סוללת ניקל מתכת-הידריד

סוללת ניקל מתכת-הידריד (NiMH) היא סוללה שניונית בה האלקטרודות עשויות ניקל ותערובת מתכות. דגם זו הוא השכיח ביותר מבין הסוללות הנטענות במכשירי חשמל קטנים. סוללות אלו החליפו את סוללות הניקל-קדמיום הישנות והרעילות יותר. כיום, סוללות ליתיום-יון מחליפות בחלק מהמקרים את סוללות הניקל מתכת-הידריד.

היסטוריה 
פיתוח הסוללות החל עם פיתוח סגסוגות Ti2Ni+TiNi+x מסונטרות עבור האנודה ואלקטרודות NiOOH עבור הקתודה – פרי עבודת מרכז המחקר Battelle-Geneva בשווייץ בשנת 1967. העבודות מומנו על ידי Daimler-Benz ו-Volkswagen AG. לסוללות אלו הייתה אנרגיה ספציפית של (Wxh/kg 50, (180 kJ/kg, צפיפות הספק של 1000 W/kg ואורך חיים סביר של 500 מחזורי טעינה (לאחר 100% פריקה).

בשנות ה-70 של המאה ה-20 החלה התעניינות באנודות AB5 לאחר התמסחרות סוללות הניקל-מימן עבור אפליקציות לווייניות. טכנולוגיות הידריד אפשרה לאחסן מימן בצורה שתפסה פחות נפח. מחקר שבוצע על ידי מעבדות פיליפס CNRS מצרפת הביא לפיתוח סגסוגות היברידיות עתירות אנרגיה שהכילו מתכות-נדירות עבור האנודה ונקראו AB5. אולם סגסוגות אלו סבלו מחוסר יציבות באלקטרוליטים אלקאליניים והיו בעלי מספר מחזורי חיים קטן. בשנת 1987, ווילהמס ובושו (Willems and Buschow) הדגימו סוללה מוצלחת שהתבססה על אנודה זו. סוללה זו השתמשה בתערובת La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1 עבור האנודה וששמרה על 84% מהקיבול שלה לאחר 4000 מחזורי פריקה-טעינה. סגסוגות מוצלחות יותר שהתבססו על "מישמטאל" ( mischmetal) במקום לאנתאלום פותחו מאוחר יותר. תאי NiMH מודרניים מבוססים על מערכת זו שכוללות אנודות מסוג AB5. בסופו של דבר, תאי ה- NiMH המסחריים עבור אפליקציות קטנות הופיעו בשוק בשנת 1989 לאחר שני עשורים של מחקר ופיתוח.

במקביל להתפתחות זו, חברת Ovonic Battery שינתה ושכללה את סגסוגת ה- Ti-Ni במשך השנים. סגסוגותיה מבוססות על אי סדר מבני ומספר רב של רכיבים כימיים - אנודות מסוג AB2. לאנודות אלה ישנו קיבול גבוה באופן משמעותי מהקיבול באנודות AB5. במשך השנים נעשו שכלולים באנודות אלה על מנת לשפר את תפקודן בטמפרטורות נמוכות ועל מנת להעלות את קצב התגובה בתנאים סטנדרטים. נכון לשנת 2012, לסגסוגות אלה יש חיי מדף קצרים ומספר מחזורי פריקה-טעינה נמוך. לפיכך, רוב סוללות ניקל מתכת-הידריד המיוצרות כיום מבוססות על אנודות AB5. התפתחות ויישום אנודות אלה מוגבל גם עקב פטנט בבעלות חברת Cobasys, שהיא חברת בת של תאגיד הנפט Texaco.

הקתודה פותחה על ידי מסהיקו אושיטאני מחברת GS Yuasa (שהיא גם החברה הראשונה שפיתחה טכנולוגיית הדבקת אלקטרודות). צירופה עם סגסוגות אנודה מתקדמות הוביל לפיתוח הסוללות.

מאפיינים 
הקתודה עשויה מניקל אוקסי-הידריד (NiOOH) בדומה לסוללת ניקל-קדמיום. אולם, בשונה ממנה האנודה עשויה מסגסוגת מתכתית שעברה תהליך ספיחת מימן והיא מחליפה את אנודת הקדמיום. סוללת ניקל מתכת-הידריד יכולה להיות בעלת קיבול הגדול פי 2–3 מסוללת ניקל-קדמיום ובעלת צפיפות אנרגיה נפחית קרובה לזו של סוללת ליתיום-יון.

האנרגיה הספציפית של תאי ניקל מתכת-הידריד היא בסביבות 100W•h/kg ועבור תאים גדולים יותר 75W•h/kg. זאת לעומת ניקל-קדמיום עם 40-60W•h/kg וליתיום-יון עם 100-160W•h/kg. לניקל מתכת-הידריד ישנה צפיפות אנרגיה של-300-350W•h/L. נתון טוב מאשר לניקל-קדמיום עם 50-150W•h/L ודומה לליתיום-יון עם 250-360W•h/L.

הקיבול הספציפי הטיפוסי הוא 290–320 mAh g−1. קיבול מטען נומינלי (C) של סוללת AA נע בין 1100mA•h ל-3100mA•h עם מתח טיפוסי של 1.2V. (הערכים נמדדו עבור קצב פריקה שבה התא נפרק לגמרי לאחר 5 שעות (C/5) ). הקיבול האפקטיבי הוא פונקציה יורדת כתלות בגודל הזרם בסוללה, אך עד קצבים של 1xC (שימוש מלא תוך שעה או יותר) הקיבול האפקטיבי לא משתנה משמעותית. על אף שהסוללות עובדות על מתח חשמלי של 1.2V - נמוך יותר מזה של סוללות אחרות - הן יפעילו בהצלחה את אותם מכשירים ייעודיים ברוב המקרים.

