Setiap keputusan pengecasan yang dibuat oleh pengecas NiMH – bila untuk menolak arus, berapa kuat, dan bila untuk berhenti – akhirnya adalah tindak balas terhadap elektrokimia yang berlaku di dalam tin keluli tertutup. Untuk mengecas sel nikel-logam hidrida dengan baik, seorang jurutera mesti terlebih dahulu dapat menulis dua setengah tindak balas yang didorong oleh arus. Semasa cas, elektrod positif nikel menggerakkan proton keluar dari kekisi berlapisnya, menukar nikel hidroksida Ni(OH)2 kepada nikel oksihidroksida NiOOH, manakala elektrod negatif logam hidrida membelah air untuk membebaskan hidrogen yang diserap dan disimpan sebagai hidrida MH. Makalah ini membuka siri penyelidikan lima puluh bahagian mengenai pengecasan NiMH dengan membina gambaran tindak balas itu secara tepat, kemudian menunjukkan bagaimana ketidakseimbangan kapasiti yang sengaja antara dua elektrod adalah ciri reka bentuk yang membolehkan sel tertutup bertahan saat yang tidak dapat dielakkan apabila arus cas melebihi keupayaan sel untuk menyimpannya.
Elektrod positif nikel ialah rangkaian berliang konduktif yang dimuatkan dengan nikel hidroksida aktif. Semasa cas, Ni(OH)2 kehilangan satu elektron dan satu proton untuk menjadi NiOOH – tindak balas ayunan proton keadaan pepejal yang berlangsung melalui keluarga fasa alfa/beta dan beta/gamma yang biasa dalam literatur elektrod nikel. Oleh kerana tindak balas menggerakkan proton di dalam pepejal dan bukannya menyadur logam daripada larutan, kadarnya ditentukan oleh resapan proton melalui oksida dan oleh kekonduksian elektronik dan ionik elektrod berliang – kedua-duanya berubah dengan keadaan cas dan suhu.
Menghampiri puncak cas, elektrod positif kehabisan Ni(OH)2 yang boleh dioksidakan secara berguna. Di luar titik itu arus yang sama tiada hala tuju produktif dan mula mengoksidakan ion hidroksida dalam elektrolit untuk membebaskan oksigen: 4 OH⁻ kepada O2 tambah 2 H2O tambah 4 elektron. Kajian sel traksi berinstrumen menunjukkan pembebasan oksigen memecut dengan ketara melepasi kira-kira 70 peratus keadaan cas – tanda pertama yang boleh diukur bahawa pengecas memasuki rantau hujung cas yang sensitif.
Elektrod negatif ialah aloi penyimpanan hidrogen yang dipadatkan, lazimnya jenis AB5 misch-metal atau fasa Laves AB2 berkapasiti lebih tinggi. Semasa cas ia menurunkan air kepada hidrogen atom yang memasuki tapak interstis dalam kekisi aloi untuk membentuk hidrida logam MH, membebaskan hidroksida. Tekanan dataran aloi, entalpi pembentukan hidrida dan lapisan pemangkin permukaan menentukan betapa mudah hidrogen diserap dan, yang penting, berapa banyak arus yang boleh diterima sebelum hidrogen molekul dibebaskan sebaliknya.
Sel NiMH tertutup sengaja dibina dengan elektrod negatif yang kapasiti berkesannya melebihi positif – «rizab cas» lazimnya berpuluh-puluh peratus. Oleh kerana positif mencapai cas penuh dahulu, negatif masih mempunyai tapak hidrida kosong apabila oksigen mula muncul, dan ia tidak pernah sampai ke tahap membebaskan hidrogen dalam operasi normal. Ketidakseimbangan ini ialah sebab struktur paling penting mengapa sel NiMH tertutup boleh dicaj berlebihan tanpa terus menghasilkan campuran gas berbahaya.
Apabila oksigen dijana pada positif yang dicaj berlebihan, ia meresap melalui separator berliang yang kekurangan elektrolit ke negatif yang bersaiz lebih besar, di mana ia dikurangkan secara kimia, bergabung semula dengan hidrogen tersimpan untuk menjana semula air dan membebaskan haba. Hasil bersih menjana oksigen pada satu elektrod dan menggunakannya pada yang lain ialah sifar perubahan kimia bersih – tetapi semua tenaga elektrik input dibebaskan sebagai haba. Sel itu oleh itu litar pintas kimia yang menukar arus cas berlebihan terus kepada kehangatan dan kitaran tekanan dalaman.
