Завдяки вдосконаленню виробництва Ni-Cd-батареї сьогодні застосовуються в більшості портативних електронних пристроїв. Прийнятна вартість і високі експлуатаційні показники зробили представлену різновид акумуляторів популярною. Такі пристрої сьогодні широко застосовуються в інструментах, фотоапаратах, плеєрах і т. Д. Щоб батарея прослужила довго, необхідно дізнатися, як заряджати Ni- Cd-акумулятори. Дотримуючись правил експлуатації подібних пристроїв, можна значно продовжити термін їх служби.

Основні характеристики

Щоб зрозуміти, як заряджати Ni- Cd-акумулятори, необхідно ознайомитися з особливостями подібних приладів. Їх винайшов В. Юнгнер ще в далекому 1899 році. Однак їх виробництво було тоді дуже витратним. Технології удосконалювалися. Сьогодні у продажу представлені прості в експлуатації і відносно недорогі батареї нікель-кадмиевого типу.

Представлені пристрої вимагають, щоб заряд відбувався швидко, а розряд повільно. Причому спустошення ємності батареї необхідно виконувати повністю. Підзарядка проводиться імпульсними струмами. Цих параметрів слід дотримуватися протягом усього терміну експлуатації пристрою. Знаючи, Ni- Cd, можна продовжити термін його служби на кілька років. При цьому подібні батареї експлуатуються навіть у найважчих умовах. Особливістю представлених акумуляторів є «ефект пам'яті». Якщо періодично нерозряджаються батарею повністю, на пластинах її елементів будуть формуватися великі кристали. Вони знижують ємність акумулятора.

переваги

Щоб зрозуміти, як правильно заряджати Ni-Cd-акумулятори шуруповерта, фотоапарата, камери і інших портативних приладів, необхідно ознайомитися з технологією цього процесу. Вона проста і не вимагає особливих знань і умінь від користувача. Навіть після тривалого зберігання батареї її можна швидко зарядити знову. Це одна з переваг представлених пристроїв, які роблять їх затребуваними.

Нікель-кадмієві батареї володіють великою кількістю циклів заряду і розряду. Залежно від виробника і умов експлуатації цей показник може досягати більше 1 тисячі циклів. Перевагою Ni-Cd-батареї є її витривалість і можливість роботи в навантажених умовах. Навіть при експлуатації її на морозі обладнання буде працювати справно. Його ємність в таких умовах не змінюється. При будь-якого ступеня зарядки акумулятор можна буде зберігати тривалий час. Важливою перевагою його є низька вартість.

недоліки

Одним з недоліків представлених пристроїв є факт, що користувач обов'язково повинен вивчити, як правильно заряджатиNi- Cd-акумулятори. Представленим батареям, як уже говорилося вище, притаманний «ефект пам'яті». Тому користувач повинен періодично проводити профілактичні заходи по його усуненню.

Енергетична щільність представлених акумуляторів буде трохи нижче, ніж у інших різновидів автономних джерел живлення. До того ж при виготовленні цих приладів застосовуються токсичні, небезпечні для екології та здоров'я людей матеріали. Утилізація подібних речовин вимагає додаткових витрат. Тому в деяких країнах застосування подібних акумуляторів обмежена.

Після тривалого зберігання Ni- Cd -батареі вимагають проведення циклу заряду. Це пов'язано з високою швидкістю саморазряда. Це також є недоліком їх конструкції. Однак, знаючи, як правильно заряджатиNi- Cd-акумулятори, правильно їх експлуатувати, можна забезпечити свою техніку автономним джерелом живлення на довгі роки.

Різновиди зарядних пристроїв

Щоб правильно заряджати акумулятор нікель-кадмиевого типу, потрібно застосовувати спеціальне обладнання. Найчастіше воно поставляється в комплекті з батареєю. Якщо ж зарядного пристрою з якихось причин немає, можна придбати його окремо. У продажу сьогодні представлені автоматичні і реверсивні імпульсні різновиди. Застосовуючи перший тип пристроїв, користувачеві не обов'язково знати, до якої напруги заряджатиNi- Cd-акумулятори. Процес виконується в автоматичному режимі. При цьому одночасно можна заряджати або розряджати до 4 батарейок.

За допомогою спеціального перемикача пристрій встановлюється в режим розрядки. При цьому колірний індикатор буде світитися жовтим кольором. Коли ця процедура буде виконана, прилад самостійно перемикається в режим зарядки. Загориться червоний індикатор. Коли акумулятор набере необхідну ємність, пристрій перестане подавати на батарею струм. При цьому індикатор загориться зеленим світлом. Реверсивні відносяться до групи професійного обладнання. Вони здатні виконувати кілька циклів зарядки і розрядки з різною тривалістю.

Спеціальні та універсальні зарядні пристрої

Багатьох користувачів цікавить питання про те, як заряджати акумулятор шуруповертаNi- Cd типу. В цьому випадку не підійде звичайний прилад, розрахований на пальчикові батарейки. У комплекті з шуруповертом найчастіше поставляється спеціальний зарядний пристрій. Саме його слід застосовувати при обслуговуванні батареї. Якщо ж зарядного пристрою немає, слід придбати обладнання для акумуляторів представленого типу. При цьому можна буде зарядити тільки батарею шуруповерта. Якщо в експлуатації є батареї різного типу, варто придбати універсальне обладнання. Воно дозволить обслуговувати автономні джерела енергії практично для всіх пристроїв (камери, шуруповерта і навіть АКБ). Наприклад, зможе заряджати Ni-Cd-акумулятори iMAX B6. Це простий і корисний в господарстві прилад.

Розрядка пресованої батареї

Особливою конструкцією характеризуються пресовані Ni- і виконувати розрядку представлених пристроїв, залежить від їх внутрішнього опору. На цей показник впливають деякі конструкційні особливості. Для тривалої роботи устаткування застосовуються акумулятори дискового типу. Вони мають плоскі електроди достатньої товщини. В процесі розрядки їх напруга повільно падає до 1,1 В. Це можна перевірити за допомогою побудови графіка кривої.

Якщо батарею продовжити розряджати до показника 1 В, її розрядна ємність складе 5-10% від початкового значення. Якщо струм збільшити до 0,2 С, істотно знижується напруга. Також це стосується і ємності батареї. Це пояснюється неможливістю розрядити масу по всій поверхні електрода рівномірно. Тому сьогодні товщину їх знижують. При цьому в конструкції дискової батареї присутня 4 електрода. Їх можна в цьому випадку розряджати струмом 0,6 С.

циліндричні батареї

Сьогодні широко застосовуються батареї з металокерамічними електродами. Вони володіють малим опором і забезпечують високі енергетичні показники пристрою. напруга зарядженогоNi- Cd-акумулятора цього типу утримується на рівні 1,2 В до втрати 90% заданої ємності. Близько 3% її втрачається при подальшому розряді з 1,1 до 1 В. Представлений тип батарей допускається розряджати струмом 3-5 С.

