Что такое никель кадмиевый аккумулятор
Никель-Кадмиевые аккумуляторы
Во второй половине двадцатого века одними из лучших перезаряжаемых химических источников тока были аккумуляторные батареи, изготовленные по никель-кадмиевой технологии. Они до сих пор широко применяются в различных сферах благодаря своей надежности и непритязательности.
Что такое никель кадмиевый аккумулятор
Никель-кадмиевые батареи являются гальваническими перезаряжаемыми источниками тока, которые были изобретены в 1899 году в Швеции Вальдмаром Юнгнером. До 1932 года их практическое использование было очень ограниченным из-за дороговизны используемых металлов в сравнении со свинцово-кислотными АКБ.
Усовершенствование технологии их производства привело к значительному улучшению их эксплуатационных характеристик и позволило в 1947 году создать герметичный необслуживаемый АКБ с отличными параметрами.
Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора
Электрическую энергию эти АКБ производят благодаря обратимому процессу взаимодействия кадмия (Cd) с оксидом-гидроксидом никеля (NiOOH) и водой, в результате которого образуется гидроксид никеля Ni(OH)2 и гидроксид кадмия Cd(OH)2, обуславливающий появление электродвижущей силы.
Ni-Cd АКБ выпускаются в герметичных корпусах, в которых размещены электроды, разделенные нейтральным сепаратором, содержащие никель и кадмий, находящиеся в растворе желеобразного щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, KOH).
Положительный электрод представляет собой стальную сетку или фольгу, покрытую пастой оксид-гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом
Отрицательный электрод — это стальная сетка (фольга) с впрессованным пористым кадмием.
Один никель кадмиевый элемент способен выдавать напряжение около 1,2 вольта, поэтому для увеличения напряжения и мощности батарей в их конструкции применяется множество параллельно соединенных электродов, разделенных сепараторами.
Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ
Ni-Cd батареи имеют следующие технические характеристики:
Ni-Cd АКБ выпускают в различных корпусах стандартных типоразмеров и в нестандартном исполнении, в том числе в дисковом, герметическом виде.
Где используются никель кадмиевые АКБ
Эти батареи применяются в устройствах, которые потребляют большой ток, а также испытывают высокие нагрузки при эксплуатации в следующих случаях:
В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров (AA, AAA и другие) выпускается по никель-металлогидридной и литий-ионной технологиям. Вместе с тем, в эксплуатации еще находится множество Ni Cd АКБ различных типоразмеров, выпущенных несколько лет назад.
Ni-Cd элементы имеют продолжительный срок эксплуатации, который порой превышает 10 лет и поэтому еще можно встретить этот вид батарей во множестве электронных устройств, кроме тех, которые перечислены выше.
Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора
Этот вид элементов питания имеет следующие положительные характеристики:
В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:
Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников
Батареи с активными компонентами, включающими никель и кадмий, имеют ряд отличий от более современных литий-ионных и никель-металлогидридных источников электроэнергии:
Исходя из имеющихся отличий, нельзя сделать однозначный вывод о том, какие АКБ лучше, поскольку у всех элементов есть и сильные и слабые стороны.
Правила эксплуатации
В ходе эксплуатации в Ni Cd источниках питания происходит ряд изменений, которые приводят к постепенному ухудшению характеристик и, в конечном итоге, к утрате работоспособности:
Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:
При сильном увеличении давления внутри батареи в результате быстрого заряда большим током и сильной деградации кадмиевого катода в АКБ может выделяться избыточный водород, что приводит к резкому увеличению давления, которое может деформировать корпус, нарушает плотность сборки, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.
В АКБ, оборудованных аварийным клапаном сброса давления, опасность деформации можно предотвратить, но необратимых изменений химического состава батареи избежать невозможно.
Зарядку Ni Cd аккумуляторов нужно производить током 10% (при необходимости быстрого заряда в специальных АКБ – током до 100% за 1 час) величины их емкости (например, 100 мА при емкости 1000 mAh) в течение 14-16 часов. Самый лучший режим их разряда – током, равным 20% от емкости батареи.
Как восстановить Ni Cd аккумулятор
Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.
В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.
Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.
Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:
Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.
Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.
Хранение и утилизация
Хранить никель кадмиевые батареи лучше в разряженном состоянии при низкой температуре в сухом месте. Чем меньше температура хранения таких АКБ, тем меньше у них саморазряд. Качественные модели могут храниться до 5 лет без существенного ущерба техническим характеристикам. Для ввода их в эксплуатацию достаточно провести их зарядку.
Вредные вещества, содержащиеся в одной батарее АА, способны загрязнить около 20 квадратных метров территории. Для безопасной утилизации Ni Cd аккумуляторов, их нужно сдавать в пункты переработки, откуда их переправляют на заводы, где их должны разрушать в специальных герметизированных печах, оборудованных фильтрами, улавливающими токсичные вещества.
На Токе заряженный портал
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы — На токе
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd), являются довольно распространённым типом накопителей электроэнергии, который нашёл своё применение в разных областях. Естественно, как и другие разновидности АКБ, NiCd обладают своими положительными и отрицательными сторонами, которые делают их более или менее приемлемыми в тех или иных случаях. Они часто обслуживают бытовую технику, электрические приборы, транспорт и применяются даже в авиации. В этой теме мы подробно обсудим эти замечательные источники питания.