Penggabungan semula mempunyai kadar terhad pengangkutan terhingga yang ditetapkan oleh kebolehbasahan separator, jarak resapan oksigen, pemangkinan permukaan negatif dan suhu. Di bawah kadar itu gelung mengekalkan tekanan dalaman dalam keadaan mantap yang terurus; di atasnya oksigen terkumpul lebih cepat daripada boleh digunakan, tekanan meningkat, dan injap keselamatan akhirnya boleh terbuka. Reka bentuk arus cas, pada asasnya, ialah seni kekal dalam kapasiti penggabungan semula sel khusus yang dicas.
Sel NiMH menggunakan elektrolit pekat kalium hidroksida, kadang kala dengan litium dan natrium hidroksida, tetapi hanya isipadu yang dihadkan dengan teliti: reka bentuk «elektrolit terhad» yang membiarkan laluan gas terbuka melalui separator supaya oksigen boleh sampai ke negatif. Sel yang dibanjiri akan menyekat laluan tersebut dan kehilangan keupayaan penggabungan semula, manakala sel yang kurang diisi mengalami rintangan dalaman tinggi dan kekeringan sepanjang hayat. Separator hidrofilik oleh itu mempunyai tugas bercanggah – mengalirkan ion hidroksida dan menghantar gas oksigen.
Gandingan ini menjelaskan mengapa protokol cas dan pembinaan sel tidak boleh ditentukan secara berasingan. Profil arus yang digabung semula dengan selesa oleh elektrod nipis bermangkin baik boleh menenggelamkan reka bentuk tebal berkapasiti tinggi, dan sel yang sama menggabung semula lebih cepat ketika hangat berbanding sejuk – fakta yang memotong dua hala, kerana kehangatan juga mempercepat degradasi.
Voltan terminal sel semasa cas ialah jumlah dua potensi keseimbangan, lebihan voltan kinetik kedua-dua tindak balas dan kejatuhan ohmik melalui elektrolit, separator dan pengumpul arus. Awal cas voltan meningkat apabila elektrod nikel melalui keadaan pengoksidaannya dan elektrod hidrida merentasi dataran tekanannya; lewat cas lebihan voltan pembebasan oksigen yang meningkat dan pemanasan sendiri menolak voltan melalui satu puncak, selepas itu pemanasan merendahkan potensi elektrod dan voltan jatuh – ciri -ΔV yang diperiksa secara terperinci dalam Makalah 5.
Membaca lengkung cas sebagai superposisi lebihan voltan tindak balas, dan bukannya bentuk sewenang-wenangnya, memberitahu pereka mengapa sel sejuk berpuncak lebih tinggi, mengapa sel berusia dengan rintangan dalaman lebih tinggi berpuncak lebih awal, dan mengapa arus terlalu kecil untuk memacu pembebasan oksigen yang kelihatan juga tidak menghasilkan puncak yang boleh dipercayai.
Gambaran tindak balas menetapkan keperluan konkrit: padankan rizab cas negatif dengan pendedahan cas berlebihan yang dimaksudkan, pilih separator yang penghantaran oksigennya sepadan dengan arus penggabungan semula maksimum yang diperlukan aplikasi, dan saizkan arus cas supaya, dalam jalur hujung cas melebihi kira-kira 70 peratus keadaan cas, penjanaan oksigen tidak mendahului penggabungan semula. Ia juga memotivasikan setiap kaedah penamatan dalam siri – infleksi voltan, kenaikan suhu, tekanan dan pemasa – sebagai proksi boleh cerap yang berbeza untuk peralihan asas yang sama daripada penyimpanan kepada penggabungan semula.
Bagi pengeluar yang membekalkan sel ke dalam produk yang dilengkapi pengecas, mendokumenkan keadaan cas di mana permulaan oksigen berlaku, arus terhad penggabungan semula dan kelakuan terma yang terhasil pada 0.5C dan 1C ialah yang membolehkan pelanggan memilih profil cas yang mencapai kapasiti penuh tanpa berulang kali memacu sel melalui rantau penggabungan semula yang menjana haba. Makalah seterusnya mengukur bagaimana penerimaan cas dan kecekapan coulomb berkembang merentasi paksi keadaan cas yang sama.
Weijiang Power mereka bentuk dan mengeluarkan sel nikel-logam hidrida, pad yang dipadankan dan konfigurasi sedia dicas untuk pelanggan pengguna, industri, perubatan dan mobiliti, dan menyokong rakan kongsi dengan panduan protokol cas, fail prestasi IEC 61951-2, bukti keselamatan IEC 62133-1 dan pengesahan bersama pengecas. Kongsikan format sel, kadar cas, had terma dan sasaran kitaran, dan jurutera kami akan menentukan kombinasi sel-dan-cas yang melindungi kedua-dua masa jalanan dan hayat perkhidmatan. Semak rangkaian pada halaman produk.