Електроди рулонного типу встановлені в циліндричних акумуляторах. Їх можна розряджати струмом з більш високими показниками, який знаходиться на рівні 7-10 С. Показник ємності буде максимальним при температурі +20 ºС. При її збільшенні це значення несуттєво змінюється. Якщо температура знизиться до 0 ºС і нижче, розрядна ємність зменшується прямопропорційно приросту розрядного струму. Як заряджати Ni- Cd-акумулятори, різновиди яких представлені в продажу, необхідно розглянути докладно.

Загальні правила зарядки

При здійсненні зарядки нікель-кадмиевого акумулятора вкрай важливо обмежувати зайвий струм, що надходить на електроди. Це необхідно через зростання всередині пристрою при такому процесі тиску. При зарядці буде виділятися кисень. Це впливає на коефіцієнт використання струму, який буде знижуватися. Існують певні вимоги, які пояснюють, як заряджати Ni- Cd-акумулятори. Парамертипроцесу враховують виробники спеціального обладнання. Зарядні пристрої в процесі своєї роботи повідомляють батареї 160% від номінального значення ємності. Інтервал температур протягом усього процесу повинен залишатися в рамках від 0 до +40 ºС.

Режим стандартної зарядки

Виробники обов'язково вказують в інструкції, скільки заряджатиNi- Cd-акумулятор і яким струмом це потрібно робити. Найчастіше режим виконання цього процесу стандартний для більшості різновидів батарей. Якщо акумулятор має напругу 1 В, його зарядка повинна виконуватися протягом 14-16 годин. При цьому струм повинен бути 0,1 С.

У деяких випадках характеристики процесу можуть трохи відрізнятися. На це впливають конструкційні особливості пристрою, а також збільшена закладка активної маси. Це необхідно для нарощування ємності батареї.

Користувача також може цікавити, яким струмом заряджати акумуляторNi- Cd. В цьому випадку є два варіанти. У першому випадку струм буде постійним протягом всього процесу. Другий варіант дозволяє довго заряджати акумулятор без ризику його пошкодження. Схема передбачає застосування ступеневої або плавного зниження струму. На першій стадії він буде значно перевищувати показник 0,1 С.

прискорена зарядка

Існують і інші способи, які сприймають Ni- Cd-акумулятори. як заряджати батарею цього тип в прискореному режимі? Тут існує ціла система. Виробники збільшують швидкість цього процесу завдяки випуску спеціальних приладів. Вони можуть заряджатися при підвищених показниках струму. В цьому випадку прилад має особливу системою контролю. Вона попереджає сильний перезаряд акумулятора. Таку систему може мати або сама батарея, або її зарядний пристрій.

Циліндричні різновиди пристроїв заряджають струмом постійного типу, величина якого становить 0,2 С. Процес при цьому буде тривати всього 6-7 годин. У деяких випадках допускається заряджати батарею струмом 0,3 С протягом 3-4 годин. У цьому випадку контроль процесу вкрай необхідний. При прискореному виконанні процедури показник перезаряда повинен становити не більше 120-140% ємності. Існують навіть такі акумулятори, які можна буде зарядити повністю всього за 1 годину.

припинення зарядки

Вивчаючи питання того, як заряджати Ni- Cd-акумулятори, необхідно розглянути завершення процесу. Після того як струм перестає надходити на електроди, всередині батареї тиск все ще продовжує рости. Цей процес відбувається через окислення на електродах гідроксильних іонів.

Протягом деякого часу відбувається поступове рівняння швидкості виділення кисню і поглинання на обох електродах. Це призводить до поступового зниження тиску всередині акумулятора. Якщо перезаряд був істотним, цей процес буде виконуватися повільніше.

Налаштування режиму

щоб правильно зарядитиNi- Cd-акумулятор, необхідно знати правила настройки обладнання (якщо вони передбачені виробником). Номінальна ємність батареї повинна мати струм заряду до 2 С. Необхідно вибрати тип імпульсу. Він може бути Normal, Re-Flex або Flex. Поріг чутливості (зниження тиску) повинен складати 7-10 мВ. Його ще називають Delta Peak. Його краще виставляти на мінімальному рівні. Струм підкачки потрібно встановити в діапазоні 50-100 мА-ч. Щоб мати можливість повноцінно використовувати потужність акумулятора, потрібно виконувати зарядку великим струмом. Якщо ж потрібно його максимальна потужність, акумулятор заряджають малим струмом в нормальному режимі. Розглянувши, як заряджати Ni- Cd-акумулятори, кожен користувач зможе виконати цей процес правильно.

Протягом цілих п'ятдесят років портативні пристрої для автономної роботи могли покладатися виключно на нікель-кадмієві джерела живлення. Але кадмій дуже токсичний матеріал, і в 1990-х на зміну нікель-кадмиевой технології прийшла більш екологічна нікель-метал-гідридна. По суті ці технології дуже схожі, і більшість характеристик нікель-кадмієвих акумуляторів передалися у спадок нікель-метал-гідридним. Але тим не менше, для деяких застосувань нікель-кадмієві акумулятори залишаються незамінними і використовуються досі.

1. Нікель-кадмієві акумулятори (NiCd)

Винайдений Вальдмаром Юнгнер в 1899 році, нікель-кадмієвий акумулятор мав кілька переваг у порівнянні зі свинцево-кислотних, єдиним існуючим тоді акумулятором, проте був більш дорогим через вартість матеріалів. Розвиток цієї технології було досить повільним, але в 1932 році був зроблений значний прорив - в якості електрода став використовуватися пористий матеріал з активною речовиною всередині. Подальше вдосконалення було зроблено в 1947 році і вирішило проблему газопоглинання, що дозволило створити сучасну герметичну необслуговується нікель-кадмієві батареї.

Протягом багатьох років саме NiCd батареї служили в якості джерел живлення для двосторонніх радіостанцій, екстреної медичної техніки, професійних відеокамер та електроінструменту. В кінці 1980-х були розроблені ультраемкіе NiCd акумулятори, які потрясли світ своєю ємністю, на 60% перевищує показник стандартної батареї. Це було досягнуто завдяки розміщенню більшої кількості активної речовини в батареї, але додалися і недоліки - підвищився внутрішній опір і зменшилася кількість циклів заряду / розряду.

NiCd стандарт залишається одним з найнадійніших і невибагливих серед акумуляторних батарей, і авіаційна галузь залишається вірною цій системі. Проте, довговічність цих акумуляторів залежить від належного обслуговування. NiCd, і почасти NiMH акумулятори, схильні до ефекту "пам'яті", який призводить до втрати ємності, якщо періодично не робити повний цикл розряду. При порушенні рекомендованого режиму зарядки акумулятор ніби пам'ятає, що в попередні цикли роботи його ємкість не була використана повністю, і при розряді віддає електроенергію тільки до певного рівня. ( Дивіться: Як відновити нікелевий акумулятор). У таблиці 1 перераховані переваги і недоліки стандартного нікель-кадмиевого акумулятора.