Содержание:
История изобретения
NiCd был изобретён в далёком 1899 году, шведом Вальдемаром Юнгнером. Плюсовой электрод изготовили из никеля, а минусовой — из кадмия. Спустя два года, внёс свою лепту в общее дело знаменитый изобретатель Томас Эдисон, предложив альтернативную схему. Учёный решил вместо кадмия применить железо. Никель-кадмиевая и никель-железная системы стоили скажем так не дёшево, поэтому их практическое применение было ограничено.
Технический прогресс на месте как говорится не стоит и после появления в 1932 году спрессованного анода, было произведено большое количество модернизаций. По итогу, разработчики получили повышенный ток нагрузки и более длительный срок эксплуатации. Довольно распространённый сегодня герметичный NiCd, стал реальностью после создания целиком герметичного элемента, а произошло это знаменательное событие в 1947 году.
Устройство и принцип действия
В Ni-Cd накопителе энергии имеются два электрода: никелевый и кадмиевый. Плюсовой электрод — это паста гидроксида никеля, соединённая с проводящим материалом и нанесённая на стальную сеточку, а минусовой электрод, исполнен в виде стальной сеточки с впрессованным в неё губчатым кадмием. Роль электролита играет высокоактивная щёлочь, не являющаяся взрывоопасной. Также, она ничем не пахнет. Всё это герметично запаковано в металлический либо пластиковый корпус, который может иметь плоскую, кубическую или цилиндрическую форму.
При производстве электродов применяется фольгирование металла, что позволяет увеличить площадь контакта. Сепараторы изготовлены из материала, который не растворяется в щёлочи. Они не мешают свободному перемещению электролита между электродами. Внутри NiCd электронакопителя протекает химический процесс в котором задействованы гидроксиды никеля, кадмия и воды. Данный процесс является обратимым.
Вверху батареи располагаются токосъёмные контакты, посредством которых можно соединять отдельные компоненты в блоки. В крышке имеется отверстие с пробкой, чтобы можно было добавлять щёлочь и кроме того, через это отверстие улетучиваются избыточные газы по ходу зарядки источника энергии.
По типу исполнения накопители с кадмиевым электродом разделяются на две разновидности:
Технические характеристики
☑ Минимальное напряжение разряда — 0,9 V.
☑ Нормальное рабочее напряжение — 1,2 V. Если нужно организовать вольтаж 24 V и 12 V, отдельные компоненты собирают в блоки соединяя их последовательно.
☑ Напряжение в NiCd электронакопителе при 100% заряде — 1,5 V.
☑ В зависимости от условий, в которых эксплуатируется оборудование, Ni-Cd АКБ может выдержать до 2000 циклов.
☑ Саморазряд доходит до показателя 25% от стартовой ёмкости.
☑ Удельная энергетическая ёмкость до 65 Вт*ч/кг.
☑ Никель-кадмий служит до десяти лет. Но это ещё не всё: современные ламельные промышленные NiCd аккумуляторы могут протянуть 20-25 лет!
Преимущества и недостатки
Естественно, как и других источников питания, у никель-кадмия есть свои положительные и отрицательные стороны. В некоторых сферах такие накопители энергии трудно заменить чем-либо поэтому пока не выйдут в свет более совершенные технологии, NiCd будет ещё долго выполнять свои функции, ведь эксплуатационные характеристики у них вполне конкурентноспособные.
Плюсы
✅ Широкий диапазон рабочих температур (-50. +40 градусов, можно заряжать при температуре ниже нуля). Правда достоверных сведений, относительно того, как будет вести себя оборудование при столь низких температурных режимах — нет!
✅ Можно хранить продолжительное время в разряженном состоянии.
✅ Может выдержать много циклов разряда/заряда.
✅ Безопасность. Если брать в сравнение Li-ion, то NiCd при разгерметизации загореться не могут. Также они безопасны при транспортировке — без проблем принимаются авиакомпаниями в качестве груза.
✅ Низкое сопротивление. Именно по этой причине изделие не будет нагреваться в процессе зарядки даже в том случае, если применяется большой ток. Греться аккумулятор начинает тогда, когда «заправится» под завязку, что и является сигналом для окончания процесса подзарядки.
✅ Относительно стабильно функционирует при сильном минусе.
✅ «Гибкий» форм-фактор. Могут создаваться разных размеров для разных вариантов установки.
✅ Доступные по цене. Это самый дешёвый тип электронакопителей при пересчёте на цикл.
Минусы
⛔ Довольно высокий уровень самостоятельного разряда. NiCd источник питания может утратить до 10% ёмкости уже в первые сутки, а через один-два месяца, электронакопитель разрядится в ноль. Однако на рынке имеют место модели NiCd, потеря ёмкости у которых составляет всего 10-12% за месяц. Тут имеет значение ещё и то, насколько заряжена аккумуляторная батарея.
⛔ После продолжительного хранения без активности, Ni-Cd потребуется восстановить по специальной методике.
⛔ NiCd нужно в обязательном порядке доводить до полного разряда, так как у них присутствует отчётливо выраженный эффект памяти.
