Idruri metallici per le applicazioni delle batterie al nichel-metallo idruro

Descrizione

Gli idruri metallici svolgono un ruolo fondamentale nelle batterie al nichel-metallo idruro. Contribuiscono a immagazzinare e rilasciare l'idrogeno. Il loro utilizzo consente di migliorare le prestazioni e la sicurezza delle batterie.

Gli idruri metallici sono composti che si formano quando l'idrogeno si lega ai metalli. Questi composti hanno una grande capacità di assorbire e rilasciare idrogeno. Questo li rende una parte fondamentale dei sistemi a idruri metallici di nichel. Oggi gli idruri metallici sono utilizzati nei veicoli ibridi, nell'elettronica di consumo e in altri settori in cui sono necessarie batterie ricaricabili.

Tipi di batterie a confronto

Oggi sono disponibili molti tipi di batterie.

Ad esempio, le batterie al nichel idruro metallico funzionano in modo diverso dalle batterie al nichel cadmio. Le batterie al nichel-cadmio utilizzano il cadmio e sono note per i loro effetti di memoria. Le batterie al nichel idruro metallico utilizzano idruri metallici e presentano una minore perdita di memoria.

Le batterie agli ioni di litio sono un'altra scelta. Offrono un'elevata capacità, ma richiedono una particolare attenzione durante la ricarica. Le batterie al piombo sono pesanti e richiedono manutenzione. Ogni tipo di batteria presenta punti di forza e di debolezza.

Nelle applicazioni delle batterie al nichel-metallo idruro, gli idruri metallici offrono un buon equilibrio tra densità energetica e sicurezza. Nel corso degli anni, gli ingegneri hanno preferito i sistemi agli idruri metallici per molti usi portatili e automobilistici.

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Strutture cristalline dei materiali delle batterie all'idruro metallico di nichel

La struttura cristallina dei materiali delle batterie al nichel idruro metallico è molto importante. La disposizione degli atomi influisce sulla capacità di immagazzinare e rilasciare l'idrogeno. Molti materiali per batterie al nichel idruro metallico seguono una struttura AB5. In questo modello, l'idruro metallico è costituito da un elemento di terra rara o di metallo di transizione e da altri cinque atomi di metallo. Questa struttura crea spazi in cui gli atomi di idrogeno possono depositarsi.

Gli ingegneri e gli scienziati misurano questi cristalli e utilizzano la diffrazione dei raggi-X. Con misurazioni accurate, possono sapere quanto idrogeno può essere assorbito. Questa struttura offre una buona reversibilità e stabilità.

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Strutture cristalline dei materiali delle batterie (AB5, AB2, ecc.)

Nelle batterie al nichel-metallo idruro (NiMH), la struttura cristallina della lega che assorbe l'idrogeno gioca un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni. Tra le più studiate vi sono le strutture di tipo AB₅ e AB₂, dove "A" e "B" si riferiscono a diversi componenti metallici. Questi materiali sono essenziali nelle applicazioni che richiedono una lunga durata del ciclo, un'elevata capacità di idrogeno e un efficiente comportamento di carica/scarica, proprietà cruciali per i veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV) e i veicoli elettrici (EV).

La struttura di tipo AB₅, comunemente presente nelle batterie NiMH, incorpora tipicamente elementi di terre rare nel sito A e metalli di transizione nel sito B. Questa struttura offre una combinazione ben bilanciata di capacità di immagazzinamento dell'idrogeno e cinetica favorevole, rendendola una scelta affidabile per le applicazioni consumer e automotive. Ad esempio, le batterie NiMH sigillate utilizzate nella Toyota™ Prius (modelli II-V) sono basate su materiali di tipo AB₅ e hanno dimostrato un'autonomia fino a 150.000 miglia, come riportato nei test di laboratorio del produttore.¹⁹

Le strutture di tipo AB₂, invece, sono anch'esse costituite da due componenti metallici, ma offrono caratteristiche elettrochimiche leggermente diverse. Mentre le leghe AB₂ possono presentare capacità di idrogeno più elevate, la loro stabilità di fase e la resistenza alla degradazione durante i cicli possono variare, a seconda della composizione e della microstruttura.

Nella ricerca sulle batterie, sia gli idruri AB₅ che quelli AB₂ vengono analizzati attentamente per quanto riguarda i parametri reticolari, le trasformazioni di fase e la stabilità termica, poiché anche piccoli aggiustamenti negli elementi di lega possono influenzare significativamente le prestazioni e la durata. Questi composti, oggi spesso definiti "idruri classici", rimangono molto importanti. Grazie alla micro-legatura dei metalli del sito A e B, i ricercatori sono riusciti a migliorare la stabilità elettrochimica e ad estendere ulteriormente la durata dei cicli, rendendoli forti candidati per la prossima generazione di batterie NiMH ad alte prestazioni.

Reazioni elettrochimiche nelle batterie al nichel idruro metallico

Nelle batterie all'idruro metallico di nichel, le reazioni elettrochimiche sono al centro della produzione di energia. L'idruro metallico immagazzina atomi di idrogeno. Quando la batteria si scarica, gli ioni di idrogeno si allontanano dall'idruro metallico. Si dirigono verso l'elettrodo di ossido di nichel. In questo processo, gli elettroni fluiscono nel circuito esterno. La batteria produce corrente elettrica per i dispositivi.

Durante la ricarica, avviene l'inverso. Gli atomi di idrogeno ritornano alla struttura metallica. Le reazioni sono reversibili. Questa reversibilità aggiunge convenienza. La batteria può essere utilizzata ripetutamente. In molti studi, questo semplice meccanismo di reazione si è dimostrato affidabile ed efficiente.

Conclusione

Gli idruri metallici costituiscono una parte essenziale delle applicazioni delle batterie al nichel-metallo idruro. Migliorano le prestazioni e la stabilità. Le loro strutture cristalline uniche contribuiscono all'accumulo e al rilascio di energia. Le reazioni elettrochimiche coinvolte sono semplici. I vantaggi per la società includono sistemi energetici più sicuri e un minore impatto ambientale.

Domande frequenti

F: Che ruolo hanno gli idruri metallici in queste batterie?
D: Assorbono e rilasciano idrogeno per aiutare a gestire l'energia della batteria.

F: In che modo le strutture cristalline influiscono sulle prestazioni delle batterie?
D: Determinano la capacità di immagazzinare e rilasciare idrogeno negli elettrodi.

F: Perché le batterie al nichel-metallo idruro sono preferite nei veicoli ibridi?
D: Offrono una buona densità energetica, sicurezza e affidabilità, riducendo al contempo i danni ambientali.