В течение целых пятидесяти лет портативные устройства для автономной работы могли полагаться исключительно на никель-кадмиевые источники питания. Но кадмий очень токсичный материал, и в 1990-х на смену никель-кадмиевой технологии пришла более экологичная никель-металл-гидридная. По сути эти технологии очень схожи, и большинство характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов передались по наследству никель-металл-гидридным. Но тем не менее, для некоторых применений никель-кадмиевые аккумуляторы остаются незаменимыми и используются по сей день.
1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)
Изобретенный Вальдмаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевый аккумулятор имел несколько преимуществ по сравнению со свинцово-кислотным, единственным существовавшим тогда аккумулятором, однако был более дорогим из-за стоимости материалов. Развитие этой технологии было довольно медленным, но в 1932 году был сделан значительный прорыв - в качестве электрода стал использоваться пористый материал с активным веществом внутри. Дальнейшее усовершенствование было сделано в 1947 году и решило проблему газопоглощения, что позволило создать современную герметичную необслуживаемую никель-кадмиевую батарею.
На протяжении многих лет именно NiCd батареи служили в качестве источников питания для двухсторонних радиостанций, экстренной медицинской техники, профессиональных видеокамер и электроинструмента. В конце 1980-х были разработаны ультраемкие NiCd аккумуляторы, которые потрясли мир своей емкостью, на 60% превышающей показатель стандартной батареи. Это было достигнуто благодаря размещению большего количества активного вещества в батарее, но добавились и недостатки - повысилось внутреннее сопротивление и уменьшилось количество циклов заряда/разряда.
NiCd стандарт остается одним из самых надежных и непритязательных среди аккумуляторных батарей, и авиационная отрасль остается верной этой системе. Тем не менее, долговечность этих аккумуляторов зависит от надлежащего обслуживания. NiCd, и отчасти NiMH аккумуляторы, подвержены эффекту “памяти”, который приводит к потере емкости, если периодически не делать полный цикл разряда. При нарушении рекомендованного режима зарядки аккумулятор будто помнит, что в предыдущие циклы работы его емкость не была использована полностью, и при разряде отдает электроэнергию только до определенного уровня. (Смотрите: Как восстановить никелевый аккумулятор ). В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки стандартного никель-кадмиевого аккумулятора.
| Преимущества | Надежный; большое количество циклов при правильном обслуживании Единственный аккумулятор, способный к ультрабыстрой зарядке с минимальным стрессом Хорошие нагрузочные характеристики, прощает их преувеличение Длительный срок хранения; возможность хранения в разряженном состоянии Отсутствие специальных требований к хранению и транспортировке Хорошая производительность при низких температурах Самая низкая стоимость одного цикла работы среди всех аккумуляторов Доступен в широком диапазоне размеров и вариантов исполнения |
| Недостатки | Относительно низкая удельная энергоемкость в сравнении с более новыми системами Эффект “памяти”; необходимость периодического обслуживания для его избежания Кадмий является токсичным материалом, необходима специальная утилизация Высокий саморазряд; нуждается в подзарядке после хранения Низкое напряжение ячейки в 1,2 вольта, требует построения многоячеечных систем для обеспечения высокого напряжения |
Таблица 1: Преимущества и недостатки никель-кадмиевых батарей.
2. Никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH)
Исследования никель-металл-гидридной технологии начались еще в 1967 году. Однако нестабильность металл-гидрида тормозила разработку, что в свою очередь привело к развитию никель-водородной (NiH) системы. Новые гидридные сплавы, обнаруженные в 1980-х, решили проблемы с безопасностью, и позволили создать аккумулятор с удельной энергоемкостью на 40% большей, чем у стандартного никель-кадмиевого.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Например, их процесс зарядки более сложен, чем у NiCd. С саморазрядом в 20% за первые сутки и последующей ежемесячной в 10%, NiMH занимают одну из лидирующих позиций в своем классе. Модифицируя гидридный сплав, можно добиться снижения саморазряда и коррозии, но это добавит недостаток в виде уменьшения удельной энергоемкости. Но в случае использования в электротранспорте, эти модификации весьма полезны, так как повышают надежность и увеличивают срок службы батарей.