⛔ У никель-кадмия низкая энергетическая плотность.
⛔ Ni-Cd накопители энергии нуждаются в периодической «тренировке»: 3-4 заряда/разряда для восстановления.
⛔ Меньшая ёмкость при большей массе, если сравнивать с альтернативными типами источников энергии при тех же габаритах.
⛔ Низкое напряжение с понижением от 1,5 V (при первых 10%) до 1,2 V (потребуется большое количество элементов для создания высокого напряжения).
Вопрос эффекта памяти стоит обсудить более подробно, так как он является одной из особенностей NiCd батарей. Устройство запоминает напряжение, до которого оно разрядилось ранее и при очередном цикле будет отдавать энергию лишь до этого показателя. Если заряд АКБ был использован наполовину и агрегат установили на зарядку, то его ёмкость упадёт на 50 процентов. Данное обстоятельство придётся учитывать в обязательном порядке.
В минусы можно записать и токсичные материалы, присутствующие в никель-кадмиевых накопителях энергии. Такие аккумуляторы нельзя просто выбросить в мусорный бак! Кадмий является ядовитым металлом и именно по этой причине, NiCd батареи в некоторых странах вообще запрещено производить, но в то же время, их там дозволяется использовать. В принципе, если не подвергать такие АКБ разборке и если корпус не разрушится — они не опасны. Как бы там не было, Ni-Cd изделия должны утилизироваться по определённым правилам, а сама процедура утилизации никель-кадмия, весьма дорогостоящей является.
Маркировка NiCd
▶ Первые цифры указывают на число отдельных компонентов образующих аккумулятор, сколько их соединено в сумме.
▶ Буквы НК или К обозначают, что вы имеете дело с Ni-Cd электронакопителем.
▶ Латинские литеры L либо H указывают на режим разряда источника энергии. L — длительный разряд, H — кратковременный разряд.
▶ Последующее цифровое обозначение указывает на ёмкость аккумуляторной батареи.
▶ Литеры Р(П) дают нам понять, что корпус электронакопителя изготовлен из пластика.
▶ К — тип сборной конструкции источника энергии — каркасный.
Отличия никель-кадмия от литий-иона и никель-металлогидрида
☑ NiCd, в отличие от своих оппонентов, обладает сильно выраженным эффектом памяти и более скромной удельной ёмкостью при идентичных габаритах.
☑ Ni-Cd батареи менее прихотливы, стабильно работают при довольно низких температурах, намного более устойчивы к перезаряду и переразряду.
☑ Li-Ion и Ni-Mh стоят дороже, но имеют меньшую степень саморазряда.
☑ Литий-ионные изделия могут служить и храниться два-три года, а это в разы меньше по сравнению с NiCd, которые могут порадовать своих обладателей сроком службы до десяти лет.
☑ Никель-кадмиевые аккумуляторы утрачивают ёмкость быстрыми темпами при функционировании в буферном режиме. В принципе, после таких недоразумений их можно полностью привести в себя посредством глубокого разряда и заряда. Самым лучшим вариантом будет не применять Ni-Cd электронакопители в девайсах, где происходит их постоянная подзарядка.
☑ Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи идентичны по режиму заряда, что даёт возможность применять одно и то же зарядное оборудование. Однако при этом нужно учитывать тот факт, что у Ni-Cd напокопителей энергии значительно больше выражен эффект запоминания.
Как видим, никель-кадмиевые АКБ в чём то переигрывают своих конкурентов, но в то же время, чем то и уступают им. В связи с этим, нельзя однозначно сказать какая разновидность аккумуляторов лучше — они все по своему хороши.
Правила эксплуатации
По ходу эксплуатации NiCd батарей, в них происходят некоторые изменения, влекущие за собой постепенное ухудшение рабочих характеристик, что в конечном итоге приводит к потере работоспособности.
Вот перечень этих негативных преобразований:
Для того чтобы в максимальной степени снизить негативные последствия для никель-кадмиевого накопителя возникающие в процессе его хранения и эксплуатации, нужно нейтрализовать неблагоприятные воздействия на аккумулятор:
⛔ если на регулярной основе подвергать АКБ сильному перезаряду, то можно ожидать таких неприятностей: перегрев, повышенное газообразование, утрата воды в электролите, разрушение электродов, особенно анода, разрушение сепараторов;
⛔ недозаряд, приводящий к ускоренной выработке аккумулятора;
⛔ продолжительная эксплуатация при очень низких отрицательных температурах, влечёт за собой изменение состава и объёма электролита, повышение внутреннего сопротивления накопителя, снижение его эксплуатационных характеристик, конкретно, уменьшается ёмкость.
Быстрая зарядка высоким током и значительная деградация кадмиевого катода, приводят к существенному возрастанию давления внутри аккумулятора. По итогу, в электронакопителе может выделяться избыточный водород, что влечёт за собой дополнительное резкое поднятие давления, которое может деформировать корпус никель-кадмиевой АКБ, нарушить плотность сборки, повысить внутреннее сопротивление и снизить рабочее напряжение.
В экземплярах оснащённых аварийным клапаном сброса давления, риск деформации можно свести к нулю, однако необратимых изменений химсостава источника энергии избежать не удастся.