переваги

надійний; велика кількість циклів при правильному обслуговуванні Єдиний акумулятор, здатний до ультрашвидкий зарядці з мінімальним стресом Хороші характеристики навантажень, прощає їх перебільшення Тривалий термін зберігання; можливість зберігання в розрядженому стані Відсутність спеціальних вимог до зберігання і транспортування Хороша продуктивність при низьких температурах Найнижча вартість одного циклу роботи серед всіх акумуляторів Можна користуватися в широкому діапазоні розмірів і варіантів виконання

недоліки

Відносно низька питома енергоємність в порівнянні з більш новими системами Ефект "пам'яті"; необхідність періодичного обслуговування для його уникнення Кадмій є токсичним матеріалом, необхідна спеціальна утилізація Високий саморозряд; потребує підзарядки після зберігання Низька напруга осередку в 1,2 вольта, вимагає побудови багатокоміркової систем для забезпечення високої напруги

Таблиця 1: Переваги і недоліки нікель-кадмієвих батарей.

2. Нікель-метал-гидридні акумулятори (NiMH)

Дослідження нікель-метал-гидридной технології почалися ще в 1967 році. Однак нестабільність метал-гідриду гальмувала розробку, що в свою чергу призвело до розвитку нікель-водневої (NiH) системи. Нові гідридні сплави, виявлені в 1980-х, вирішили проблеми з безпекою, і дозволили створити акумулятор з питомою енергоємністю на 40% більшою, ніж у стандартного нікель-кадмиевого.

Нікель-метал-гидридні акумулятори не позбавлені недоліків. Наприклад, їх процес зарядки більш складний, ніж у NiCd. З саморазрядом в 20% за першу добу і подальшої щомісячної в 10%, NiMH займають одну з лідируючих позицій в своєму класі. Модифікуючи гідридний сплав, можна домогтися зниження саморозряду і корозії, але це додасть недолік у вигляді зменшення питомої енергоємності. Але в разі використання в електротранспорті, ці модифікації вельми корисні, так як підвищують надійність і збільшують термін служби батарей.

3. Використання в споживчому сегменті

NiMH батареї в даний момент є одними з найбільш легкодоступних. Такі гіганти галузі як Panasonic, Energizer, Duracell і Rayovac визнали необхідність присутності на ринку недорогого і довговічного акумулятора, і пропонують нікель-метал-гидридні джерела живлення різних типорозмірів, зокрема АА і ААА. Виробниками витрачаються великі зусилля, щоб відвоювати частину ринку у лужних батарей.

У цьому сегменті ринку нікель-метал-гидридні батареї є альтернативою перезаряджається лужним батареям , Які з'явилися ще в 1990 році, але через обмежений життєвого циклу і слабких навантажувальних характеристик не здобули успіху.

У таблиці 2 порівнюються питома енергоємність, напруга, саморозряд і час роботи батарейок і акумуляторів споживчого сегмента. Представлені в АА, ААА і інших типорозмірах, ці джерела живлення можуть використовуватися в портативних пристроях. Навіть якщо у них може трохи різниться номінальний вольтаж, стан розряду, як правило, настає при однаковому для всіх фактичному значенні напруги в 1 В. Ця широта значень напруги допустима, так як портативні пристрої мають деяку гнучкість в плані діапазону напруг. Головне - необхідно разом використовувати тільки однотипні електричні елементи. Проблеми безпеки і несумісність напруги перешкоджають розвитку літій-іонних батарей в АА і ААА типорозмірі.

Таблиця 2: Порівняння різних батарей типорозміру АА.

* Eneloop є торговою маркою корпорації Sanyo, заснованої на NiMH системі.

Високий показник саморазряда NiMH є причиною триваючої заклопотаності споживачів. Ліхтар або портативний пристрій з батареєю NiMH розрядиться, якщо не користуватися ним кілька тижнів. Пропозиція заряджати пристрій перед кожним використанням навряд чи знайде розуміння, особливо у випадку з ліхтарями, які позиціонуються як джерела резервного освітлення. Перевага лужної батареї з терміном зберігання в 10 років тут бачиться безперечним.

В нікель-метал-гидридной батареї від Panasonic і Sanyo під торговою маркою Eneloop вдалося значно зменшити саморазряд. Eneloop може зберігатися без підзарядки в шість разів довше ніж звичайна NiMH. Але недоліком такої поліпшеної батареї є трохи менша питома енергоємність.

У таблиці 3 наведено переваги та недоліки нікель-метал-гидридной електрохімічної системи. У таблиці не враховані характеристики Eneloop і інших споживчих торгових марок.

переваги	На 30-40 відсотків більша ємність у порівнянні з NiCd Менш схильні до ефекту "пам'яті", можуть бути відновлені Прості вимоги до зберігання і транспортування; відсутність регулювання цих процесів Екологічно чисті; містять тільки помірно токсичні матеріали Вміст нікелю робить утилізацію самоокупною Широкий діапазон робочих температур
недоліки	Обмежений термін служби; глибокі розряди сприяють її зменшенню Складний алгоритм зарядки; чутливі до перезаряду Особливі вимоги до режиму підзарядки Виділяють тепло під час швидкої зарядки і розряду потужної навантаженням високий саморозряд Кулонівська ефективність на рівні 65% (для порівняння у літій-іонних - 99%)

Таблиця 3: Переваги і недоліки NiMH батарей.

4. Залізо-нікелеві акумулятори (NiFe)

Після винаходу в 1899 році нікель-кадмиевого акумулятора шведський інженер Вальдмар Юнгнер продовжив дослідження і намагався замінити дорогий кадмій дешевшим залізом. Але низька ефективність заряду і надмірне газоутворення водню змусили його відмовитися від подальшого розвитку NiFe батареї. Він навіть не став патентувати цю технологію.

Залізо-нікелевий акумулятор (NiFe) використовує в якості катода гідрат окису нікелю, анода - залізо, а електроліту - водний розчин гідроксиду калію. Осередок такого акумулятора генерує напруга в 1,2 В. NiFe стійкий до зайвого перезаряду і глибокого розряду; може експлуатуватися в якості резервного джерела живлення протягом більш ніж 20 років. Стійкість до вібрацій і високих температур зробили цей акумулятор самим використовуваним в гірській промисловості в Європі; також він знайшов своє застосування для забезпечення харчування залізничної сигналізації, також використовується як тягової акумулятор для навантажувачів. Можна відзначити, що під час Другої світової війни саме залізо-нікелеві батареї використовувалися у німецькій ракеті "Фау-2".