3. Использование в потребительском сегменте
NiMH батареи в данный момент являются одними из самых легкодоступных. Такие гиганты отрасли как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac признали необходимость присутствия на рынке недорогого и долговечного аккумулятора, и предлагают никель-металл-гидридные источники питания разных типоразмеров, в частности АА и ААА. Производителями тратятся большие усилия, чтобы отвоевать часть рынка у щелочных батарей.
В этом сегменте рынка никель-металл-гидридные батареи являются альтернативой перезаряжаемым щелочным батареям , которые появились еще в 1990 году, но из-за ограниченного жизненного цикла и слабых нагрузочных характеристик не снискали успеха.
В таблице 2 сравниваются удельная энергоемкость, напряжение, саморазряд и время работы батареек и аккумуляторов потребительского сегмента. Представленные в АА, ААА и других типоразмерах, эти источники питания могут использоваться в портативных устройствах. Даже если у них может немного различается номинальный вольтаж, состояние разряда, как правило, наступает при одинаковом для всех фактическом значении напряжения в 1 В. Эта широта значений напряжения допустима, так как портативные устройства имеют некоторую гибкость в плане диапазона напряжений. Главное – необходимо вместе использовать только однотипные электрические элементы. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют развитию литий-ионных батарей в АА и ААА типоразмере.
Таблица 2: Сравнение различных батарей типоразмера АА.
* Eneloop является торговой маркой корпорации Sanyo, основанной на NiMH системе.
Высокий показатель саморазряда NiMH является причиной продолжающейся озабоченности потребителей. Фонарь или портативное устройство с батареей NiMH разрядится, если не пользоваться им несколько недель. Предложение заряжать устройство перед каждым использованием навряд ли найдет понимание, особенно в случае с фонарями, которые позиционируются как источники резервного освещения. Преимущество щелочной батареи со сроком хранения в 10 лет тут видится бесспорным.
В никель-металл-гидридной батарее от Panasonic и Sanyo под торговой маркой Eneloop удалось значительно уменьшить саморазряд. Eneloop может храниться без подзарядки в шесть раз дольше чем обычная NiMH. Но недостатком такой улучшенной батареи является немного меньшая удельная энергоемкость.
В таблице 3 приведены преимущества и недостатки никель-металл-гидридной электрохимической системы. В таблице не учтены характеристики Eneloop и других потребительских торговых марок.
| Преимущества | На 30-40 процентов большая емкость по сравнению с NiCd Менее склонны к эффекту “памяти”, могут быть восстановлены Простые требования к хранению и транспортировке; отсутствие регулирования этих процессов Экологически чистые; содержат только умеренно токсичные материалы Содержание никеля делает утилизацию самоокупающейся Широкий диапазон рабочих температур |
| Недостатки | Ограниченный срок службы; глубокие разряды способствуют ее уменьшению Сложный алгоритм зарядки; чувствительны к перезаряду Особые требования к режиму подзарядки Выделяют тепло во время быстрой зарядки и разряда мощной нагрузкой Высокий саморазряд Кулоновская эффективность на уровне 65% (для сравнения у литий-ионных - 99%) |
Таблица 3: Преимущества и недостатки NiMH батарей.
4. Железо-никелевые аккумуляторы (NiFe)
После изобретения в 1899 году никель-кадмиевого аккумулятора шведский инженер Вальдмар Юнгнер продолжил исследования и пытался заменить дорогой кадмий более дешевым железом. Но низкая эффективность заряда и чрезмерное газообразование водорода заставили его отказаться от дальнейшего развития NiFe батареи. Он даже не стал патентовать эту технологию.
Железо-никелевый аккумулятор (NiFe) использует в качестве катода гидрат окиси никеля, анода - железо, а электролита - водный раствор гидроксида калия. Ячейка такого аккумулятора генерирует напряжение в 1,2 В. NiFe устойчив к излишнему перезаряду и глубокому разряду; может эксплуатироваться в качестве резервного источника питания в течение более чем 20 лет. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделали этот аккумулятор самым используемым в горной промышленности в Европе; также он нашел свое применение для обеспечения питания железнодорожной сигнализации, также используется как тяговой аккумулятор для погрузчиков. Можно отметить, что во время Второй мировой войны именно железо-никелевые батареи использовались в немецкой ракете “Фау-2”.
NiFe имеет низкую удельную мощность - примерно 50 Вт/кг. Также к недостаткам стоит отнести плохую производительность при низких температурах и высокий показатель саморазряда (20-40 процентов в месяц). Именно это, вкупе с высокой стоимостью производства, побуждает производителей оставаться верными свинцово-кислотным батареям.