Заряжать никель-кадмий можно током 10% от величины его ёмкости на протяжении 14-16 часов. Самым оптимальным вариантом разряда, будет использование тока равного 20% от ёмкости электронакопителя.
Восстановление
Ni-Cd в случае утраты ёмкости можно восстановить практически полностью. Потребуется организовать полный разряд (до 1 V на элемент) и последующий заряд в стандартном режиме. Эту процедуру можно проделать несколько раз, так будет обеспечена наиболее полная регенерация ёмкости.
Восстановление можно осуществить и посредством воздействия короткими токовыми импульсами на протяжении нескольких секунд. Их величина должна быть в десятки раз больше ёмкости восстанавливаемого накопителя. Подобные манипуляции устранят внутреннее замыкание в компонентах аккумулятора, образующееся по причине нарастания дендритов. Есть специальные промышленные активаторы, осуществляющие описанное воздействие.
Стопроцентное восстановление изначальной ёмкости никель-кадмиевых АКБ невозможно, так как происходят необратимые изменения состава и свойств электролита, а также деградация пластин. Зато можно продлить срок эксплуатации данного оборудования.
Для проведения восстановительных мероприятий в домашних условиях, потребуется осуществить следующие действия:
1. Берём провод сечением не менее 1,5 мм2 и соединяем «-» восстанавливаемого девайса с катодом мощного электронакопителя. К примеру можно взять АКБ из машины либо из UPS.
2. К «+» одного из аккумуляторов присоединяем второй провод.
3. На протяжении 3-4 секунд свободным концом второго проводка быстро касаемся свободной «+» клеммы. Частота касаний — 2-3 в секунду. По ходу всего действа не допускайте «приваривания» проводков в местах соединения.
4. Вольтметром замеряем напряжение на восстанавливаемой батарее, при его отсутствии, производится ещё один восстановительный цикл.
5. Когда на аккумуляторе появляется электродвижущая сила, его устанавливают на зарядку.
Ещё, можно попытаться организовать разрушение дендритов в электронакопителе прибегнув к их заморозке на два-три часа. Далее нужно осуществить интенсивное обстукивание. В процессе заморозки дендриты приобретают хрупкость и разрушаются при ударных воздействиях. Предположительно, это поможет избавиться от них.
Имеются и более экстремальные методы восстановления NiCd АКБ. К примеру, высверливаем корпус (только внешнюю оболочку) старого элемента и воспользовавшись шприцем добавляем туда дистиллированную воду, которая постепенно заполнит пустоты. Однако по итогу, мы будем иметь большие проблемы с полноценной герметичностью источника питания. Поэтому к таким способам восстановления нужно прибегать только в самых крайних случаях, иначе есть шанс попросту отравиться ядовитыми веществами ради выигрыша нескольких «бонусных» циклов работы.
Где используются
Основные сферы применения Ni-Cd — оборудование, имеющее повышенные разрядные токи. Такой электротехнике NiCd накопители могут обеспечить стабильную мощность. Также они не перегреваются в процессе работы при максимальном токе.
Ni-Cd обслуживают разнообразный транспорт: троллейбусы, небольшие водные средства передвижения, электрокары.
До выхода на рынок литиевых источников энергии, кадмиевые АКБ широко использовались для обслуживания переносного инструмента, а также, в плоском исполнении внедрялись в ПК для питания независимой памяти. Нашёл своё место NiCd и в фотоаппаратах, фонариках, калькуляторах, устройствах для улучшения слуха.
Никель-кадмий способен длительное время храниться в разряженном состоянии и он не подвержен пагубному влиянию отрицательных температур. Низкое внутреннее сопротивление и низкая удельная масса, делают никель-кадмий весьма подходящим вариантом для питания бортовой сети летательных аппаратов и для обслуживания переносных радиостанций.
Сейчас, по причине ужесточения экологических требований большинство электробатарей популярных типоразмеров, таких как AA, AAA и других, производятся по Li-Ion и Ni-Mh технологиям. Но в то же время, довольно большое количество никель-кадмиевых АКБ различных типоразмеров выпущенных несколько лет назад, благополучно эксплуатируются и по сей день. Естественно, сейчас их также можно приобрести, причём, за довольно привлекательную сумму.
Хранение
Как и любой другой источник питания, никель-кадмиевые электронакопители также должны храниться при определённых условиях, чтобы подольше сохранять свои рабочие характеристики.
Итак, храним:
☑ В прохладном сухом месте. Если держать при высоких температурных режимах, самостоятельный разряд будет более интенсивным.
☑ С любым промежуточным процентом заряда. Полный разряд и полный заряд — исключены. Оптимальным уровнем считается показатель 40-60%.
☑ По ходу хранения, один раз в 90 дней организовывайте дозарядку девайса, иначе саморазряд будет сокращать процент заряда.
☑ Хранить никель-кадмий нужно не больше пяти лет.
☑ Перед тем как вводить устройство в эксплуатацию после продолжительного хранения, полностью разрядите и зарядите его.