NiFe має низьку питому потужність - приблизно 50 Вт / кг. Також до недоліків варто віднести погану продуктивність при низьких температурах і високий показник саморазряда (20-40 відсотків на місяць). Саме це, укупі з високою вартістю виробництва, спонукає виробників залишатися вірними свинцево-кислотних батарей.

Але залізо-нікелевий електрохімічна система активно розвивається і в недалекому майбутньому здатна стати альтернативою свинцево-кислотної в деяких галузях. Перспективно виглядають експериментальна модель ламельної конструкції, в ній вдалося знизити саморазряд акумулятора, він став практично несприйнятливий до впливу пере- і недозарядке, а його термін служби очікується на рівні 50 років, що можна порівняти з 12-річним терміном служби свинцево-кислотної батареї в режимі роботи при глибоких циклічних розрядах. Очікувана ціна такої NiFe батареї буде порівнянна з ціною літій-іонної, і всього в чотири рази перевищувати ціну свинцево-кислотної.

NiFe акумулятори, так само як і NiCd і NiMH , Вимагають особливих правил зарядки - крива напруги має синусоїдальну форму. Відповідно, використовувати зарядний пристрій для свинцево-кислотного або літій-іонного акумулятора не вийде, це навіть може нашкодити. Як і всі батареї на основі нікелю, NiFe бояться перезарядження - він викликає розкладання води в електроліті і призводить до її втрати.

Знижену в результаті неправильної експлуатації ємність такого акумулятора можна відновити шляхом додатка високих струмів розрядки (пропорційних значенням ємності акумулятора). Дану процедуру необхідно проводити до трьох разів з тривалістю періоду розряду в 30 хвилин. Також слід стежити за температурою електроліту - вона не повинна перевищувати 46 ° С.

5. Нікель-цинкові акумулятори (NiZn)

Нікель-цинковий акумулятор схожий на нікель-кадмієвий тим, що використовує лужної електроліт і нікелевий електрод, але відрізняється по напрузі - NiZn забезпечує 1,65 В на клітинку, в той час як NiCd і NiMH мають показник в 1,20 В на клітинку. Заряджати NiZn акумулятор необхідно постійним струмом з значенням напруги 1,9 В на клітинку, також варто пам'ятати, що цей вид акумуляторів не розрахований для роботи в режимі підзарядки. Питома енергоємність становить 100Вт / кг, а кількість можливих циклів - 200-300 раз. NiZn не має в своєму складі токсичних матеріалів і може бути легко утилізовано. Випускається в різних типорозмірах, в тому числі в АА.

У 1901 році Томас Едісон отримав патент США на акумуляторну нікель-цинкову батарею. Пізніше його розробки були удосконалені ірландським хіміком Джеймсом драми, який встановив ці акумулятори на автомотриси, які курсували за маршрутом Дублін-Брей з 1932 по 1948 рік. NiZn не отримав належного розвитку через сильний саморазряда і короткого життєвого циклу, викликаного утвореннями дендритів, що також часто призводило до короткого замикання. Але вдосконалення складу електроліту зменшило цю проблему, що дало привід знову розглядати NiZn для комерційного використання. Низька вартість, висока вихідна потужність і широкий діапазон робочих температур роблять цю електрохімічний систему вкрай привабливою.

6. Нікель-водневі акумулятори (NiH)

Коли в 1967 почалася розробка нікель-метал-гідридних батарей, дослідники зіткнулися з нестабільністю гидрита металу, що викликало зсув в бік розвитку нікель-водневого (NiH) акумулятора. Осередок такого акумулятора включає в себе інкапсульований в посудину електроліт, нікелевий і водневий (водень укладений в сталевий балон під тиском в 8207 бар) електроди.

Дана стаття про Нікель-металогідридні (Ni-MH) акумулятори вже давно є класикою на просторах російського інтернету. Рекомендую ознайомитися ...

Нікель-металогідридні (Ni-MH) акумулятори за своєю конструкцією є аналогами нікель-кадмієвих (Ni-Cd) акумуляторів, а по електрохімічним процесам - нікель-водневих акумуляторів. Питома енергія Ni-MH акумулятора істотно вище питомої енергії Ni-Cd і водневих акумуляторів (Ni-H2)

ВІДЕО: Акумулятори нікель-металгідридні (NiMH)

Порівняльні характеристики акумуляторів

параметри	Ni-Cd	Ni-H2	Ni-MH
Номінальна напруга, V	1.2	1.2	1.2
Питома енергія: Втч / кг | Втч / л	20-40 60-120	40-55 60-80	50-80 100-270
Термін служби: роки | цикли	1-5 500-1000	2-7 2000-3000	1-5 500-2000
Саморозряд,%	20-30 (За 28 діб.)	20-30 (За 1 добу.)	20-40 (За 28 діб.)
Робоча температура, ° С	-50 — +60	-20 — +30	-40 — +60

*** Великий розкид деяких параметрів в таблиці викликаний різним призначенням (конструкціями) акумуляторів. Крім того, в таблиці не враховуються дані по сучасним акумуляторам з низьким саморазрядом

Історія Ni-MH акумулятора

Розробка нікель-метал-гідридних (Ni-MH) акумуляторних батарей почалася в 50-70-х рр минулого століття. В результаті був створений новий спосіб збереження водню в нікель-водневих батареях, які використовувалися в космічних апаратах. У новому елементі водень накопичувався в сплавах певних металів. Сплави, абсорбуючі водень в обсязі в 1000 разів більше їх власного обсягу, були знайдені в 1960-х роках. Ці сплави складаються з двох або декількох металів, один з яких абсорбує водень, а інший є каталізатором, що сприяє дифузії атомів водню в решітку металу. Кількість можливих комбінацій застосовуваних металів практично не обмежена, що дає можливість оптимізувати властивості сплаву. Для створення Ni-MH акумуляторів треба було створення сплавів, що здатні працювати при малому тиску водню і кімнатній температурі. В даний час робота по створенню нових сплавів і технологій їх обробки триває в усьому світі. Сплави нікелю з металами рідкоземельної групи можуть забезпечити до 2000 циклів заряду-розряду акумулятора при зниженні ємності негативного електрода не більше ніж на 30%. Перший Ni-MH акумулятор, в якому в якості основного активного матеріалу металгідридних електрода застосовувався сплав LaNi5, був запатентований Біллом в 1975 р ранніх експериментах з металгідридними сплавами, нікель-металгідридні акумулятори працювали нестабільно, і необхідної ємності батарей досягти не виходило. Тому промислове використання Ni-MH акумуляторів почалося тільки в середині 80-х років після створення сплаву La-Ni-Co, що дозволяє електрохімічних оборотно абсорбувати водень протягом більше 100 циклів. З тих пір конструкція Ni-MH акумуляторних батарей безперервно удосконалювалася в бік збільшення їх енергетичної щільності. Заміна негативних пластин дозволила підвищити в 1,3-2 рази ятати активних мас позитивного електрода, який і визначає ємність акумулятора. Тому Ni-MH акумулятори мають в порівнянні з Ni-Cd акумуляторами значно більш високими питомими енергетичними характеристиками. Успіх поширенню нікель-металгідридних акумуляторних батарей забезпечили, висока енергетична щільність і нетоксічност' матеріалів, використовуваних при їх виробництві.

