סוללת ניקל-ברזל

סוללת ניקל–ברזל (סוללת NiFe) היא סוללה נטענת שבה הקתודה היא תחמוצת ניקל (III) אוקסידי וברזל משמש כאנודה, עם אלקטרוליט של אשלגן הידרוקסידי. החומרים הפעילים נמצאים בצינורות פלדה מצופים בניקל או בתאים מחוררים. זוהי סוללה חזקה מאוד ועמידה לשינויים (טעינת יתר, שימוש יתר, וקצר חשמלי) ויכול להיות בשימוש זמן רב אפילו אם סבלה משימוש לא נכון. סוללות ניקל-ברזל משמשות לעיתים קרובות כסוללות גיבוי, כאשר הן נטענות באופן רציף, ויכולות להיות שמישות יותר מ-20 שנה. בשל אנרגיה סגולית נמוכה, בשל יכולתה הנמוכה לשמור אנרגיה ובשל עלות גבוהה של ייצור, סוגים אחרים של סוללות נטענות החליפו את סוללות ניקל–ברזל ברוב היישומים. סוללות ניקל–ברזל היו בשימוש לאורך שנים ארוכות במכרות באירופה בגלל עמידותן הטובה לזעזועים, רעידות, טמפרטורות גבוהות ותנאים פיזיים קשים אחרים. במאה ה-21 נשקל פעם נוספת השימוש בסוללות אלה במערכות להפקת אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית, בהן משקל הסוללה איננו שיקול מרכזי. בכלים רכבתיים רבים קיימות סוללות ניקל-ברזל. כך למשל בקטרים חשמליים של הרכבת התחתית של לונדון ובקרונות מדגם R62A של הרכבת התחתית של ניו יורק. טכנולוגיה סוללות ניקל-ברזל זכתה לפופולריות בקרב התיישבויות אדם המנותקות מתשתיות מרכזיות, שאז טעינה מחדש של סוללות אלה היא בגדר טכנולוגיה ראויה (Appropriate technology). קיים מחקר הבוחן שימוש בסוללות ניקל–ברזל לשימוש בשילוב עם אלקטרוליזה להפקת מימן לצורך תאי דלק במכוניות ולאחסון. יכולתן של סוללות אלה להמשיך ולפעול על מחזורים תכופים של טעינה ופריקה היא בשל המסיסות נמוכה של המגיבים באלקטרוליט. היווצרות של ברזל מתכתי במהלך הטעינה היא איטית בגלל המסיסות נמוכה של ברזל הידרוקסידי. בעוד שהיווצרות איטית של גבישי ברזל משמר את אלקטרודות, הדבר גם מגביל את שיעור הביצועים של הסוללה: סוללות אלה נטענות לאט, ומסוגלות לפרוק מתח באיטיות. אין לטעון סוללות ניקל–ברזל ממקור אספקת מתח קבוע כיוון שהן יכולות להינזק מהתחממות מהירה; מתח התא יורד כאשר מתחיל להיווצר גז, דבר המעלה את הטמפרטורה, אשר מגביר הזרם הנצרך, דבר המגביר עוד יותר את היווצרות הגז ועליית הטמפרטורה. תגובת חצי התא באלקטרודה החיובית: Ni2O3+ H2O + 2 e− ↔ 2 NiO + 2 OH−‎ ובאלקטרודה השלילית: Fe + 2 OH− ↔ Fe(OH)2 + 2 e−‎ (את הפריקה יש לקרוא משמאל לימין והטעינה מימין לשמאל.) מתח מעגל פתוח הוא 1.4 וולט, היורד ל-1.2 וולט במהלך הפריקה. תערובת האלקטרוליט של אשלגן הידרוקסידי ו ליתיום הידרוקסידי לא נצרך בטעינה או פריקה, כך שבשונה מסוללת חומצה-עופרת משקל האלקטרוליט אינו מעיד על מצב הטעינה. המתח הנדרש לטעינת סוללת ניקל-ברזל חייב להיות שווה או גדול מ-1.6 וולט לכל תא. ליתיום הידרוקסידי משפר את ביצועי התא. הממציא השוודי ולדמר יונגנר המציא את סוללת ניקל-קדמיום בשנת 1899. יונגנר ביצע ניסויים בהחלפת ברזל במקום קדמיום בכמויות משתנות, כולל החלפה מלאה של ברזל בקדמיום. יונגנר גילה כי היתרון העיקרי סוללת ברזל היא בעלותה, אולם כיוון שיעילות טעינתה נמוכה יותר ומימן רב יותר נוצר בעת התגובה הכימית, הטכנולוגיה של סוללת ניקל-ברזל זוהתה ונינטשה. יונגנר רשם מספר פטנטים על גרסתו לסוללת ברזל (Swedish pat. Nos 8.558/1897, 10.177/1899, 11.132/1899, 11.487/1899 and German Patent No.110.210 /1899). הוא אף רשם פטנט על סוללת ניקל-קדמיום: Swed.pat No. 15.567/1899. בשנת 1901 תומאס אלווה אדיסון רשם פטנט ומיסחר סוללות