ทุกการตัดสินใจชาร์จที่เครื่องชาร์จ NiMH ทำ – เมื่อใดจะดันกระแส แรงแค่ไหน และเมื่อใดจะหยุด – ในที่สุดแล้วคือการตอบสนองต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นภายในกระป๋องเหล็กที่ปิดผนึก ในการชาร์จเซลล์นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ให้ดี วิศวกรต้องสามารถเขียนครึ่งปฏิกิริยาสองข้อที่กระแสผลักดันได้เสียก่อน ระหว่างการชาร์จ ขั้วบวกนิกเกิลจะเลื่อนโปรตอนออกจากตาข่ายชั้นของมัน เปลี่ยนนิกเกิลไฮดรอกไซด์ Ni(OH)2 เป็นนิกเกิลออกซิไฮดรอกไซด์ NiOOH ในขณะที่ขั้วลบเมทัลไฮไดรด์จะแยกน้ำเพื่อปล่อยไฮโดรเจนซึ่งถูกดูดซับและเก็บสะสมเป็นไฮไดรด์ MH บทความนี้เปิดชุดงานวิจัยห้าสิบตอนเกี่ยวกับการชาร์จ NiMH โดยสร้างภาพปฏิกิริยานั้นอย่างแม่นยำ แล้วแสดงว่าความไม่สมดุลความจุที่จงใจระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองเป็นคุณลักษณะการออกแบบที่ให้เซลล์ปิดผนึกทนต่อช่วงเวลาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อกระแสชาร์จเกินความสามารถในการเก็บสะสมของเซลล์
ขั้วบวกนิกเกิลเป็นเครือข่ายพรุนนำไฟฟ้าที่บรรทุกนิกเกิลไฮดรอกไซด์ใช้งาน ในการชาร์จ Ni(OH)2 สูญเสียอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและโปรตอนหนึ่งตัวเพื่อเป็น NiOOH – ปฏิกิริยาโยกโปรตอนในสถานะของแข็ง ซึ่งดำเนินผ่านกลุ่มเฟสอัลฟา/บีตาและบีตา/แกมมาที่คุ้นเคยจากเอกสารอิเล็กโทรดนิกเกิล เนื่องจากปฏิกิริยาเลื่อนโปรตอนภายในของแข็งแทนที่จะชุบโลหะจากสารละลาย อัตราของมันจึงถูกกำหนดโดยการแพร่โปรตอนผ่านออกไซด์และโดยสภาพนำไฟฟ้าเชิงอิเล็กตรอนและไอออนของอิเล็กโทรดพรุน – ทั้งสองเปลี่ยนไปตามสถานะการชาร์จและอุณหภูมิ
ใกล้ยอดการชาร์จ ขั้วบวกหมด Ni(OH)2 ที่ออกซิไดซ์ได้อย่างเป็นประโยชน์ เกินจุดนั้น กระแสเดียวกันไม่มีที่ไปเชิงสร้างสรรค์และเริ่มออกซิไดซ์ไอออนไฮดรอกไซด์ในอิเล็กโทรไลต์เพื่อปล่อยออกซิเจน: 4 OH⁻ เป็น O2 บวก 2 H2O บวก 4 อิเล็กตรอน งานศึกษาเซลล์ลากจูงแบบติดตั้งเครื่องมือวัดแสดงการปล่อยออกซิเจนเร่งตัวขึ้นอย่างเห็นได้ชัดหลังประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ของสถานะการชาร์จ – สัญญาณวัดได้แรกที่บอกว่าเครื่องชาร์จกำลังเข้าสู่บริเวณท้ายการชาร์จที่ละเอียดอ่อน
อิเล็กโทรดลบเป็นโลหะผสมอัดแน่นสำหรับเก็บไฮโดรเจน ส่วนใหญ่เป็นชนิด AB5 มิชเมทัลหรือเฟส Laves AB2 ที่ความจุสูงกว่า ในการชาร์จ มันลดน้ำให้เป็นไฮโดรเจนอะตอมซึ่งเข้าสู่ตำแหน่งช่องว่างภายในตาข่ายโลหะผสมเพื่อสร้างเมทัลไฮไดรด์ MH ปล่อยไฮดรอกไซด์ ความดันแนวราบของโลหะผสม เอนทาลปีการเกิดไฮไดรด์และชั้นเร่งปฏิกิริยาพื้นผิวกำหนดว่าไฮโดรเจนถูกดูดซับได้ง่ายเพียงใด และที่สำคัญคือรับกระแสได้มากแค่ไหนก่อนที่ไฮโดรเจนโมเลกุลจะถูกปล่อยออกมาแทน
