La batería de níquel-hidrógeno (NiH 2 o Ni-H 2 ) es una fuente de corriente química reversible que consta de electrodos de níquel e hidrógeno [1] . Se diferencia de la batería de hidruro de níquel-metal en el uso de hidrógeno en forma gaseosa, almacenado en estado comprimido en la celda a una presión de 82,7 bar [2] .
Las celdas de NiH 2 que utilizan hidróxido de potasio (KOH) al 26 % como electrolito logran una vida útil de 15 años o más a una profundidad de descarga del 80 % [3] . La densidad de energía es de 75 W•h / kg , 60 W•h/dm 3 [4] [5] . El voltaje en los contactos es de 1,55 V , el voltaje promedio durante la descarga es de 1,25 V [6] .
A pesar de que la densidad de energía es solo alrededor de un tercio de la de una batería de litio , la propiedad específica de una batería de níquel-hidrógeno es su larga vida útil: las celdas soportan más de 20.000 ciclos de descarga [7] con una eficiencia del 85 %.
Las baterías de NiH 2 tienen buenas propiedades eléctricas, lo que las hace atractivas para almacenar energía eléctrica en vehículos espaciales [8] . Por ejemplo, la ISS [9] , Messenger [10] , Mars Odyssey [11] , Mars Global Surveyor [12] y MRO están equipadas con baterías de níquel-hidrógeno. El telescopio Hubble , cuando sus baterías originales fueron reemplazadas en mayo de 2009, 19 años después del lanzamiento, logró el mayor número de ciclos de descarga de cualquier batería de NiH 2 en órbitas de referencia baja [13] .
El desarrollo de las baterías de níquel-hidrógeno comenzó en 1970 en COMSAT [14] , donde se utilizaron por primera vez en 1977 a bordo del satélite NTS-2 de la Marina de los EE. UU . [quince]
La batería de níquel-hidrógeno combina el electrodo de níquel positivo de la celda de níquel-cadmio y el electrodo negativo, que incluye el catalizador y la porción de difusión de gas de la celda de combustible . Durante la descarga, el hidrógeno contenido en el recipiente a presión interactúa con el oxígeno del electrodo de oxicloruro de níquel. El agua se consume en el electrodo de níquel y se libera en el electrodo de hidrógeno, por lo que la concentración de hidróxido de potasio en el electrolito no cambia. A medida que la batería se descarga, la presión de hidrógeno cae, proporcionando una indicación fiable del estado de descarga. En la batería de uno de los satélites de comunicaciones, la presión superaba (3,4 MPa ) cuando estaba completamente cargada, cayendo a casi (0,1 MPa) cuando estaba completamente descargada.
Si se continúa cargando la batería cargada, el agua formada en el electrodo de níquel se difunde en el electrodo de hidrógeno y se disocia allí; como consecuencia, las baterías pueden soportar la sobrecarga siempre que se disipe el calor generado.
Las baterías tienen la desventaja de una autodescarga relativamente alta, que es proporcional a la presión de hidrógeno en la celda; en algunos diseños, se puede perder el 50% de la capacidad después de unos días de almacenamiento. La autodescarga disminuye con la disminución de la temperatura. [dieciséis]
En comparación con otras baterías, las baterías de níquel-hidrógeno tienen una buena densidad de energía de 60 Wh/kg y una vida útil muy larga en los satélites. Las celdas pueden soportar sobrecargas, inversión de polaridad accidental , la presión de hidrógeno de la celda proporciona una buena indicación del grado de descarga. Sin embargo, la naturaleza gaseosa del hidrógeno significa que la eficiencia volumétrica es bastante baja, y la alta presión requerida hace necesario el uso de costosos recipientes a presión. [dieciséis]
El electrodo positivo está hecho de un disco de níquel poroso sinterizado [17] que contiene hidróxido de níquel . El electrodo de hidrógeno negativo utiliza un catalizador de platino unido con teflón con un separador de filamentos de circonio [18] . [19]
El diseño de la batería de recipiente individual (IPV) consta de una celda de NiH 2 y un recipiente a presión. [veinte]
El diseño de batería de recipiente común (CPV) consta de dos celdas de NiH 2 en serie y un recipiente a presión común. CPV proporciona una densidad de energía algo mayor que IPV.
El diseño SPV combina hasta 22 celdas en un recipiente común.
En un diseño bipolar, es común un electrodo suficientemente grueso: positivo para uno y negativo para una celda adyacente en el SPV. [21]
El diseño de embarcación dependiente (DPV) proporciona más densidad de energía a un costo menor. [22]
El diseño de recipiente común/dependiente (C/DPV) es un híbrido de CPV y DPV con alta eficiencia volumétrica. [23]