ניקל-ברזל בארצות הברית, והציעה סוללות אלה כמקור אנרגיה לכלי רכב חשמליים אשר יוצרו בתקופתו. אדיסון טען כי עיצוב סוללות ניקל–ברזל הוא טוב בהרבה מסוללות עופרת-חומצה. אדיסון רשם מספר פטנטים על הסוללות בארצות הברית ובגרמניה: U.S. Patent 678,722/1901, U.S. Patent 692,507/1902, and German patent No 157.290/1901. הסוללה נודעה בארצות הברית בכינוי "סוללת אדיסון". אדיסון היה מאוכזב כי הסוללה שפיתח לא נבחרה על ידי יצרי הרכב להנעת מנועי בעירה פנימית, וייצור כלי רכב חשמליים הופסק שנים ספורות לאחר שהחל לייצר את הסוללה שלו. הוא פיתח את הסוללה במטרה שתהווה סוללה מועדפת בכלי רכב חשמליים אשר היו כלי הרכב המועדף בשנים הראשונות של המאה ה-20 (יותר מאשר כלי רכב מונעים בדלק או בקיטור). בסוללות של אדיסון הייתה אגירת אנרגיה רבה יותר מאשר בסוללות עופרת-חומצה באותה עת, וניתן היה לטעון אותן בחצי הזמן, אולם ביצועיהן היו גרועים בטמפרטורות נמוכות, והן היו יקרות יותר. בעת מלחמת העולם השנייה טילי V-2 של גרמניה הנאצית הכילו סוללת ניקל-ברזל במתח 50 וולט כמקור זרם ישיר עיקרי, לצד שתי סוללות 16 וולט אשר סיפקו אנרגיה לארבעה גירוסקופים.  ייצור סוללות אדיסון היה רווחי בין השנים 1903 עד 1972 והן יוצרו במפעל הסוללות של אדיסון בניו ג'רזי. בשנת 1972 החברה נמכרה לחברת הסוללות Exide אשר הפסיקה את ייצור המוצר בשנת 1975. הסוללה הייתה בשימוש נרחב בסימנורים, מלגזות, וכסוללת גיבוי למכשירים שונים. תאי סוללות ניקל–ברזל מיוצרים בקיבולת שנעה בין 5 ל-1250 אמפר-שעה. רבים מן היצרנים המקוריים של סוללות אלה, מתחילת המאה ה-20, אינם מייצרים עוד את הסוללות, אולם ייצור סוללות ניקל-ברזל נמשך על ידי חברות חדשות במספר מדינות בעולם. בניגוד לסוללות שבהן עופרת או קדמיום, אשר עם גמר השימוש בהן יש להתייחס אליהן כאל פסולת מסוכנת הדורשת טיפול מיוחד, סוללות ניקל-ברזל אינן מכילות חומרים מסוכנים הדורשים טיפול מיוחד. מדיה וקבצים בנושא סוללת ניקל-ברזל בוויקישיתוף David Linden, Thomas B. Reddy (ed). Handbook Of Batteries 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-135978-8, Chapter 25 Ian Soutar (1 ביולי 2010). "Nickel Iron Battery Association HomePage". נבדק ב-30 באוקטובר 2011. {{cite web}}: (עזרה) "Systematic design of an autonomous hybrid locomotive | EUrailmag". eurailmag.com. אורכב מ-המקור ב-2018-08-17. נבדק ב-2013-04-17. "Magma #10 Project". azrymuseum.org. 2012-05-15. נבדק ב-2013-04-17. Mother Earth News Issue #62 – March/April 1980 http://www.nickel-iron-battery.com/ Home Power Magazine Issue #80 December 2000/Jan 2001 F. M. Mulder et al: Efficient electricity storage with the battolyser, an integrated Ni-Fe-battery and electrolyser. Energy and Environmental Science (אנ'). 2017, doi:10.1039/C6EE02923J Véronique Amstutz et al: Renewable hydrogen generation from a dual-circuit redox flow battery . Energy and Environmental Science (אנ'). 2014, 2350-2358, doi:10.1039/C4EE00098F http://news.stanford.edu/pr/2012/pr-ultrafast-edison-battery-062612.html Electrochemistry Edison Cell (Iron-Nickel-Battery) – Model Journal of Power Sources, 12 (1984). pp 177–192. Desmond, Kevin (2016). Innovators in Battery Technology: Profiles of 93 Influential Electrochemists (באנגלית). McFarland & Co. p. 65. ISBN 9780786499335.