Но железо-никелевая электрохимическая система активно развивается и в недалеком будущем способна стать альтернативой свинцово-кислотной в некоторых отраслях. Перспективно выглядят экспериментальная модель ламельной конструкции, в ней удалось снизить саморазряд аккумулятора, он стал практически невосприимчив к пагубному воздействию пере- и недозарядки, а его срок службы ожидается на уровне 50 лет, что сопоставимо с 12-летним сроком службы свинцово-кислотной батареи в режиме работы при глубоких циклических разрядах. Ожидаемая цена такой NiFe батареи будет сравнима с ценой литий-ионной, и всего в четыре раза превышать цену свинцово-кислотной.
NiFe аккумуляторы, равно как и NiCd и NiMH , требуют особых правил зарядки - кривая напряжения имеет синусоидальную форму. Соответственно, использовать зарядное устройство для свинцово-кислотного или литий-ионного аккумулятора не выйдет, это даже может навредить. Как и все батареи на основе никеля, NiFe боятся перезаряда - он вызывает разложение воды в электролите и приводит к ее потере.
Сниженную в результате неправильной эксплуатации емкость такого аккумулятора можно восстановить путем приложения высоких токов разрядки (соразмерных значению емкости аккумулятора). Данную процедуру необходимо проводить до трех раз с длительностью периода разряда в 30 минут. Также следует следить за температурой электролита - она не должна превышать 46°С.
5. Никель-цинковые аккумуляторы (NiZn)
Никель-цинковый аккумулятор похож на никель-кадмиевый тем, что использует щелочной электролит и никелевый электрод, но отличается по напряжению - NiZn обеспечивает 1,65 В на ячейку, в то время как NiCd и NiMH имеют показатель в 1,20 В на ячейку. Заряжать NiZn аккумулятор необходимо постоянным током с значением напряжения 1,9 В на ячейку, также стоит помнить, что этот вид аккумуляторов не рассчитан для работы в режиме подзарядки. Удельная энергоемкость составляет 100Вт/кг, а количество возможных циклов - 200-300 раз. NiZn не имеет в своем составе токсичных материалов и может быть легко утилизирован. Выпускается в различных типоразмерах, в том числе в АА.
В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на перезаряжаемую никель-цинковую батарею. Позже его разработки были усовершенствованны ирландским химиком Джеймсом Драммом, который установил эти аккумуляторы на автомотрисы, которые курсировали по маршруту Дублин-Брей с 1932 по 1948 год. NiZn не получил должного развития из-за сильного саморазряда и короткого жизненного цикла, вызванного образованиями дендритов, что также часто приводило к короткому замыканию. Но совершенствование состава электролита уменьшило эту проблему, что дало повод снова рассматривать NiZn для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и широкий диапазон рабочих температур делают эту электрохимическую систему крайне привлекательной.
6. Никель-водородные аккумуляторы (NiH)
Когда в 1967 началась разработка никель-металл-гидридных батарей, исследователи столкнулись с нестабильностью гидритов металла, что вызвало сдвиг в сторону развития никель-водородного (NiH) аккумулятора. Ячейка такого аккумулятора включает в себя инкапсулированный в сосуд электролит, никелевый и водородный (водород заключен в стальной баллон под давлением в 8207 бар) электроды.
Вопрос выбора элементов питания поднимался пользователями не раз. Для раций, для различных вспомогательных устройств, в блоках дополнительного питания и т.д. По заданию редакции сайт я проведу небольшой экскурс и мы попытаемся выяснить что лучше. Причём это не исчерпывающий опус, скорее тезисные отметки по тем или иным моментам.
Сразу — про солевые элементы забываем. Да, они дёшевы, но текут, разряжаются на морозе с ними тоже проблемы. Их назначение — телевизионные пульты.
Алкалиновые — щелочные батарейки , имеют особенность: если батарейка села, даём ей минут 30 отдохнуть и она снова проработает некоторое время. Поэтому есть способ продлить их службу: периодически меняя 2 комплекта.
Литиевые батарейки нельзя заряжать. При зарядке они могут взорваться! Работают в 7 раз дольше алкалиновых, могут не терять заряда годами.
Из одного комментария: я спасатель, для нас хорошие батарейки это не только эффективность работы, но, зачастую и собственное выживание. Навигатор, фонарь — всё это должно работать без проблем.