חיסרון עיקרי בסוללה הוא קצב פריקה-עצמית גבוה. הסוללה מאבדת עד כ-3% מהמטען בכל שבוע של אחסון. הפריקה העצמית מתחילה ב-5-10% ביום הראשון ומתייצבת על 0-1% ליום בטמפרטורת החדר. דבר זה לא מהווה בעיה עבור יישומים שמשתמשים בסוללה לטווח הקצר לאחר טעינה (צילום או נסיעה ברכב חשמלי) אך הוא בעייתי עבור יישומים ארוכי טווח (שעונים, שלטים, התקני בטיחות). קצב הפריקה העצמית גם תלוי בטמפרטורת האחסון לאחר הטעינה, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר היא תתפרק בקצב גבוה יותר. על מנת להתמודד עם בעיה זו, בשנת 2005 פותחה סוללה בעלת "פריקה עצמית נמוכה". על פי היצרן, היא בעלת ספרטור חדשני שמונע פריקה עצמית עד לשמירה של בין 70-80% מהקיבול לאחר אחסון של שנה. לעומת זאת, הקיבול הנקוב של סוללות אלה הוא נמוך ב-20-30% מהסוללות הרגילות עקב תפיסת יותר נפח על ידי הספרטור.

יתרונות הסוללה לעומת סוללות אחרות הן מספר המחזורים הגבוה. כתלות בעומק פריקת הסוללה (עד כמה השימוש "מגיע עד הסוף") ניתן לפרוק ולטעון אותה במשך אלפי ואפילו עשרות אלפי מחזורי פריקה וטעינה. לעומת זאת, לסוללה המתחרה העיקרית, ליתיום-יון, יש מספר מחזורים מוגבל של 2000-3000 (עבור DOD אופייני) עד לסוף חייה.

ניתן לפרוק את הסוללה עד הסוף, זאת בניגוד לסוללת ליתיום-יון אשר עלול לגרום לה נזק בלתי הפיך.

אלקטרוכימיה 
בתגובה האלקטרוכימית, M מייצגת את הסגסוגת המתכתית שמכילה את אטומי המימן באנודה.

 H2O + M + e-  OH- + MH
 Ni(OH)2 + OH-  NiO(OH) + H2O + e-

סגסוגות רבות פותחו עבור האנודה. האנודה הנפוצה ביותר היא מסוג AB5 (סטוכיומטרית על כל אטום A יש 5 אטומי B) כאשר A היא תערובת של מתכות נדירות כגון לנתן, צריום, נאודימיום, פרסאודימיום, ו-B מייצג תערובת של מתכות מעבר כגון ניקל, קובלט, מנגן ואלומיניום. סוג נפוץ פחות נקרא AB2. מטרתן של כל הסגסוגות מכל ההרכבים והסוגים היא אחת: לאגור את המימן.

האלקטרוליט עשוי ממים עם 30% משקלי KOH, הספרטור (הגוף שמפריד בין האנודה לקתודה) עשוי מפולימרים שונים.

על מנת לשפר את הזרמים המקסימליים של הבטרייה וכדי לשפר את ביצועיה בטמפרטורות נמוכות, נעשו שינויים הנדסיים רבים באנודות לאורך השנים. בין היתר, עשרות תערובות והרכבים כימיים באנודות נוסו עד שהגיעו להרכבים אופטימאליים מבחינת ביצועים ומחיר. בנוסף לכך, נוספו קטליסטים על בסיס ננו-חלקיקים של סגסוגות ניקל על פני שטח האנודה על מנת להגביר את הזרמים המקסימליים בבטריה. שיפור נוסף נעשה על מנת להגביר את הביצועים בטמפרטורות נמוכות. לשם כך נוספו ננו-תעלות על פני שטח האנודה. תעלות אלו מעלות את השטח האפקטיבי שלה ויוצרות מסלולים מהירים לצורוני התגובה כדי שיוכלו להגיב עם מימן נוסף בעומק האנודה.

הסוללה כוללת מנגנון כשל אופייני שקובע את אורך חיי הסוללה; קורוזיה באנודה שמתגברת ככל שמספר מחזורי הטעינה-פריקה עולה עקב התרחבות סדקים וחדירת אלקטרוליט.

נתונים מסחריים 
כ-22% מהסוללות-ניידות הנטענות שנמכרו ביפן ב-2010 היו מסוג ניקל מתכת-הידריד. בשווייץ ב-2009, הנתון המקביל היה 60%. אחוז זה דעך עם הזמן הודות לייצור המוגבר של סוללות מסוג ליתיום-יון. בשנת 2000, כמעט חצי מכל הסוללות הניידות הנטענות ביפן היו מסוג ניקל מתכת-הידריד.

סוללות ניקל מתכת-הידריד מהוות מרכיב עיקרי במכוניות היברידיות ובחלק מהמכוניות החשמליות ה"מלאות". הסוללות פותרות את בעיית חומרי הגלם הנדירים הנמצאים בחלקם הגדול בסין ובכך ניתן להוריד את מחיר המכוניות. נכון לשנת 2011, שני מיליון מכוניות היברידיות השתמשו בסוללות אלו, רבים מהם מיוצרים על ידי החברות פנסוניק וסאניו. הסוללה נמצאת גם בסדרה של כלי רכב חשמליים מלאים.

רוב הסוללות הנטענות מהסטנדרטים AA ו-AAA הם מסוג זה.

קישורים חיצוניים

הערות שוליים 

אלקטרוכימיה
ניקל מתכת-הידריד
ניקל