Hvězdné baterie nikl-vodík (Ni-H)

V tomto článku se podíváme na netradiční bateriový sytém, který našel své užití například v Hubbleově vesmírném teleskopu, Mezinárodní vesmírné stanici a dalších satelitech a vesmírných sondách.

Baterie na bázi nikl-vodík nebyly nikdy komerčně dostupné pro koncové spotřebitele. Jedná se o zajímavý systém, který našel své uplatnění hlavně díky dlouhé životnosti a zejména vysoké cyklické odolnosti. Vynalezeny byly okolo roku 1987. První patent si nechali patentovat pánové Alexandr Ilich Kloss a Boris Ioselevich Tsenter v roce 1971 ve Spojených Státech. Principem funkce připomínají spíše palivové články a tvarem tlakovou lahev. Principem funkce se velice podobají svým nástupcům, akumulátorům na bázi nikl-metal hydrid (Ni-MH).

Konstrukce

Článek je tvořen ocelovou tlakovou nádobou, ve které jsou umístěny elektrody a elektrolyt. Nádoba musí odolat značnému tlaku vodíku v nabitém stavu. Na rozdíl od baterií Ni-MH není vodík ukládán (adsorbován) do kovu (čímž se tvoří hydrid kovu), ale zůstává v plynné formě.

Elektrody jsou tvořeny niklem a vodíkem. Vodíková elektroda je tvořena disky, nebo mřížkami obsahujícími černou platinu v teflonu jakožto katalyzátor. Mezi elektrodami je také umístěn separátor, který funguje také jako vrstva umožňující difuzi vodíku, zpravidla se jedná o zirkonovou tkaninu ZYK-15 Zircar. Elektrolyt tvoří 26% vodný roztok hydroxidu draselného. Niklová elektroda je zhotovená jako slinovaná elektroda s obsahem hydroxidu nikelnatého.

Články se vyrábí v provedení, kde je jeden článek v tlakové nádobě (IPV – individual pressure vessel), nebo dva články v jedné tlakové nádobě (CPV – common pressure vessel) a nebo až 22 článků v jednom pouzdře (SPV – single pressure vessel).

Vlastnosti a (ne)výhody

Nominální vybíjecí napětí je 1,25 V. Provozní tlak dosahuje hodnot okolo 80 barů. Energetická hustota se pohybuje okolo 40-75 Wh na kilogram a 60 Wh na litr. Měrný výkon je zhruba 220 W/kg. Provozní teploty se pohybují v rozsahu -28 až +54 stupňů Celsia. Energetická účinnost dosahuje 85 %.

Stav nabití je přímo úměrný tlaku vodíku v tlakové nádobě, a tak lze snadno určit míru nabití. Bez problému snáší velmi hluboké vybíjení. Velmi dlouhá je také kalendářní životnost ( až 15 let), ale i cyklická životnost (až 20000 cyklů nabití/vybití). Široký je také rozsah pracovních teplot. Přebíjení díky kyslíkovému cyklu a následné rekombinaci plynu zpět na vodu není problém za předpokladu, že je zajištěn adekvátní odvod ztrátového tepla.

Kvůli obsahu platiny a nutnosti zapouzdření do pevné tlakové nádoby jsou tyto baterie velmi drahé. Podprůměrná je také energetická hustota v porovnání s Li-Ion bateriemi. Vysoký provozní tlak představuje bezpečnostní riziko exploze. Samovybíjení je úměrné tlaku vodíku a může dosahovat až 50 % za několik dnů skladování.

Použití

Hodí se pro aplikace, kde jsou baterie neustále nabíjeny a vybíjeny. Satelity na nízké oběžné dráze země obíhají planetu Zemi jednou za 90 minut, tedy své baterie nabíjí a vybíjí 16krát denně. Najedeme je například v teleskopu Hubble, kde byly vyměněny až po 19 letech služby, Mezinárodní vesmírné stanici a podobně. Vyvíjeny byly varianty pro pozemní použití, tam se však neprosadily.

Dříve nezastupitelné baterie jsou nahrazovány Li-Ion technologií

Dnes již jejich funkci zastávají speciální varianty Li-Ion baterií, ale dlouhou dobu to byly jediné baterie s unikátními vlastnostmi pro vesmírnou techniku. Ni-H baterie nahradily baterie Ni-Cd vyvinuté pro satelity.