При минусовых температурах электролит загустевает. Здесь нужны только литиевые элементы.
Хранить и батареи и аккумуляторы надо отдельно от устройств.
Есть обычные батарейки, что для розничной продажи, и есть те что для промышленного потребления, у них и упаковка другая и оформление самого элемента отлично, а самое главное они и живут дольше, и это не субъективное мнение, а реально замеренные данные на примере использования. Разницу я бы оценил от 1,5 до 2,5 раз дольше. Проверяли (использовали) на рациях. 12 комплектов (24 рации), половина с батарейками купленными в супермаркете, те же дурасел, срок годности в норме, вторая половина с теми что я купил. Супермаркетовские выдержали примерно 8 часов работы (1 смена), второй день работали только промвариант, отработали еще почти смену.
Батареи повышенной емкости Energizer и Duracell можно использовать для основных приборов, помня, что емкость у них не слишком большая и при значительном потреблении тока разряжаются быстро.
Батареи высокой плотности заряда и длительного срока хранения — Energizer L91-2 (LR6) Ultimate Lithium, Size «AA», 1.5V, Li-Fe — поколение батарей, основанных на Li-Fe технологии с высокой емкостью (даже больше, чем у аккумуляторов) и длительным сроком хранения (несколько лет). Единственный их недостаток — цена, сравнимая со стоимостью аккумуляторов.
Никелевые аккумуляторы:
- Никель-кадмиевые: перед зарядкой обязательно максимально разряжайте, иначе ёмкость будет постепенно уменьшаться.
- Никель-металлгидридные: в 3 раза более ёмкие чем кадмиевые.
Для долгой и периодической работы советую аккумуляторы с низким саморазрядом (Sanyo eneloop 2000 mAh, Varta long life Ready2Use 2100 mAh или аналогичные) как основной источник тока для приборов. В довесок комплект из батарей повышенной емкости Energizer Ultimate Lithium в запаянном полиэтиленовом пакете.
Кадмиевый аккумулятор – востребованный источник энергии, который используют для комплектации бытовой техники. Они причислены к щелочным типам. Ими оснащают те агрегаты и устройства, в состав которых нельзя ввести другие модели.
В состав никель кадмиевых аккумуляторов введены минусовые и плюсовые токопроводящие выводы, для разделения которых использован сепаратор. Внутренняя часть заполнена щелочным электролитическим составом. Корпус для никель кадмиевых батарей подготовлен из специального металла, герметично запаян.
Дабы обеспечить лучший контакт, для подготовки электродов используют фольгу, которая отличается небольшой толщиной. Для конструирования сепаратора, который сосредотачивают между выводами в батареях никель кадмиевых, применяют тканое сырье. Ведь он не взаимодействует со щелочным электролитом.
Для подсоединения аккумуляторной батареи к другим никелево кадмиевым источникам питания применяют борн. В состав устройства никель кадмиевых аккумуляторов входят сварные соединения, при помощи которых обеспечивается плотное соединение.
Преимущества никель-кадмиевых источник питания
- Численность циклов разряда и заряда достигает 1 000 и более.
- Период хранения таких устройств продолжителен. При этом степень заряженности агрегата не влияет на данный показатель.
- Технология зарядки никель кадмиевых аккумуляторов относительно проста. Ее смогут реализовать и новички-автомобилисты.
- Эксплуатировать такие источники питания можно и в зимний период, в жестких условиях.
- Емкость не снижается даже при минусовой температуре.
Отрицательные стороны
- Устройства обладают таким свойством, как «эффект памяти». Для его устранения возникает потребность в проведении определенных мероприятий.
- Уровень саморазряда повышенный.
- Если сравнить cd аккумуляторы с иными источниками питания, то можно выделить их невысокую энергетическую плотность.
- Для подготовки применены токсичные компоненты. Поэтому некоторые государства не используют такие аккумуляторные батареи, не занимаются их изготовлением.
- Для утилизации таких агрегатов применяют соответствующее оборудование. В нашей стране для никель кадмиевых агрегатов подготавливают установки для утилизации, переработки.
Заряд, разряд никель-кадмиевых аккумуляторных батарей
Процесс разряда
Разрядные параметры источника питания во многом зависят от конструктивных особенностей, характеристик электродов и токовыводов. Они же предопределяют величину напряжения и внутреннего сопротивления.