Основні процеси Ni-MH акумуляторів

В Ni-MH акумуляторах в якості позитивного електрода використовується оксидно-нікелевий електрод, як і в нікель-кадмиевом акумуляторі, а електрод зі сплаву нікелю з рідкоземельними металами, що поглинає водень, використовується замість негативного кадмиевого електрода. На позитивному оксидно-нікелевому електроді Ni-MH акумулятора протікає реакція:

Ni (OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e - (заряд) NiOOH + H 2 O + e - → Ni (OH) 2 + OH - (розряд)

На негативному електроді метал з абсорбованим воднем перетворюється в металлгідрід:

M + H 2 O + e - → MH + OH- (заряд) MH + OH - → M + H 2 O + e - (розряд)

Загальна реакція в Ni-MH акумуляторі записується в наступному вигляді:

Ni (OH) 2 + M → NiOOH + MH (заряд) NiOOH + MH → Ni (OH) 2 + M (розряд)

Електроліт в основний токообразующей реакції не бере. Після повідомлення 70-80% ємності і при перезаряді на оксидно-нікелевому електроді починає виділятися кисень,

2OH- → 1 / 2O 2 + H2O + 2 e - (перезарядка)

який відновлюється на негативному електроді:

1 / 2O 2 + H 2 O + 2 e - → 2OH - (перезарядка)

Дві останні реакції забезпечують замкнутий кисневий цикл. При відновленні кисню забезпечується ще й додаткове підвищення ємності металгідридних електрода за рахунок утворення групи ОН -.

Конструкція електродів Ni-MH акумуляторів

Металлводородний електрод

Головним матеріалом, що визначає характеристики Ni-MH акумулятора, є водень-абсорбуючий сплав, який може поглинати обсяг водню, в 1000 разів перевищує свій власний обсяг. Найбільше поширення набули сплави типу LaNi5, в яких частина нікелю замінена марганцем, кобальтом і алюмінієм для збільшення стабільності і активності сплаву. Для зменшення вартості деякі фірми-виробники замість лантану застосовують миш-метал (Мm, який являє собою суміш рідкоземельних елементів, їх співвідношення в суміші близько до співвідношення в природних рудах), що включає крім лантану також церій, празеодим і неодим. При зарядно-розрядному циклировании має місце розширення і стиснення на 15-25% кристалічної решітки водородабсорбірующіх сплавів через абсорбції і десорбції водню. Такі зміни ведуть до утворення тріщин в сплаві з-за збільшення внутрішнього напруги. Освіта тріщин викликає збільшення площі поверхні, яка піддається корозії при взаємодії з лужним електролітом. З цих причин розрядна ємність негативних пластин поступово знижується. В акумуляторі з обмеженою кількістю електроліту, це породжує проблеми, пов'язані з перерозподілом електроліту. Корозія сплаву призводить до хімічної пасивності поверхні через утворення стійких до корозії оксидів і гідроксидів, які підвищують перенапруження основний токообразующей реакції металогідридного електрода. Освіта продуктів корозії відбувається зі споживанням кисню і водню з розчину електроліту, що, в свою чергу, викликає зниження кількості електроліту в акумуляторі і підвищення його внутрішнього опору. Для уповільнення небажаних процесів диспергування і корозії сплавів, що визначають термін служби Ni-MH акумуляторів, застосовуються (крім оптимізації складу і режиму виробництва сплаву) два основні методи. Перший метод полягає в Мікрокапсулювання частинок сплаву, тобто в покритті їх поверхні тонким пористим шаром (5-10%) - по масі нікелю або міді. Другий метод, який знайшов найбільш широке застосування в даний час, полягає в обробці поверхні частинок сплаву в лужних розчинах з формуванням захисних плівок, проникних для водню.

Оксіднонікелевий електрод

Оксидно-нікелеві електроди в масовому виробництві виготовляються в наступних конструктивних модифікаціях: ламельні, безламельние спечені (металокерамічні) і пресовані, включаючи таблеткові. В останні роки починають використовуватися безламельние повстяні і пенополімерние електроди.

ламельні електроди

Ламельні електроди являють собою набір об'єднаних між собою перфорованих коробочок (ламелей), вироблених з тонкої (товщиною 0,1 мм) нікельованої сталевої стрічки.

Спечені (металокерамічні) електроди

електроди даного типу складаються з пористої (з пористістю не менше 70%) металлокерамической основи, в порах якої розташовується активна маса. Основу виготовляють з карбонільного нікелевого дрібнодисперсного порошку, який в суміші з карбонатом амонію або карбамідом (60-65% нікелю, решта - наповнювач) напресовують, накочуються або напилюють на сталеву або нікелеву сітку. Потім сітку з порошком піддають термообробці в відновлювальної атмосфері (зазвичай в атмосфері водню) при температурі 800-960 ° С, при цьому карбонат амонію або карбамід розкладається і випаровується, а нікель спікається. Отримані таким чином основи мають товщину 1-2,3 мм, пористість 80-85% і радіус пір 5-20 мкм. Основу черзі просочують концентрованим розчином нітрату нікелю або сульфату нікелю і нагрітим до 60-90 ° С розчином лугу, яка спонукає осадження оксидів і гідроксидів нікелю. В даний час використовується також електрохімічний метод просочення, при якому електрод піддається катодного обробці в розчині нітрату нікелю. Через освіти водню розчин в порах пластини подщелачивают, що призводить до осадження оксидів і гідроксидів нікелю в порах пластини. До різновидів спечених електродів зараховують фольгові електроди. Електроди виробляють нанесенням на тонку (0,05 мм) перфоровану нікелеву стрічку з двох сторін, методом пульверизації, спиртової емульсії нікелевого карбонільного порошку, що містить речовини, що пов'язують, спіканням і подальшої хімічної або електрохімічної просоченням реагентами. Товщина електрода становить 0,4-0,6 мм.

пресовані електроди

Пресовані електроди виготовляють методом напрессовки під тиском 35-60 МПа активної маси на сітку або сталеву перфоровану стрічку. Активна маса складається з гідроксиду нікелю, гідроксиду кобальту, графіту і сполучного речовини.

Металловойлочние електроди

Металловойлочние електроди мають високопористу основу, зроблену з нікелевих або вуглецевих волокон. Пористість цих основ - 95% і більше. Повстяний електрод виконаний на базі нікельованого полімерного або вуглеграфітового фетру. Товщина електрода в залежності від його призначення знаходиться в діапазоні 0,8-10 мм. Активна маса вноситься в повсть різними методами в залежності від його щільності. Замість повсті може використовуватися пінонікель, Одержуваний никелированием пінополіуретану з подальшим відпалом в відновної середовищі. У високопористу середу вносяться зазвичай методом намазування паста, що містить гідроксид нікелю, і сполучна. Після цього основа з пастою сушиться і вальці. Повстяні і пенополімерние електроди характеризуються високою питомою ємністю і великим ресурсом.

