Никель-водородные аккумуляторы

Никель-водородный аккумулятор — это тип химического источника тока, в котором отрицательным электродом служит губчатый никель, положительным — оксидно-никелевый электрод, а электролитом является раствор гидроксида калия (KOH). Отличительной особенностью является использование в качестве активного материала отрицательного электрода газообразного водорода, хранящегося под давлением. Никель-водородные аккумуляторы (Ni-H₂) известны своим исключительно длительным сроком службы (до 20–30 лет и более) и высокой устойчивостью к глубоким разрядам, что обусловило их применение в основном в космической технике и на спутниках.

История

Разработка никель-водородных аккумуляторов началась в 1970-х годах в США и СССР как альтернатива никель-кадмиевым (Ni-Cd) и серебряно-цинковым аккумуляторам, которые имели ограниченный ресурс циклов и требовали сложного обслуживания. Первые коммерческие образцы были созданы компанией Eagle-Picher (США) для нужд НАСА. В 1977 году аккумуляторы этого типа были впервые установлены на спутнике связи NTS-2 (Naval Technology Satellite). В СССР работы велись в НПО «Квант» (ныне — в составе Роскосмоса) и других организациях; первые отечественные никель-водородные батареи были запущены в серию в 1980-х годах для спутников серии «Космос» и орбитальных станций «Мир».

Ключевым прорывом стало создание компанией Hughes Aircraft (США) в 1980-х годах герметичного корпуса, способного выдерживать давление до 40–50 атмосфер, что позволило безопасно хранить водород внутри элемента. К 1990-м годам никель-водородные аккумуляторы стали стандартом для геостационарных спутников связи и навигационных систем (например, GPS), а также для космических аппаратов дальнего космоса (например, «Кассини-Гюйгенс»). В России они используются на спутниках связи «Экспресс», «Ямал» и на модулях Международной космической станции (МКС).

Устройство и принцип действия

Никель-водородный аккумулятор состоит из герметичного металлического корпуса (обычно из нержавеющей стали), внутри которого размещены:

• Положительный электрод — оксидно-никелевый (NiOOH), изготовленный из спечённого никелевого порошка с добавлением гидроксида никеля.
• Отрицательный электрод — платинированный или палладированный никелевый катализатор (обычно в виде пластины или сетки), на котором происходит электрохимическая реакция с водородом.
• Электролит — 30–40% раствор гидроксида калия (KOH).
• Газовое пространство — заполнено водородом под давлением 20–50 атмосфер.
• Сепаратор — пористая полимерная мембрана (например, из полипропилена или полиэтилена), разделяющая электроды.

Химические реакции

При разряде на отрицательном электроде водород окисляется: \[ H_2 + 2OH^- \rightarrow 2H_2O + 2e^- \] На положительном электроде оксид никеля восстанавливается: \[ 2NiOOH + 2H_2O + 2e^- \rightarrow 2Ni(OH)_2 + 2OH^- \] Суммарная реакция: \[ 2NiOOH + H_2 \rightarrow 2Ni(OH)_2 \]

При заряде реакции протекают в обратном направлении: на положительном электроде гидроксид никеля окисляется до оксида, а на отрицательном — вода восстанавливается до водорода, который накапливается в газовой фазе. Давление в корпусе при заряде может возрастать до 50–60 атмосфер, что требует прочного корпуса и системы контроля давления.

Характеристики

Никель-водородные аккумуляторы обладают рядом уникальных параметров:

• Удельная энергия: 40–60 Вт·ч/кг (массовая) и 80–120 Вт·ч/л (объёмная). Это ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов (150–250 Вт·ч/кг), но выше, чем у никель-кадмиевых (30–50 Вт·ч/кг).
• Срок службы: до 30 000–50 000 циклов заряда-разряда при глубине разряда 20–30% (типичный режим для спутников). В реальных условиях на геостационарных спутниках (срок службы 15–20 лет) аккумуляторы выдерживают 1000–2000 циклов.
• Саморазряд: 1–3% в месяц при комнатной температуре, что значительно ниже, чем у Ni-Cd (10–20%).
• Рабочая температура: от −20°C до +50°C (оптимально 0–30°C).
• Напряжение: номинальное напряжение одного элемента — 1,25 В (рабочий диапазон 1,0–1,5 В).
• Давление: в заряженном состоянии — до 50 атм, в разряженном — 1–2 атм.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Исключительно высокая надёжность и ресурс: никель-водородные аккумуляторы способны выдерживать десятки тысяч циклов, что в 5–10 раз больше, чем у литий-ионных аналогов.
• Устойчивость к глубокому разряду: аккумулятор может быть разряжен до нуля без необратимой деградации (в отличие от литий-ионных, требующих защиты от переразряда).
• Низкий саморазряд: позволяет хранить энергию в течение многих месяцев без подзарядки.
• Экологическая безопасность: не содержат токсичных металлов (кадмий, свинец, ртуть) и не требуют сложной утилизации.
• Работа в вакууме: герметичный корпус и отсутствие жидкого электролита (водород — газ) делают аккумулятор пригодным для космического пространства.

Недостатки

• Низкая удельная энергия: по сравнению с литий-ионными аккумуляторами никель-водородные значительно тяжелее и объёмнее.
• Высокое внутреннее давление: требует прочного и тяжёлого корпуса, что увеличивает массу батареи.
• Дороговизна: использование платины или палладия в качестве катализатора отрицательного электрода и сложная технология изготовления делают аккумуляторы дорогими (стоимость 1 кВт·ч может достигать 10 000–20 000 долларов).
• Ограниченный диапазон рабочих температур: при низких температурах (ниже −20°C) эффективность резко падает.
• Сложность утилизации: хотя аккумулятор экологически безопасен, водород под давлением требует специальных мер при разборке.

Применение

Основная область применения никель-водородных аккумуляторов — космическая техника. Они используются:

• На геостационарных спутниках связи (например, «Экспресс-АМ», «Ямал-300», «Intelsat»). В таких спутниках аккумуляторы работают в циклическом режиме: заряжаются от солнечных батарей в течение 70% времени (когда спутник находится на освещённой стороне Земли) и разряжаются в течение 30% (в тени Земли).
• На навигационных спутниках (GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Здесь аккумуляторы обеспечивают работу в условиях частых переключений между режимами заряда и разряда.
• На научных космических аппаратах (например, «Хаббл», «Кассини», «Марс-Одиссей»). Для миссий к другим планетам, где солнечная энергия недоступна, аккумуляторы работают в связке с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ).
• На орбитальных станциях (МКС, «Мир»). Никель-водородные батареи используются в системах электроснабжения для накопления энергии от солнечных панелей.

В наземных условиях никель-водородные аккумуляторы практически не применяются из-за высокой стоимости и низкой удельной энергии. Однако в 1990-х годах компания Ovonics (США) пыталась адаптировать технологию для электромобилей, но проект не получил коммерческого развития.

Сравнение с другими типами аккумуляторов

Перспективы

Несмотря на появление более компактных и энергоёмких литий-ионных аккумуляторов, никель-водородные аккумуляторы продолжают использоваться в космической отрасли благодаря своей исключительной надёжности и долговечности. В 2010-х годах компания Eagle-Picher (США) разработала модификацию с увеличенной удельной энергией (до 70 Вт·ч/кг) за счёт применения более лёгких корпусов из титановых сплавов. В России ведутся работы по созданию никель-водородных аккумуляторов с улучшенными характеристиками для перспективных спутников связи и навигации (например, для системы «Гонец»).

Однако в коммерческих спутниках (например, Starlink) и в наземной электронике никель-водородные аккумуляторы практически полностью вытеснены литий-ионными. Основным ограничением для их широкого распространения остаётся высокая стоимость и низкая удельная энергия.

Источники

• Handbook of Batteries (3rd ed.), D. Linden, T. Reddy, McGraw-Hill, 2002.
• Nickel-Hydrogen Battery Technology, J. D. Dunlop, NASA Technical Memorandum, 1990.
• Аккумуляторы и батареи: справочник, под ред. В. С. Багоцкого, М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Космические электрохимические системы, Н. В. Коробко, М.: Машиностроение, 2005.
• Eagle-Picher Technologies: Nickel-Hydrogen Batteries for Space Applications, техническая документация, 2015.