Разрядные параметры зависят от:
- Особенности и структуры сепаратора.
- Качества сборки.
- Количества электролитического состава, которым заполнен корпус.
- Прочее.
При продолжительном разряде nicd источника специалисты рекомендуют пользоваться дисковыми батарейками, который дополнены крупногабаритными прессованными выводами. Поэтому при небольшом увеличении тока емкость разрядная, а также напряжение снижается. Дабы оптимизировать этот показатель, толщину выводов уменьшают, численность увеличивают.
Максимальное значение емкости наблюдается при комнатной температуре. Дальнейшее повышение температуры не влияет на этот параметр. Отрицательная температура провоцирует снижение разрядного напряжения, повышение разрядного тока.
Использование шуруповертов, которые укомплектованы никель-кадмиевыми источниками питания, в зимний период требует осторожности.
Зарядный процесс
В процессе зарядки ni cd аккумуляторов необходимо вводить ограничения по заряду. Ведь в процесс подзарядки внутри корпуса повышается давления, вырабатывается кислород, а коэффициент применения тока понижается.
Как заряжать ni cd батарею? Дабы полностью восстановить заряд, должна быть сообщена емкость в 150–160 процентов. Температурный диапазон – 0-+35 градусов. Если не учитывать температурный диапазон, то давление повысится. Через аварийный клапан будет выделяться кислородная смесь. Поэтому важно заранее определить, как правильно заряжать аккумуляторную батарею.
Разряженный никель-кадмиевый аккумулятор заряжают в различных режимах. От того, какой режим выбран, зависит время зарядки.
- Током в 0,2 от общей емкости в течение 7 часов.
- Током в 0,3 от общей емкости не более 4 часов.
Заряжая агрегат в ускоренном режиме (током в 0,4 от имеющейся емкости), перезаряд запрещен, так как это повлечет уменьшение емкости. Устанавливать, до скольки заряжен источник питания, можно с помощью соответствующих устройств. При работе с токами применяется амперметр. Дабы определить количество вольт, используют вольтметр или мультиметр.
Зарядник для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей
Для заряда ni cd батареи используют реверсивные и автоматические зарядники.
Автоматическое зарядное устройство для ni cd отличается простотой использования. С его помощью можно подзарядить 2–4 батарейки для шуруповерта или другой бытовой техники. После размещения батарейки в ЗУ устанавливается режим, число. После этого агрегат подключают к сети.
Автоматические модели оснащены индикаторами, с помощью которых определяется состояние заряжаемых источников питания при работе с током. Такие устройства подходят и для того, чтобы разряжать ni cd батареи.
Импульсные зарядники отличаются более сложной конструкцией. Их можно использовать при работе со значительным током. Поскольку их относят к профессиональным агрегатам, перед использованием изучается, как зарядить источник питания, как выставить требуемые параметры.
Реверсные (импульсные) модели подходят для циклической подачи ток заряда и разряда. При разряде и заряде заранее определяются параметры тока, напряжения.
Особенности использования
Продолжительная эксплуатация влияет на функционирование и работоспособность кадмий никелевых акб. К ухудшению работоспособности и выходу из строя приводят:
- Рабочая поверхность токопроводящих выводов уменьшается.
- Активная масса токопроводящих выводов существенно уменьшается.
- Щелочной электролитический состав меняет состав, неправильно перераспределяется по источнику питания.
- Образуется утечка по проводящим элементам. В итоге, разрядка заряженного источника питания наступает достаточно быстро.
- Расход жидкости, кислорода возрастает. При чрезмерном выделении кислорода процесс становится необратимым.
- Органические составы начинают распадаться.
Восстановление никель-кадмиевых аккумуляторов
Процедура восстановления никель кадмиевых аккумуляторов, которые используются для комплектации шуруповёрта, иного портативного агрегата, занимает определенное время. Поскольку стоимость таких акб высокая, перед реализацией следует изучить особенности.
По сути, восстанавливаем никель-кадмиевый аккумулятор шуруповерта импульсным током, который подается в течение 2–4 секунд. Величина тока превышает параметры емкости в 10 и более раз.
Перед тем как восстановить АКБ, подготавливаются определенные элементы и инструменты:
- Работоспособный источник питания с сильными показателями тока. В качестве АКБ используют автоаккумулятор.
- Зажимы.