Заключение
Безусловно, данная разновидность накопителей электроэнергии заслуживает внимания. Весьма широкий диапазон рабочих температур, большое количество циклов разряда/заряда, финансовая доступность, продолжительный срок эксплуатации и хранения — вот что выгодно выделяет Ni-Cd среди аналогов. Так что, если вам нужен добротный источник питания за небольшие деньги — никель-кадмий, ваш выбор!
Все о никель-кадмиевых аккумуляторах: характеристики, эксплуатация, плюсы и минусы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) на данный момент все ещё достаточно широко используются в народном хозяйстве. По своей конструкции они относятся к группе щелочных аккумуляторов. Эти батареи востребованы, несмотря на то, что их производство и применение ограничивается из соображений охраны окружающей среды (кадмий является ядовитым веществом). Но полностью отказаться от них не получается, поскольку эти аккумуляторные батареи используют в устройствах, где другие батареи работать не могут. В частности это эксплуатация с разрядными и зарядными токами большой величины. Это достаточно простые в обслуживании устройства с длительным сроком эксплуатации. Поэтому они заслуживают рассмотрения в отдельной статье.
Возникновение и развитие никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Первый никель-кадмиевый аккумулятор создал Вальдмар Юнгнер ещё в 1899 году. Но тогда производство этих щелочных аккумуляторов обходилось значительно дороже, чем других видов батарей. Так, что об этом изобретении на некоторое время забыли. В 1932 году был разработан метод осаждения активного материала на пористый никелевый электрод. Это приблизило выпуск промышленных аккумуляторов Ni-Cd.
В 1947 году был проведен ряд работ, в ходе которых осуществили рекомбинацию газов, выделяющихся при заряде, без их отведения. В результате на свет появились герметичные Ni-Cd аккумуляторы, которые применяются до сих пор. Среди производителей никель-кадмиевых аккумуляторов можно назвать такие крупные компании, как GP Batteries, Самсунг, Варта, GAZ, Konnoc, Advanced Battery Factory, Панасоник, Metabo, Ansmann и другие.
Несмотря на широкое распространение в народном хозяйстве за последние десятилетия, никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно сужают область применения. Их постепенно теснят никель-металлогидридные, а также литиевые батареи.
Применение никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Никель-кадмиевые аккумуляторы с небольшими размерами применяются в технических устройствах, требующих для своей работы большой ток. В таких условиях Ni-Cd аккумуляторы выдают стабильную мощность и не перегреваются в отличие от других типов аккумуляторных батарей. Никель-кадмиевые аккумуляторы широко используются в троллейбусах, трамваях, в роли тяговых АКБ на электрических карах, встречаются промышленные аккумуляторы Ni-Cd. Кроме того, широкое применение они нашли на морском и речном транспорте.
Ni-Cd аккумуляторы можно встретить в вертолетах и самолетах в роли бортовых батарей, в портативных инструментах (шуруповёрт, перфоратор и т. п.). Однако в инструментах все чаще встречаются литиевыми батареями. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи пока не могут заменить в тех портативных устройствах, которые имеют потребление большой мощности. Хотя в некоторых устройствах их успешно заменяют Ni─MH аккумуляторы, которые не имеют в своём составе вредного кадмия.
Ni-Cd аккумуляторы могут долго храниться, просты в обслуживании, малочувствительны к низким температурам, имеют низкое внутреннее сопротивление и малый удельный вес. Все это пока перевешивает отрицательный момент, связанный с наличием в них ядовитого кадмия. Никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему доминируют при использовании в авиации, военной технике, устройствах мобильной радиосвязи. Дополнительно можете прочитать материал о том, как восстанавливаются Ni─Cd аккумуляторы для шуруповерта.
Вернуться к содержанию
Устройство никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Конструкция Ni-Cd аккумуляторов
Конструктивно никель-кадмиевый аккумулятор представляет собой положительный и отрицательный электрод, разделенные сепаратором. Они погружены в щелочной электролит и все это закрыто в герметичном металлическом корпусе. Положительный электрод имеет в своем составе NiOOH (оксид-гидроксид никеля). В составе отрицательного присутствует кадмий (Cd) в компаунде. В роли электролита выступает раствор KOH (гидроксид калия). Это сильная щелочь, не имеющая запаха. Преимущества KOH в том, что вещество не взрывоопасное и не пожароопасное. Массовая доля KOH в электролите по ГОСТ Р 50711-94 должна составлять не меньше 85 процентов в твердом и не меньше 45 процентов в жидком виде.
Чтобы увеличить площадь поверхности электродов, их выпускают из фольги малой толщины. Сепаратор между электродами делается из нетканого материала, который не взаимодействует со щелочью. Сам электролит в процессе реакции не расходуется.
Один никель-кадмиевый элемент выдает напряжение около 1 вольта. Поэтому они объединяются в батареи с плотностью энергии примерно 60 Вт-ч на один килограмм.
На изображении ниже можно посмотреть основные элементы щелочного никель кадмиевого аккумулятора серии KL.
Конструкция никель-кадмиевого аккумулятора
Электрод представляет собой ламели, расположенные горизонтально. В них находится активное вещество в перфорированной ленте из стали. Ребро дает жесткость электрода и обеспечивает перетекание тока на контактную планку. Электроды разной полярности разделяются рамочным сепаратором, который не препятствует свободной циркуляции электролита.
