Mọi quyết định sạc mà bộ sạc NiMH đưa ra – khi nào đẩy dòng, mạnh đến đâu và khi nào dừng – cuối cùng đều là phản ứng với điện hóa học diễn ra bên trong một vỏ thép kín. Để sạc tốt một cell nickel-kim loại hydride, kỹ sư trước hết phải viết được hai bán phản ứng mà dòng điện thúc đẩy. Khi sạc, điện cực dương nickel đẩy proton ra khỏi mạng lưới phân lớp của nó, chuyển nickel hydroxide Ni(OH)2 thành nickel oxyhydroxide NiOOH, trong khi điện cực âm kim loại hydride tách nước để giải phóng hydro được hấp thụ và lưu trữ dưới dạng hydride MH. Bài viết này mở đầu loạt nghiên cứu năm mươi phần về sạc NiMH bằng cách dựng chính xác bức tranh phản ứng đó, rồi cho thấy sự mất cân bằng dung lượng cố ý giữa hai điện cực chính là đặc điểm thiết kế cho phép cell kín chịu đựng thời điểm không thể tránh khỏi khi dòng sạc vượt quá khả năng lưu trữ của cell.
Điện cực dương nickel là một mạng lưới xốp dẫn điện được nạp nickel hydroxide hoạt tính. Khi sạc, Ni(OH)2 mất một electron và một proton để trở thành NiOOH – phản ứng “đu đưa proton” ở trạng thái rắn, đi qua các họ pha alpha/beta và beta/gamma quen thuộc trong tài liệu về điện cực nickel. Vì phản ứng di chuyển proton bên trong chất rắn thay vì mạ kim loại từ dung dịch, tốc độ của nó được quyết định bởi khuếch tán proton qua oxide và bởi độ dẫn điện tử và ion của điện cực xốp – cả hai đều thay đổi theo trạng thái sạc và nhiệt độ.
Gần đỉnh sạc, điện cực dương cạn Ni(OH)2 có thể oxy hóa có ích. Quá điểm đó cùng dòng điện không còn hướng đi hiệu quả và bắt đầu oxy hóa các ion hydroxide trong điện giải để giải phóng oxy: 4 OH⁻ thành O2 cộng 2 H2O cộng 4 electron. Các nghiên cứu cell kéo có trang bị thiết bị cho thấy sự giải phóng oxy tăng tốc rõ rệt sau khoảng 70 phần trăm trạng thái sạc – dấu hiệu đo được đầu tiên cho thấy bộ sạc đang đi vào vùng cuối sạc nhạy cảm.
Điện cực âm là một hợp kim lưu trữ hydro được nén chặt, phổ biến nhất là loại AB5 misch-metal hoặc pha Laves AB2 dung lượng cao hơn. Khi sạc, nó khử nước thành hydro nguyên tử đi vào các vị trí kẽ trong mạng lưới hợp kim để tạo thành kim loại hydride MH, giải phóng hydroxide. Áp suất nền của hợp kim, enthalpy tạo hydride và lớp xúc tác bề mặt quyết định mức độ dễ dàng hấp thụ hydro và, quan trọng, lượng dòng nó có thể nhận trước khi hydro phân tử được giải phóng thay thế.
Các cell NiMH kín được cố ý chế tạo với điện cực âm có dung lượng hiệu dụng vượt điện cực dương – một “dự trữ sạc” thường vào hàng chục phần trăm. Vì điện cực dương đạt đầy sạc trước, điện cực âm vẫn còn vị trí hydride trống khi oxy bắt đầu xuất hiện, và trong vận hành bình thường nó không bao giờ đến mức giải phóng hydro. Sự mất cân bằng này là lý do cấu trúc quan trọng nhất khiến một cell NiMH kín có thể bị sạc quá mức mà không ngay lập tức tạo ra hỗn hợp khí nguy hiểm.
Khi oxy được tạo ra ở điện cực dương đang sạc quá mức, nó khuếch tán qua màng ngăn xốp thiếu điện giải đến điện cực âm kích thước lớn hơn, nơi nó bị khử về mặt hóa học, tái tổ hợp với hydro dự trữ để tái tạo nước và giải phóng nhiệt. Kết quả thuần của việc tạo oxy ở một điện cực và tiêu thụ ở điện cực kia là không có thay đổi hóa học thuần – nhưng toàn bộ năng lượng điện đầu vào được giải phóng dưới dạng nhiệt. Do đó cell là một đoản mạch hóa học chuyển dòng sạc quá mức trực tiếp thành hơi ấm và các chu trình áp suất bên trong.