- Провода.
- Мультиметр, с помощью которого контролируется напряжение.
- Защитные предметы.
Процедура восстановления включает определенные мероприятия:
- У блока портативного инструмента или отдельной батареи определяется положительный и отрицательный контакт.
- Пользуясь зажимами или крокодилами, а также отрезками проводов присоединяются минусы.
- Другой конец провода прижимают к положительному контакту. Длительность контакта провода составляет 1–2 секунды (возможно увеличение до 3 секунд). Подобные действия занимают немного времени. При контакте следят за тем, чтобы провода не прикипели к блоку, батарее.
По истечении одного цикла при помощи мультиметра замеряется уровень напряжения. Как только напряжение восстановилось, переходят к набору емкости. Дабы восстановить и выполнить ремонт источника питания, выполняется 2–4 цикла.
Такая методика приносит ожидаемый эффект лишь на короткий срок. Все потому, что электролитический состав меняется, изменяется и его объем. В результате, аккумуляторы как источники долго использовать нельзя.
Модернизированная методика
Дабы своими руками восстановить никель кадмиевые аккумуляторы, а также обеспечить их продолжительную эксплуатацию, выполняются следующие действия:
- Все батарейки тщательно проверяются, измеряется напряжение. Те элементы, на которых напряжение близко к нулю, изымаются.
- В корпусе при помощи соответствующего инструмента подготавливаются отверстия, дабы залить 1 см3 дистиллированной воды.
- Источники питания отстаиваются в течение короткого временного промежутка, после чего проводят повторную проверку напряжения.
- Если работоспособность АКБ восстановлена, то сформированные отверстия обрабатывают герметиком, пайкой.
- Блок комплектуется батарейками, повторно заряжается. Портативный инструмент готов к эксплуатации, как только на заряднике индикатор изменит оттенок. Для этих целей стоит пользоваться импульсными зарядными устройствами, которые отличаются обширным функционалом, качественной комплектацией.
- При нулевом напряжении в АКБ вводят дистиллированную воду вновь.
- Процедуру повторяют до тех пор, пока не достигнут положительного результата.
Особенности хранения
На кадмиевые аккумуляторы правила эксплуатации подготовлены специалистами. В инструкции прописано, как хранить источники питания. Выделено несколько основных правил.
Хранить ni cd источники можно только при полной разрядке. Для этих целей используют зарядные устройства, которые оснащены соответствующей функцией. Для опустошения применяют и лампы накаливания с соответствующим количеством ампер.
Хранить аккумуляторные батареи, которые правильно подготовлены, можно долго. Температурные изменения не влияют на состояние и работоспособность.
Для хранения никель кадмиевых аккумуляторов используют помещения. Ведь температурные колебания не провоцируют разрядку, запуск необратимых процессов.
Хотя хранятся никель-кадмиевые аккумуляторы долго, на определенном этапе возникает потребность в утилизации. Для этого следует обратиться в организацию, которая выполняет подобные процессы.
Эффективность никель кадмиевых аккумуляторов сложно переоценить. Ими комплектуют портативные инструменты, используемые в быту и в промышленности. При правильном обращении, соблюдении техники безопасности и условий эксплуатации период применения превышает пять лет.
Видео про 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.
Содрежание
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:
- напряжение разряда одного элемента – около 0,9-1 вольт;
- номинальное напряжение элемента – 1,2 v, для получения напряжений 12v и 24v применяют последовательное соединение нескольких элементов;
- напряжение полного заряда – 1,5-1,8 вольт;
- рабочая температура: от -50 до +40 градусов;
- количество циклов заряда-разряда: от 100 до 1000 (в самых современных батареях – до 2000), в зависимости от используемой технологии;
- уровень саморазряда: от 8 до 30% в первый месяц после полного заряда;
- удельная энергоемкость – до 65 Вт*час/килограмм;
- срок эксплуатации – около 10 лет.
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:
- на троллейбусах и трамваях;
- на электрокарах;
- на морском и речном транспорте;
- в вертолетах и самолетах;
- в электроинструментах (шуруповерты, дрели, электроотвертки и прочие);
- электробритвы;
- в военной технике;
- переносных радиостанциях;
- в игрушках на радиоуправлении;
- в фонарях для дайвинга.