Вернуться к содержанию
Реакции, проходящие на электродах Ni-Cd аккумулятора
Процессы на положительном электроде
Основные электрохимические реакции, протекающие на положительном электроде никель-кадмиевой аккумуляторной батареи, можно описать следующими формулами:
В процессе разряда
Оксид-гидроксид никеля (NiOOH) на положительном электроде может быть в двух вариантах:
Эти формы различаются по своей плотности и гидратации. Если батарея разряжена, то на положительном электроде есть обе эти формы гидроксида никеля. Когда Ni-Cd аккумулятор заряжается, то форма β-Ni(OH)2 превращается в β-NiOOH. При этом кристаллическая решетка вещества несколько изменяется. На заключительной стадии зарядки происходит образование γ-NiOOH. Количество фаз β и γ гидроксида никеля будет зависеть от конкретных условий заряда.
Заряд никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется вести с небольшой перезарядкой, чтобы образовывался β-NiOOH. Эта форма дает незначительные изменения объема активной массы электрода при циклических заряде-разряде.
Процессы на отрицательном электроде
На отрицательном электроде никель-кадмиевой батареи протекают следующие реакции:
Cd(OH)2 + 2e − ⇒ Cd + 2OH −
Cd + 2OH − ⇒ Cd(OH)2 + 2e −
Ёмкость кадмиевого электрода в никель-кадмиевых батареях превышает ёмкость положительного электрода примерно на 20─70 процентов. По этой причине считается, что потенциал отрицательного электрода при заряде-разряде, остается неизменным.
Общие процессы в Ni-Cd аккумуляторе
В никель-кадмиевой батарее протекают следующие реакции:
В процессе перезаряда на положительном электроде протекает следующая реакция:
2OH − ⇒ 1/2O2 + H2O + 2e −
То есть, выделяется кислород, который через сепаратор доходит до отрицательного электрода и там с его участием идет следующая реакция:
В результате происходит замкнутая реакция по кислороду. Это стабилизирует давление в никель-кадмиевом аккумуляторе при перезаряде. Величина давления в батарее в значительной степени зависит от скорости транспортировки кислорода между положительным и отрицательным электродами. В процессе перезаряда на отрицательном кадмиевом электроде может выделяться водород:
Затем он окисляется на положительном электроде. Реакция выглядит так:
Образование водорода в герметичном аккумуляторе – это опасный процесс. Если скорость его поглощения будет низкой, то это может привести к его накоплению. А это уже взрывоопасно. Поэтому в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах емкость кадмиевого электрода делают значительно больше, чем положительного.
Ёмкость такой герметичной батареи определяется именно значением ёмкости оксидно-никелевого электрода.
Вернуться к содержанию
Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Номинальное напряжение никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов составляет 1,2 вольта. Заряд током 1/10 от ёмкости происходит за 16 часов. Замер ёмкости Ni-Cd аккумулятора производится при разряде током 2/10 от номинальной ёмкости до напряжения один вольт.
На изображении ниже можно видеть разрядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при различных режимах разряда.
Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от величины тока разряда
Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от температуры
Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от нагрузочного тока
Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов зависит в основном от термодинамической неустойчивости электрода из оксида-гидроксида никеля. Влияние тока утечки между электродами на саморазряд небольшое. Но постепенно увеличивается со временем эксплуатации батареи. Тепловыделение в Ni-Cd аккумуляторах во многом зависит от степени заряженности. После того, как аккумулятор набрал 70 процентов емкости, активизируется процесс выделения кислорода. В результате из-за ионизации кислорода на отрицательных электродах происходит разогрев аккумулятора. По окончании зарядки температура в Ni-Cd аккумуляторе поднимается на 10─15 градусов Цельсия. Если заряд осуществляется в ускоренном режиме, то увеличение температуры может составлять 40─45 градусов Цельсия.
После отключения от заряда потенциал положительного (оксидно-никелевого) электрода уменьшается и происходит постепенное выравнивание заряда глубинного и поверхностного слоя. Через некоторое время интенсивность саморазряда снижается. У различных серий Ni-Cd аккумуляторов саморазряд и стабилизации остаточной емкости могут значительно различаться. Саморазряд, помимо снижения ёмкости, ещё приводит к понижению напряжения на 0,03─0,05 вольта. Это явление объясняется постепенным выравниванием заряда в глубине и на поверхности электрода. Кроме того, влияние оказывает частичная пассивация активной массы.
Хранение никель-кадмиевых аккумуляторов (равно, как и свинцово-кислотных) при низкой температуре снижает саморазряд. При 20 градусах Цельсия саморазряд в два раза больше, чем при 0.
На следующем изображении показан график изменения потери емкости для никель-кадмиевых аккумуляторов при различных температурах.
Саморазряд герметичного никель-кадмиевого аккумулятора при различных температурах хранения
Что касается энергетических характеристик Ni-Cd аккумуляторов, то они также различаются в зависимости от разновидностей батареи.
Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы с 2 электродами имеют удельные энергетические характеристики 15─18 Вт-ч на килограмм и 35─45 Вт-ч на литр. Та же разновидность, но с 4 электродами имеет удельные энергетические характеристики в два раза больше. Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов эти величины составляют 45 Вт-ч на килограмм и 130 Вт-ч на литр.