เซลล์ NiMH ปิดผนึกถูกสร้างขึ้นโดยเจตนาให้มีอิเล็กโทรดลบที่ความจุเชิงประสิทธิผลมากกว่าขั้วบวก – «ปริมาณสำรองการชาร์จ» โดยทั่วไปหลายสิบเปอร์เซ็นต์ เนื่องจากขั้วบวกถึงการชาร์จเต็มก่อน ขั้วลบจึงยังมีตำแหน่งไฮไดรด์ว่างเมื่อออกซิเจนเริ่มปรากฏ และในการทำงานปกติมันไม่เคยถึงจุดปล่อยไฮโดรเจน ความไม่สมดุลนี้เป็นเหตุผลเชิงโครงสร้างที่สำคัญที่สุดว่าทำไมเซลล์ NiMH ปิดผนึกจึงถูกชาร์จเกินได้โดยไม่สร้างสารผสมก๊าซอันตรายทันที
เมื่อออกซิเจนถูกสร้างที่ขั้วบวกที่ถูกชาร์จเกิน มันจะแพร่ผ่านตัวคั่นพรุนที่ขาดแคลนอิเล็กโทรไลต์ไปยังขั้วลบที่มีขนาดใหญ่เกิน ซึ่งมันถูกลดลงทางเคมี รวมตัวใหม่กับไฮโดรเจนที่เก็บสะสมเพื่อสร้างน้ำขึ้นใหม่และปล่อยความร้อน ผลลัพธ์สุทธิของการสร้างออกซิเจนที่อิเล็กโทรดหนึ่งและใช้มันที่อีกขั้วคือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีสุทธิเป็นศูนย์ – แต่พลังงานไฟฟ้าเข้าทั้งหมดถูกปล่อยเป็นความร้อน เซลล์จึงเป็นการลัดวงจรทางเคมีที่เปลี่ยนกระแสชาร์จเกินเป็นความอุ่นและวัฏจักรความดันภายในโดยตรง
การรวมตัวใหม่มีอัตราจำกัดโดยการลำเลียงที่จำกัด ซึ่งกำหนดโดยความสามารถในการเปียกของตัวคั่น ระยะแพร่ออกซิเจน การเร่งปฏิกิริยาพื้นผิวขั้วลบและอุณหภูมิ ต่ำกว่าอัตรานั้น วังวนจะรักษาความดันภายในให้อยู่ในสภาวะคงที่ที่จัดการได้ สูงกว่านั้นออกซิเจนสะสมเร็วกว่าที่จะใช้ได้ ความดันเพิ่มขึ้น และวาล์วนิรภัยอาจเปิดออกในที่สุด การออกแบบกระแสชาร์จ โดยแก่นแท้แล้วคือศิลปะแห่งการอยู่ในความจุการรวมตัวใหม่ของเซลล์เฉพาะที่กำลังชาร์จ
เซลล์ NiMH ใช้อิเล็กโทรไลต์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น บางครั้งมีลิเทียมและโซเดียมไฮดรอกไซด์ แต่มีเพียงปริมาตรที่จำกัดอย่างระมัดระวัง: การออกแบบ«อิเล็กโทรไลต์อดอยาก»ที่ปล่อยให้ทางเดินก๊าซผ่านตัวคั่นเปิดอยู่เพื่อให้ออกซิเจนไปถึงขั้วลบได้ เซลล์ที่ถูกน้ำท่วมจะอุดตันทางเดินเหล่านั้นและสูญเสียความสามารถในการรวมตัวใหม่ ในขณะที่เซลล์ที่เติมไม่เต็มทนความต้านทานภายในสูงและแห้งในช่วงอายุการใช้งาน ตัวคั่นชอบน้ำจึงมีหน้าที่ขัดแย้งกัน – นำไอออนไฮดรอกไซด์และส่งผ่านก๊าซออกซิเจน
การจับคู่นี้อธิบายว่าทำไมโปรโตคอลการชาร์จและโครงสร้างเซลล์จึงไม่สามารถกำหนดแยกกันได้ รูปแบบกระแสที่อิเล็กโทรดบางที่เร่งปฏิกิริยาดีรวมตัวใหม่ได้อย่างสบาย อาจท่วมการออกแบบหนาที่ความจุสูง และเซลล์เดียวกันรวมตัวใหม่เร็วกว่าเมื่ออุ่นกว่าเมื่อเย็น – ข้อเท็จจริงที่ตัดได้ทั้งสองทาง เพราะความอุ่นยังเร่งการเสื่อมโทรมอีกด้วย