Конструкція Ni-MH акумуляторів

Ni-MH акумулятори циліндричної форми

Позитивний і негативний електроди, розділені сепаратором, згорнуті у вигляді рулону, який вставлений в корпус і закритий герметизуючої кришкою з прокладкою (рисунок 1). Кришка має запобіжний клапан, що спрацьовує при тиску 2-4 МПа в разі збою при експлуатації акумулятора.

Рис.1. Конструкція нікель-металгідридних (Ni-MH) акумулятора: 1-корпус, 2-кришка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-колектор позитивного електрода, 6-ізоляційне кільце, 7-отрецательний електрод, 8-сепаротор, 9 позитивний електрод, 10-ізолятор.

Ni-MH акумулятори призматичної форми

У призматичних Ni-MH акумуляторах позитивні і негативні електроди розміщені по черзі, а між ними розміщується сепаратор. Блок електродів вставлений в металевий або пластмасовий корпус і закритий герметизуючої кришкою. На кришці як правило встановлюється клапан або датчик тиску (малюнок 2).

Рис.2. Конструкція Ni-MH акумулятора: 1-корпус, 2-кришка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-ізоляційна прокладка, 6-ізолятор, 7-отрецательний електрод, 8-сепаротор, 9-позитивний електрод.

В Ni-MH акумуляторах використовується лужний електроліт, що складається з КОН з добавкою LiOH. Як сепаратора в Ni-MH акумуляторах застосовуються неткані поліпропілен і поліамід товщиною 0,12-0,25 мм, оброблені змочувачем.

позитивний електрод

В Ni-MH акумуляторах застосовуються позитивні оксидно-нікелеві електроди, аналогічні використовуваним в Ni-Cd акумулятори. В Ni-MH акумуляторах в основному застосовуються металокерамічні, а в останні роки - повстяні і пенополімерние електроди (див. Вище).

негативний електрод

Практичне застосування в Ni-MH акумуляторах знайшли п'ять конструкцій негативного металогідридного електрода (див. Вище): - ламельная, коли порошок водень-абсорбуючої сплаву зі сполучних речовин або без сполучного, запресований в нікелеву сітку; - пенонікелевая, коли паста зі сплавом і сполучних речовин вводиться в пори пенонікелевой основи, а потім сушиться і пресується (вальці); - фольгова, коли паста зі сплавом і сполучних речовин наноситься на перфоровану нікелеву або сталеву нікельовану фольгу, а потім сушиться і пресується; - вальцованная, коли порошок активної маси, що складається зі сплаву і сполучного речовини, наноситься вальцюванням (прокаткою) на розтяжних нікелеву грати або мідну сітку; - спечена, коли порошок сплаву напресовується на нікелеву сітку і після цього спікається в атмосфері водню. Питомі ємності металогідридних електродів різних конструкцій близькі за значенням і визначаються, в основному, ємністю застосовуваного сплаву.

Характеристики Ni-MH акумуляторів. електричні характеристики

Напруга розімкненого ланцюга

Значення напруги розімкнутого ланцюга Uр.ц. Ni-MH-системи точно визначити важко внаслідок залежності рівноважного потенціалу оксидно-нікелевого електрода від ступеня окислення нікелю, а також залежно рівноважного потенціалу металогідридного електрода від ступеня насичення його воднем. Через 24 години після заряду акумулятора, напруга розімкнутого ланцюга зарядженого Ni-MH акумулятора знаходиться в інтервалі 1,30-1,35В.

Номінальна розрядна напруга

Uр при нормованому струмі розряду Iр \u003d 0,1-0,2С (С - номінальна ємність акумулятора) при 25 ° С становить 1,2-1,25В, звичайне кінцева напруга - 1В. Напруга зменшується з ростом навантаження (див. Малюнок 3)

Рис.3. Розрядні характеристики Ni-MH акумулятора при температурі 20 ° С і різних нормованих токах навантаження: 1-0,2С; 2-1С; 3-2С; 4-3С

Ємність акумуляторів

З підвищенням навантаження (зменшення часу розряду) і при зниженні температури ємність Ni-MH акумулятора зменшується (малюнок 4). Особливо помітно дія зниження температури на ємність при великих швидкостях розряду і при температурах нижче 0 ° С.

Рис.4. Залежність розрядної ємності Ni-MH акумулятора від температури при різних токах розряду: 1-0,2С; 2-1С; 3-3С

Збереження і термін служби Ni-MH акумуляторів

При зберіганні відбувається саморозряд Ni-MH акумулятора. Через місяць при кімнатній температурі втрата ємності складає 20-30%, а при подальшому зберіганні втрати зменшуються до 3-7% в місяць. Швидкість саморозряду підвищується при збільшенні температури (див. Рисунок 5).

Рис.5. Залежність розрядної ємності Ni-MH акумулятора від часу зберігання при різних температурах: 1-0 ° С; 2-20 ° С; 3-40 ° С

Зарядка Ni-MH акумулятора

Напрацювання (число разрядно-зарядних циклів) і термін служби Ni-MH акумулятора в значній мірі визначаються умовами експлуатації. Напрацювання знижується зі збільшенням глибини і швидкості розряду. Напрацювання залежить від швидкості заряду і способу контролю його закінчення. Залежно від типу Ni-MH акумуляторів, режиму роботи та умов експлуатації акумулятори забезпечують від 500 до 1800 разрядно-зарядних циклів при глибині розряду 80% і мають термін служби (в середньому) від 3 до 5 років.