Вернуться к содержанию
Что влияет на разряд Ni-Cd аккумуляторов?
Разрядные характеристики конкретных моделей зависят от следующих характеристик:
Для аккумуляторных батарей, работающих в режиме разряда средней интенсивности, делаются электроды меньшей толщины, и увеличивается их число до 4. В результате ток разряда возрастает до 0,6 от ёмкости.
Есть еще, так называемые, короткоразрядные аккумуляторы. В них установлены металлокерамические электроды с малым внутренним сопротивлением. Эти модели имеют самые высокие энергетические показатели среди других разновидностей никель-кадмиевых аккумуляторов. У них напряжение при разряде держится выше 1,2 вольта до того момента, пока они не исчерпают 90 процентов ёмкости батареи. Эти аккумуляторы могут использоваться при разрядке большими значениями тока (3─5С).
Стоит отметить ещё цилиндрические батареи с рулонными электродами. Эти современные аккумуляторы могут разряжаться длительное время током 7─10С. На графиках разряда, представленных выше можно видеть, что температура ОС оказывает существенное влияние на характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов. Наибольшее значение ёмкости аккумулятор имеет при 20 градусах Цельсия. При повышении температуры она практически не меняется. Но при понижении до 0 градусов емкость падает тем быстрее, чем больше величина тока разряда. Это понижение ёмкости связано с уменьшением разрядного напряжения, которое вызвано ростом поляризационного и омического сопротивления. Сопротивление возрастает из-за малого объема электролита.
Так, что состав щелочи (электролита) и её концентрация существенно отражаются на характеристиках аккумулятора. От этого зависит температура образования солей, кристаллогидратов, льда и прочих элементов.
Если электролит замерз, то разряд вообще исключен. Нижнее значение рабочей температуры Ni-Cd аккумуляторов в большинстве случаев составляет минус 20 градусов Цельсия. Для некоторых видов батарей состав электролита корректируется, и нижняя граница температурного диапазона расширяется до минус 40 градусов Цельсия.
Вернуться к содержанию
Что влияет на заряд Ni-Cd аккумуляторов?
При зарядке герметичного никель-кадмиевого аккумулятора важным является ограничение перезаряда. При перезарядке увеличивается давления внутри батареи из-за выделения кислорода. Так, что эффективность использования тока падает по мере приближения к 100-ной зарядке.
На изображении ниже можно посмотреть графики характеризующие зависимость ёмкости при разряде цилиндрического аккумулятора.
Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости заряда
Чем меньше толщина электродов и чем выше плотность их компоновки, тем эффективнее будет проходить процесс заряда. Цилиндрические аккумуляторы с рулонными электродами являются наиболее эффективными в этом плане. Для них эффективность заряда при изменении тока от 0,1 до 1С почти не меняется. Стандартным производители называют режим зарядки, в результате которого батарея с напряжением 1 вольт полностью заряжается за 16 часов током 0,1 от ёмкости. Некоторые модели при заряде в таком режиме требуют 14 часов. Конкретные показатели уже зависят от конструктивных особенностей и объема активной массы.
Все вышесказанное справедливо для гальваностатического заряда. Это заряд при постоянном значении силы тока. Но заряд может также вестись с плавным или ступенчатым снижением силы тока на заключительной стадии зарядки. Тогда на начальном этапе ток может устанавливаться гораздо выше стандартного значения 0,1 от ёмкости. Часто бывает реальная необходимость в увеличении скорости зарядки. Проблему решают с использованием аккумуляторов, характеристики которых позволяют эффективно принимать заряд током высокой плотности. Ток поддерживается постоянным на протяжении всего процесса зарядки. Также совершенствуются системы контроля, которые не допускают перезаряд батареи.
Цилиндрические никель-кадмиевые аккумуляторы обычно заряжаются в следующих режимах:
При ускорении не рекомендуется допускать перезаряд больше 120─140 процентов. Тогда будет обеспечена ёмкость не меньше номинала. Ni-Cd аккумуляторы для работы в ускоренных режимах заряжаются ещё быстрее (примерно около одного часа). Однако в последнем случае нужен контроль напряжения и температуры. Иначе, из-за быстрого роста давления, может начаться процесс деградации аккумуляторов.
После того, как заряд закончен в герметичном аккумуляторе еще продолжается выделение кислорода из-за окисления гидроксильных ионов на положительном электроде. За счет процесса саморазряда уменьшается потенциал, и процесс выделения кислорода постепенно уменьшается и становится равным поглощению его на кадмиевом электроде. Тогда давление уменьшается. О том, как заряжать Ni-Cd аккумуляторы детально разобрано по указанной ссылке.
Вернуться к содержанию
Эксплуатация никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Постепенно при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов в них происходят изменениями, оказывающие влияние на работоспособность. Эти изменения вызывают постепенное падение напряжения аккумулятора и снижение его разрядной емкости.