แรงดันขั้วของเซลล์ระหว่างชาร์จคือผลรวมของศักย์สมดุลทั้งสอง ความต่างศักย์เกินจลน์ของปฏิกิริยาทั้งสองและการตกคร่อมโอห์มผ่านอิเล็กโทรไลต์ ตัวคั่นและตัวเก็บกระแส ต้นการชาร์จแรงดันเพิ่มขึ้นเมื่ออิเล็กโทรดนิกเกิลผ่านสถานะออกซิเดชันและอิเล็กโทรดไฮไดรด์ข้ามผ่านแนวราบความดันของมัน ท้ายการชาร์จ ความต่างศักย์เกินปล่อยออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นและการทำความร้อนด้วยตัวเองดันแรงดันผ่านจุดยอด หลังจากนั้นความร้อนลดศักย์อิเล็กโทรดและแรงดันตกลง – ลักษณะ -ΔV ที่ตรวจสอบโดยละเอียดในบทความที่ 5
การอ่านเส้นโค้งชาร์จเป็นการซ้อนทับของความต่างศักย์เกินปฏิกิริยา แทนที่จะเป็นรูปร่างตามอำเภอใจ บอกผู้ออกแบบว่าทำไมเซลล์เย็นจึงยอดสูงกว่า ทำไมเซลล์ชราที่ความต้านทานภายในสูงกว่าจึงยอดเร็วกว่า และทำไมกระแสที่เล็กเกินไปที่จะขับเคลื่อนการปล่อยออกซิเจนที่มองเห็นจึงไม่สร้างจุดยอดที่เชื่อถือได้เช่นกัน
ภาพปฏิกิริยากำหนดข้อกำหนดเชิงรูปธรรม: จับคู่ปริมาณสำรองชาร์จลบกับการสัมผัสชาร์จเกินที่ตั้งใจไว้ เลือกตัวคั่นที่การส่งผ่านออกซิเจนสอดคล้องกับกระแสการรวมตัวใหม่สูงสุดที่การใช้งานต้องการ และกำหนดขนาดกระแสชาร์จเพื่อให้ในแถบท้ายชาร์จเหนือประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์สถานะชาร์จ การสร้างออกซิเจนไม่เร็วกว่าการรวมตัวใหม่ มันยังเป็นเหตุผลให้ทุกวิธีการหยุดในชุด – จุดหักเหแรงดัน การเพิ่มอุณหภูมิ ความดันและตัวจับเวลา – เป็นตัวแทนสังเกตได้ต่างกันสำหรับการเปลี่ยนผ่านพื้นฐานเดียวกันจากการเก็บสะสมไปสู่การรวมตัวใหม่
สำหรับผู้ผลิตที่จัดหาเซลล์ให้กับผลิตภัณฑ์ที่มีเครื่องชาร์จ การบันทึกสถานะชาร์จที่จุดเริ่มออกซิเจน กระแสที่จำกัดโดยการรวมตัวใหม่และพฤติกรรมความร้อนที่เกิดที่ 0.5C และ 1C คือสิ่งที่ให้ลูกค้าเลือกโปรไฟล์ชาร์จที่ถึงความจุเต็มโดยไม่ขับเซลล์ผ่านบริเวณรวมตัวใหม่ที่สร้างความร้อนซ้ำแล้วซ้ำอีก บทความถัดไปวัดปริมาณว่าการยอมรับประจุและประสิทธิภาพคูลอมบ์วิวัฒนาการไปอย่างไรตามแกนสถานะชาร์จเดียวกัน
Weijiang Power ออกแบบและผลิตเซลล์นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ ชุดแบตเตอรี่ที่จับคู่และรูปแบบพร้อมชาร์จสำหรับลูกค้าภาคผู้บริโภค อุตสาหกรรม การแพทย์และการขนส่ง และสนับสนุนคู่ค้าด้วยคำแนะนำโปรโตคอลชาร์จ ไฟล์สมรรถนะ IEC 61951-2 หลักฐานความปลอดภัย IEC 62133-1 และการตรวจสอบความถูกต้องร่วมกับเครื่องชาร์จ แจ้งรูปแบบเซลล์ อัตราชาร์จ ขอบเขตความร้อนและเป้าหมายรอบการใช้งานให้เราทราบ แล้ววิศวกรของเราจะกำหนดชุดเซลล์และการชาร์จที่ปกป้องทั้งเวลาทำงานและอายุการใช้งาน ตรวจดูผลิตภัณฑ์ได้บนหน้าผลิตภัณฑ์