Для забезпечення надійної роботи Ni-MH акумулятора протягом гарантованого терміну потрібно дотримуватися рекомендацій та інструкцію виробника. Найбільшу увагу слід приділити температурному режиму. Бажано уникати перерозряду (нижче 1В) і коротких замикань. Рекомендується використовувати Ni-MH акумулятори за призначенням, уникати поєднання вживаних і невикористаних акумулятора, не припаювати безпосередньо до акумулятора проводи або інші частини. Ni-MH акумулятори чутливіші до перезаряду, ніж Ni-Cd. Перезаряд може привести до теплового розгону. Зарядка як правило проводиться струмом Iз \u003d 0,1 протягом 15 годин. Компенсаційний підзаряд виробляють струмом Iз \u003d 0,01-0,03С протягом 30 годин і більше. Прискорений (за 4 - 5 годин) і швидкий (за 1 годину) заряди можливі для Ni-MH акумуляторів, що мають високоактивні електроди. При таких зарядах процес контролюється по зміні температури Т і напруги ΔU і іншим параметрам. Швидкий заряд застосовується, наприклад, для Ni-MH акумуляторів, що живлять ноутбуки, мобільні телефони, електричні інструменти, хоча в ноутбуках і стільникових телефонах зараз в основному використовуються літій-іонні і літій-полімерні акумулятори. Рекомендується також триступеневий спосіб заряду: перший етап швидкого заряду (1С та вище), заряд зі швидкістю 0,1 протягом 0,5-1 ч для заключної підзарядки, і заряд зі швидкістю 0,05-0,02С як компенсаційний підзарядки. Інформація про способи заряду Ni-MH акумуляторів зазвичай міститься в інструкціях фірми-виробника, а рекомендований струм зарядки вказано на корпусі акумулятора. Зарядний напруга Uз при Iз \u003d 0,3-1С лежить в інтервалі 1,4-1,5В. Унаслідок виділення кисню на позитивних пластинах, кількість електрики відданого при заряді (Qз) більше розрядної ємності (Ср). При цьому віддача по ємності (100 Ср / Qз) становить 75-80% і 85-90% відповідно для дискових і циліндричних Ni-MH акумуляторів.

Контроль заряду і розряду

Для виключення перезаряда Ni-MH акумуляторних батарей можуть застосовуватися такі методи контролю заряду з відповідними датчиками, що встановлюються в акумуляторні батареї або зарядними пристроями:

• метод припинення заряду по абсолютній температурі Т max. Температура батареї постійно контролюється під час процесу заряду, а при досягненні максимального значення швидкий заряд переривається;
• метод припинення заряду по швидкості зміни температури ΔT / Δt. При застосуванні цього методу крутизна температурної кривої акумуляторної батареї постійно контролюється під час процесу заряду, а коли цей параметр стає вище виразно встановленого значення, заряд переривається;
• метод припинення заряду по негативній дельті напруги -ΔU. В кінці заряду акумулятора при здійсненні кисневого циклу починає підвищуватися його температура, приводячи до зменшення напруги;
• метод припинення заряду по максимальному часу заряду t;
• метод припинення заряду по максимальному тиску Pmax. Використовується зазвичай в призматичних акумуляторах великих розмірів і ємності. Рівень допустимого тиску в призматичному акумуляторі залежить від його конструкції і лежить в інтервалі 0,05-0,8 МПа;
• метод припинення заряду по максимальному напрузі Umax. Застосовується для відключення заряду акумуляторів з високим внутрішнім опором, яке з'являється в кінці терміну служби через нестачу електроліту або при низькій температурі.

При застосуванні методу Тmax акумуляторна батарея може бути занадто перезаряджаючи, якщо температура навколишнього середовища знижується, або батарея може отримати недостатньо заряду, якщо температура навколишнього середовища значно підвищується. Метод ΔT / Δt може застосовуватися дуже ефективно для припинення заряду при низьких температурах навколишнього середовища. Але якщо при більш високих температурах застосовувати тільки цей метод, то акумулятори всередині акумуляторних батарей будуть піддаватися нагріванню до небажано високих температур до того, як може бути досягнуто значення ΔT / Δt для відключення. Для певного значення ΔT / Δt може бути отримана велика вхідна ємність при більш низькій температурі навколишнього середовища, ніж при більш високій температурі. На початку заряду акумуляторної батареї (як і в кінці заряду) відбувається швидке підвищення температури, що може привести до передчасного відключення заряду при застосуванні методу ΔT / Δt. Для виключення цього розробники зарядних пристроїв використовують таймери початкової затримки спрацьовування датчика при методі ΔT / Δt. Метод -ΔU \u200b\u200bє ефективним для припинення заряду при низьких температурах навколишнього середовища, а не при підвищених температурах. У цьому сенсі метод схожий на метод ΔT / Δt. Для забезпечення припинення заряду в тих випадках, коли непередбачені обставини перешкоджають нормальному переривання заряду, рекомендується також використовувати контроль за таймером, який регулює тривалість операції заряду (метод t). Таким чином, для швидкого заряду акумуляторних батарей нормованими струмами 0,5-1С при температурах 0-50 ° С доцільно застосовувати одночасно методи Тmax (з температурою відключення 50-60 ° С в залежності від конструкції акумуляторів і батарей), -ΔU (5 15 мВ на акумулятор), t (зазвичай для отримання 120% номінальної ємності) і Umax (1,6-1,8 В на акумулятор). Замість методу -ΔU може використовуватися метод ΔT / Δt (1-2 ° С / хв) з таймером початкової затримки (5-10 хв). Про контроль заряду так само см. Соответствуюших статтю Після проведення швидкого заряду акумуляторної батареї, в зарядний пристрій передбачають перемикання їх на підзаряд нормованим струмом 0,1 - 0,2 с протягом певного часу. Для Ni-MH акумуляторів не рекомендується заряд при постійній напрузі, тому що може статися «теплової вихід з ладу» акумуляторів. Це пов'язано з тим, що в кінці заряду відбувається підвищення струму, який пропорційний різниці між напругою електроживлення і напругою акумулятора, а напруга акумулятора в кінці заряду знижується через підвищення температури. При низьких температурах швидкість заряду повинна бути зменшена. В іншому випадку кисень не встигне рекомбінуватися, що призведе до зростання тиску в акумуляторі. Для експлуатації в таких умовах рекомендуються Ni-MH акумулятори з високопористого електродами.

Переваги та недоліки Ni-MH акумуляторів

Значне збільшення питомих енергетичних параметрів не єдина перевага Ni-MH акумуляторів перед Ni-Cd акумуляторами. Відмова від кадмію означає також перехід до більш екологічно чистим виробництвам. Легше вирішується і проблема утилізації що вийшли з ладу акумуляторів. Ці гідності Ni-MH акумуляторів визначили більш швидке зростання обсягів їх виробництва у всіх провідних світових акумуляторних компаній у порівнянні з Ni-Cd акумуляторами.