Tái tổ hợp có tốc độ hữu hạn bị giới hạn bởi vận chuyển, được thiết lập bởi khả năng thấm ướt màng ngăn, khoảng cách khuếch tán oxy, xúc tác bề mặt điện cực âm và nhiệt độ. Dưới tốc độ đó vòng lặp giữ áp suất bên trong ở trạng thái ổn định có thể kiểm soát; trên mức đó oxy tích lũy nhanh hơn mức tiêu thụ, áp suất tăng, và van an toàn cuối cùng có thể mở. Thiết kế dòng sạc, về cơ bản, là nghệ thuật ở trong khả năng tái tổ hợp của chính cell được sạc.
Cell NiMH dùng điện giải KOH đậm đặc, đôi khi kèm lithium và sodium hydroxide, nhưng chỉ một thể tích được giới hạn cẩn thận: thiết kế “điện giải hạn chế” để mở các đường dẫn khí qua màng ngăn giúp oxy đến được điện cực âm. Một cell ngập điện giải sẽ chặn các đường dẫn đó và mất khả năng tái tổ hợp, trong khi cell thiếu điện giải chịu điện trở trong cao và khô cạn trong vòng đời. Màng ngăn ưa nước vì thế có các nhiệm vụ mâu thuẫn – dẫn ion hydroxide và truyền khí oxy.
Sự ghép nối này giải thích tại sao giao thức sạc và cấu tạo cell không thể được chỉ định độc lập. Một cấu hình dòng mà điện cực mỏng xúc tác tốt tái tổ hợp thoải mái có thể áp đảo thiết kế dày dung lượng cao, và cùng một cell tái tổ hợp nhanh khi ấm hơn khi lạnh – một thực tế tác động hai chiều, vì hơi ấm cũng đẩy nhanh suy giảm.
Điện áp đầu cực của cell khi sạc là tổng của hai điện thế cân bằng, các quá thế động học của cả hai phản ứng và sụt áp ohmic qua điện giải, màng ngăn và các tấm thu dòng. Đầu sạc điện áp tăng khi điện cực nickel đi qua các trạng thái oxy hóa và điện cực hydride đi qua vùng áp suất nền của nó; cuối sạc quá thế giải phóng oxy tăng và tự làm nóng đẩy điện áp qua một đỉnh, sau đó việc nóng lên hạ thấp điện thế điện cực và điện áp giảm – dấu hiệu -ΔV được xem xét chi tiết trong Bài 5.
Đọc đường cong sạc như sự chồng chất của các quá thế phản ứng thay vì một hình dạng tùy ý cho người thiết kế biết tại sao cell lạnh có đỉnh cao hơn, tại sao cell già với điện trở trong cao hơn có đỉnh sớm hơn, và tại sao dòng quá nhỏ để thúc đẩy giải phóng oxy nhìn thấy cũng không tạo ra đỉnh đáng tin cậy.
Bức tranh phản ứng đặt ra các yêu cầu cụ thể: ghép dự trữ sạc âm với mức phơi nhiễm sạc quá mức dự kiến, chọn màng ngăn có khả năng truyền oxy khớp với dòng tái tổ hợp tối đa mà ứng dụng đòi hỏi, và định cỡ dòng sạc sao cho, trong dải cuối sạc trên khoảng 70 phần trăm trạng thái sạc, việc tạo oxy không vượt tái tổ hợp. Nó cũng giải thích cho mọi phương pháp kết thúc trong loạt – điểm gãy điện áp, tăng nhiệt độ, áp suất và bộ hẹn giờ – như các đại lượng quan sát khác nhau cho cùng một chuyển đổi nền tảng từ lưu trữ sang tái tổ hợp.
Đối với nhà sản xuất cung cấp cell cho các sản phẩm kèm bộ sạc, việc ghi lại trạng thái sạc tại đó oxy bắt đầu, dòng giới hạn tái tổ hợp và hành vi nhiệt tương ứng ở 0,5C và 1C là điều cho phép khách hàng chọn cấu hình sạc đạt dung lượng đầy mà không lặp lại đẩy cell qua vùng tái tổ hợp sinh nhiệt. Bài tiếp theo định lượng cách mức chấp nhận sạc và hiệu suất coulomb tiến triển trên cùng trục trạng thái sạc.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất các cell nickel-kim loại hydride, các bộ pack ghép nối và các cấu hình sẵn sàng sạc cho khách hàng dân dụng, công nghiệp, y tế và di động, và hỗ trợ đối tác bằng hướng dẫn giao thức sạc, hồ sơ hiệu năng IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-1 và đồng kiểm định bộ sạc. Hãy cho chúng tôi biết định dạng cell, tốc độ sạc, giới hạn nhiệt và mục tiêu vòng đời, và các kỹ sư của chúng tôi sẽ chỉ định tổ hợp cell-và-sạc bảo vệ cả thời gian chạy lẫn tuổi thọ. Xem qua dải sản phẩm trên trang sản phẩm.