Какие факторы приводят к отказу в работе Ni-Cd аккумуляторов:
Изменения в положительном электроде (оксидно-никелевый)
После определенного, достаточно большого, количества циклов происходит изменение плотности активной массы положительного электрода. Возникает, так называемое, набухание оксидно-никелевого электрода. Кроме того, уменьшается его прочность. В результате снижается качество контакта активной массы с основой электрода. Как следствие, падает электрическая проводимость электрода и уменьшается ёмкость аккумулятора.
Уменьшение прочности положительного электрода вызывается в основном из-за регулярном перезаряда. Как говорилось выше, это сопровождается выделением кислорода в герметичном корпусе аккумулятора. В батареях с электродами из металлокерамики эти изменения наблюдаются в значительно меньшей степени. При эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов наблюдается увеличение кристаллов активной массы. Это приводит к уменьшению рабочей поверхности электродов и падению ёмкости.
Вернуться к содержанию
Изменения в отрицательном электроде (кадмиевый)
На кадмиевом электроде основным процессом, вызывающим его деградацию, является миграция активной массы. У отработавшего длительное время Ni-Cd аккумулятора активную массу отрицательного электрода можно найти как в сепараторе, так и на положительном электроде. В результате наблюдается потеря активной массы, а также блокировка поверхностного слоя отрицательного электрода.
Это ухудшает доступ щелочного электролита вглубь электрода. В результате растет внутреннее сопротивление аккумулятора. Миграция активной массы и нарастание дендритов сквозь сепаратор до положительного электрода вызывает короткие замыкания и нарастание саморазряда. Как и в оксидно-никелевом электроде, так и в кадмиевом укрупняются кристаллы, и набухает активная масса.
Срок службы никель-кадмиевого аккумулятора сокращают и другие необратимые процессы. В частности, из-за высокого окислительного потенциала положительного электрода, на нём окисляются органические примеси. Это специальные стабилизирующие и активирующие добавки в этом типе аккумуляторов. Металлокерамическая основа электрода при своем окислении потребляет воду и выделяет гидроксид никеля (Ni(OH)2).
Увеличение давления в никель-кадмиевом аккумуляторе также оказывает пагубное влияние на состояние аккумулятора. Когда снижается ёмкость кадмиевого электрода, то меняется баланс ёмкостей положительных и отрицательных пластин. В результате создаются условия для выделения водорода. При малой скорости рекомбинации водород начинает скапливаться и возникает угроза резкого увеличения давления. Такая картина часто наблюдается при быстром заряде. У призматических и дисковых моделей Ni-Cd аккумуляторов при повышенном давлении корпус может деформироваться. Герметичность может сохраниться, но плотности сборки нарушается, растет внутреннее сопротивление батареи и снижается разрядное напряжение.
Свой вклад в падение работоспособности Ni-Cd аккумулятора вносит и щелочной электролит. Точнее изменение его состава и объема. В результате изменения структуры и набухания электродов происходит отбор электролита. В результате растет внутреннее сопротивление батареи. Состав электролита постепенно меняется. По сравнению с первоначальным состоянием может значительно увеличится объем карбонатов. Электропроводность электролита падает, и параметры батареи при разряде ухудшаются. Особенно это становится заметно при низких температурах.
Вернуться к содержанию
Как влияет эксплуатация и температура на процесс деградации
Одним из наиболее важных факторов, оказывающих воздействие на процесс деградации никель-кадмиевого аккумулятора является температура. При повышении температуры на каждые десять градусов химические процессы ускоряются в два-четыре раза.
Влияние температуры становится еще более заметным при увеличении тока заряда, поскольку это приводит к нагреву батареи при перезаряде. Уменьшение ёмкости кадмиевого электролита при низкой температуре будет превышать снижение ёмкости положительного электрода. Это накладывает некоторые ограничения на использование аккумуляторов в северных регионах. В такой ситуации при заряде растёт скорость выделения водорода.
На процесс деградации никель-кадмиевых аккумуляторов большое влияние оказывает характер эксплуатации. Что сюда входит:
На графике ниже можно видеть длительность работы аккумулятора в циклах в зависимости от глубины разряда.
Наработка герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при разной глубине заряда
При постоянной подзарядке никель-кадмиевых аккумуляторов нужно обеспечить ток, равный 0,03─0,05 от номинальной ёмкости. Если батарея постоянно эксплуатируется в таком режиме, то помимо величины тока влияет и температура ОС. Когда температура повышается, то увеличивается образование кислорода. Это ускоряет деградацию аккумулятора. С целью функционирования с непрерывной подзарядкой (температура 50─55 градусов Цельсия) были созданы специальные модели цилиндрических аккумуляторов. Они имеют электроды рулонного типа со сроком эксплуатации, как минимум, 4 года. В этих батареях скорректированный состав электролита и проделана подготовка для ускорения поглощения газов.
Если разряжать Ni-Cd аккумулятор после длительного подзаряда, то его ёмкость будет немного ниже, чем у аккумуляторов, заряженных с нуля. Но это явление временное и ёмкость придёт в норму после нескольких циклов заряд-разряд.
Маркировка щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
Маркировка Ni-Cd аккумуляторов может выглядеть следующим образом:
40 НК, K, L, H; 250 P(П), K
Символы обозначают следующее:
Плюсы и минусы никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)
В заключение кратко напомним преимущества и недостатки никель кадмиевых аккумуляторов.