревается, не расходует энергию впустую и не повреждает аккумулятор.

Никелевая пена для подложки катода аккумулятора

Аккумуляторы изготавливаются с учетом низкого внутреннего сопротивления и высокой электропроводности. Отсюда пористые материалы, такие как вспененный никель, являются наиболее подходящими для использования в качестве проводников тока для литий-ионных аккумуляторов. Он обладает низкой плотностью, так как 75 ÷ 95% пространства занимает пустота, что делает его идеальным материалом. Он используется в аккумуляторах и в качестве подложки также благодаря своим следующим свойствам, как высокая проводимость и трехмерная структура.

Никелевая лента

Для изготовления токоотводов для аккумуляторов часто используются полоски (ленты) из чистого никеля, поскольку их легко сваривать. В них легко можно проделать отверстия для создания дополнительных шин, просверлив несколько полосок (лент) одновременно или пробив по одному отверстию за раз. Ширина этих полосок определяет их способность пропускать различные по силе токи без образования коррозии. Если никелевая лента слишком тонкая, она может легко подвергнуться коррозии, поэтому на всякий случай можно использовать их, наслаивая слоями или спаивая. Никелевые ленты широко используются в электроприборах, химическом оборудовании, аккумуляторных батареях, компьютерах, сотовых телефонах, электроинструментах и других подобных инструментах.

Другие области применения никеля в аккумуляторном оборудовании

Никель используется в аккумуляторах, механизмах, приборах и множестве других приборов. В последние несколько десятилетий никель используется в никель-кадмиевых и никель-металлгидридных вторичных аккумуляторах. Эти аккумуляторы зарекомендовали себя как долговечные и перезаряжаемые. Все, от самых маленьких устройств, таких как телефоны и фотоаппараты, до автомобилей и самолетов, используют никелевые аккумуляторы из-за их низкой стоимости и высокой скорости доставки. Помимо аккумуляторов, никель находит множество других полезных применений в различных отраслях.

Выводы

Никель произвел революцию в области аккумуляторов благодаря своим высоким энергетическим свойствам. Он используется в электромобилях, локомотивах и других небольших устройствах, и даже в спутниках. Никелевые аккумуляторы бывают разных размеров и напряжений. Хотя никель-кадмиевые аккумуляторы обладают высоким уровнем токсичности, никель-металлогидридные аккумуляторы являются подходящей им альтернативой. Никелевые аккумуляторы пользуются большой популярностью и используются во всех типах бытовой техники. Никелевые аккумуляторы постоянно совершенствуются, и можно ожидать, что в будущем они приведут к технологическому прогрессу.