В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров ( , 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:
- большой срок эксплуатации и число циклов заряда-разряда;
- продолжительный срок службы и хранения;
- возможность быстрой зарядки;
- способность выдерживать большие нагрузки и низкие температуры;
- сохранение работоспособности в самых неблагоприятных условиях эксплуатации;
- невысокая стоимость;
- возможность хранить эти батареи в разряженном состоянии до 5 лет;
- средняя устойчивость к перезаряду.
В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:
- наличие эффекта памяти, проявляющийся в потере емкости при зарядке АКБ, не дожидаясь полного разряда;
- необходимость профилактических работ (несколько циклов заряда-разряда) по набору полной емкости;
- полное восстановление АКБ после долговременного хранения требует трех-четырех циклов полного заряда-разряда;
- большой саморазряд (около 10% в первый месяц хранения), приводящий к практически полному разряду батареи за год хранения;
- невысокая энергетическая плотность по сравнению с другими элементами питания;
- высокая токсичность кадмия, из-за которой они запрещены в ряде стран, в том числе в ЕС, необходимость проводить утилизацию таких АКБ на специальном оборудовании;
- больший вес по сравнению с современными батареями.
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:
- Ni-Cd элементы, в отличие от и вариантов, имеют эффект памяти, обладают меньшей удельной емкостью при одинаковых размерах;
- NiCd источники более неприхотливы, сохраняют работоспособность при очень низких температурах, во много раз более устойчивы к перезаряду и сильному разряду;
- Li-Ion и Ni-Mh аккумуляторы стоят дороже, бояться перезаряда и сильного разряда, но имеют меньший саморазряд;
- срок эксплуатации и хранения Li-Ion аккумуляторов (2-3 года) в разы меньше, чем Ni Cd изделий (8-10 лет);
- никель-кадмиевые источники быстро теряют емкость при использовании в буферном режиме (например, в UPS). Хотя их можно после этого полностью восстановить путем глубокого разряда и заряда, лучше не использовать Ni Cd изделия в устройствах, где осуществляется их постоянная подзарядка;
- одинаковость режима заряда Ni-Cd и Ni-Mh батарей позволяет использовать одни и те же зарядные устройства, но при этом нужно учитывать тот факт, что у никель-кадмиевых АКБ более выражен эффект памяти.
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:
- уменьшается полезная площадь и масса электродов;
- изменяется состав и объем электролита;
- происходит распад сепаратора и органических примесей;
- утрачивается вода и кислород;
- появляются утечки тока, связанные с ростом дендритов кадмия на пластинах.
Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:
- заряд не полностью заряженной батареи приводит к обратимой утрате ее емкости из-за уменьшения общей площади активного вещества в результате кристаллообразования;
- регулярный сильный перезаряд, который приводит к перегреву, увеличенному газообразованию, утрате воды в электролите и разрушает электроды (особенно анод) и сепаратор;
- недозаряд, приводящий к преждевременному истощению батареи;
- долговременная эксплуатация при очень низких температурах приводит к изменению состава и объема электролита, увеличивается внутреннее сопротивление АКБ и ухудшаются ее эксплуатационные характеристики, в частности падает емкость.
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:
- проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
- к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
- на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
- вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
- при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;
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.
Вам так же может быть интересно
Каждый человек в той или ной степени использует различные батарейки. Они могут быть, как
Замена аккумулятора в автомобиле производится планово или в случае его поломки. Конечно, можно подобрать
Аккумуляторные батареи даже при условии правильной эксплуатации имеют ограниченный срок службы. Чтобы не уменьшать
Современные аккумуляторы с маркировкой 14250 являются оптимальным решением для питания различной техники. Благодаря инновационным
Основные типы аккумуляторов:
Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы
Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.
У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.
Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.
Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.
При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.
Рекомендуется хранить Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в разряженном состоянии, желательно чтобы разряд не был глубоким, в противном случае это может вызвать необратимые процессы в батарее.
Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
- Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
- Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
- Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более
Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
- Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
- После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
- Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»
Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы
Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.
На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.
Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.
У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.
При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.
Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.
Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
- Нетоксичные аккумуляторы
- Меньший «эффект памяти»
- Хорошая работоспособность при низкой температуре
- Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
- Более дорогой тип аккумуляторов
- Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
- После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
- Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы
Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы
Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».
Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.
К сожалению эти аккумуляторы являются наиболее дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.
Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.
Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
- Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
- Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
- Ограниченный срок службы
Примечание
Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!
Следите за новостями в нашей группе Вконтакте