У Ni-MH акумуляторів немає «ефекту пам'яті», властивого Ni-Cd акумуляторів через утворення нікелата в негативному кадмиевом електроді. Однак ефекти, пов'язані з перезарядом оксидно-нікелевого електрода, зберігаються. Зменшення розрядної напруги, що спостерігається при частих і довгих перезарядити так само, як і у Ni-Cd акумуляторів, може бути усунуто при періодичному здійсненні кількох розрядів до 1В - 0.9В. Такі розряди досить проводити 1 раз на місяць. Однак нікель-металогідридні акумулятори поступаються нікель-кадмієвих, які вони покликані замінити, за деякими експлуатаційними характеристиками:

• Ni-MH акумулятори ефективно працюють в більш вузькому інтервалі робочих струмів, що пов'язано з обмеженою десорбцией водню металгідридних електрода при дуже високих швидкостях розряду;
• Ni-MH акумулятори мають більш вузький температурний діапазон експлуатації: велика їх частина непрацездатна при температурі нижче -10 ° С і вище +40 ° С, хоча в окремих серіях акумуляторів коригування рецептур забезпечила розширення температурних меж;
• протягом заряду Ni-MH акумуляторів виділяється більше теплоти, ніж при заряді Ni-Cd акумуляторів, тому з метою попередження перегріву батареї з Ni-MH акумуляторів в процесі швидкого заряду і / або значного перезарядження в них встановлюють термо-запобіжники або термо-реле, які мають у своєму розпорядженні на стінці одного з акумуляторів в центральній частині батареї (це відноситься до промислових акумуляторним збірок);
• Ni-MH акумулятори мають підвищений саморозряд, що визначається неминучістю реакції водню, розчиненого в електроліті, з позитивним оксидно-нікелевим електродом (але, завдяки використанню спеціальних сплавів негативного електрода, вдалося домогтися зниження швидкості саморозряду до величин, близьких до показників для Ni-Cd акумуляторів );
• небезпека перегріву при заряді одного з Ni-MH акумуляторів батареї, а також переполюсованія акумулятора з меншою ємністю при розряді батареї, зростає з неузгодженістю параметрів акумуляторів в результаті тривалого циклирования, тому створення батарей більш ніж з 10 акумуляторів не рекомендується усіма виробниками;
• втрати ємності негативного електрода, які мають місце в Ni-MH акумуляторі при розряді нижче 0 В, незворотні, що висуває більш жорсткі вимоги до підбору акумуляторів в батареї і контролю процесу розряду, ніж в разі використання Ni-Cd акумуляторів, як правило рекомендується розряд до 1 в / ак в батареях незначного напруги і до 1,1 в / ак в батареї з 7-10 акумуляторів.

Як вже зазначалося раніше, деградація Ni-MH акумуляторів визначається перш за все зниженням при циклировании сорбуючою здатності негативного електрода. У циклі заряду-розряду відбувається зміна обсягу кристалічної решітки сплаву, що призводить до утворення тріщин і подальшої корозії при реакції з електролітом. Освіта продуктів корозії відбувається з поглинанням кисню і водню, в результаті чого зменшується загальна кількість електроліту і підвищується внутрішній опір акумулятора. Слід зауважити, що характеристики Ni-MH акумуляторів істотно залежать від сплаву негативного електрода і технології обробки металу для підвищення стабільності його складу і структури. Це змушує виробників акумуляторів уважно ставитися до вибору постачальників сплаву, а споживачів акумуляторів - до вибору компанії-виробника.

За матеріалами сайтів pоwеrinfо.ru, «Чіп і Діп»

Дослідження в області нікель-металгідридних батарей почалися в 1970-х роках як вдосконалення нікель-водневих батарей, оскільки вага і обсяг нікель-водневих батарей не задовольняв виробників (водень в цих батареях перебував під високим тиском, що вимагало тривалого і важкого сталевого корпусу). Використання водню у вигляді гідридів металів дозволило знизити вагу і об'єм батарей, також знизилася і небезпека вибуху батареї при перегріванні.

Починаючи з 1980-х була істотно поліпшена технологія виробництва NiMH батарей і почалося комерційне використання в різних областях. Успіху NiNH батарей сприяла збільшена ємність (на 40% в порівнянні з NiCd), використання матеріалів, придатних до вторинної переробки ( «дружність» природне середовище), а також досить тривалих термін служби, який часто перевищує показники NiCd акумуляторів.

Переваги та недоліки NiMH акумуляторів

переваги

· Більша ємність - на 40% і більше, ніж звичайні NiCd батареї
· Набагато менша вираженість ефекту «пам'яті» в порівнянні з нікель-кадмієвих акумуляторами - цикли обслуговування батареї можна проводити в 2-3 рази рідше
· Проста можливість транспортування - авіакомпанії перевозять без будь-яких попередніх умов
· Екологічно безпечні - можлива переробка

недоліки

· Обмежений час життя батареї - зазвичай близько 500-700 циклів повного заряду / розряду (хоча в залежності від режимів роботи і внутрішнього устрою можуть бути відмінності в рази).
· Ефект пам'яті - NiMH батареї вимагають періодичної тренування (циклу повного розряду / заряду акумулятора)
· Щодо малий термін зберігання батарей - зазвичай не більше 3-х років при зберіганні в розрядженому стані, після чого втрачаються основні характеристики. Зберігання в прохолодних умовах при частковому заряді в 40-60% уповільнюють процес старіння батарей.
· Високий саморозряд батарей
· Обмежена показники потужності ємність - при перевищенні допустимих навантажень зменшується час життя батарей.
· Потрібно спеціальний зарядний пристрій з стадійним алгоритмом заряду, оскільки при заряді виділяється велика кількість тепла і нікель-металгідридні батареї прохо переносять перезаряд.
· Погана переносимість високих температур (понад 25-30 за Цельсієм)

Конструкція NiMH акумуляторів і АКБ

Сучасні нікель-металгідридні акумулятори мають внутрішню конструкцію, схожу з конструкцією нікель-кадмієвих акумуляторів. Позитивний оксидно-нікелевий електрод, лужної електроліт і розрахунковий тиск водню збігаються в обох акумуляторних системах. Різні тільки негативні електроди: у нікель-кадмієвих акумуляторів - кадмієвий електрод, у нікель-металгідридних - електрод на базі сплаву поглинаючих водень металів.

В сучасних нікель-металгідридних акумуляторах використовується склад водородоадсорбірующего сплаву виду AB2 і AB5. Інші сплави виду AB або A2B не набули широкого поширення. Що ж означають загадкові літери A і B в складі сплаву? - Під символом A ховається метал (або суміш металів), при утворенні гідридів яких виділяється тепло. Відповідно, символ B позначає метал, який реагує з воднем Ендотермічний.

Для негативних електродів типу AB5 використовується суміш рідкоземельних елементів групи лантану (компонент А) і нікель з домішками інших металів (кобальт, алюміній, марганець) - компонент B. Для електродів типу AB2 використовуються титан і нікель з домішками цирконію, ванадію, заліза, марганцю, хрому.

Нікель-металгідридні акумулятори з електродами типу AB5 мають більшого поширення через кращих показників цікліруемості, незважаючи на те, що акумулятори з електродами типу AB2 дешевші, мають велику ємність і кращі показники потужності.

В процесі циклирования відбувається коливання обсягу негативного електрода до 15-25% від вихідного за рахунок поглинання / виділення водню. В результаті коливань обсягу виникає велика кількість мікротріщин в матеріалі електрода. Це явище пояснює, чому для нового нікель-металгідридних акумулятора необхідно провести кілька «тренувальних» циклів заряду / розряду для приведення значень потужності і ємності акумулятора до номінальних. Також у утворення мікротріщин є і негативна сторона - збільшується площа поверхні електрода, яка піддається корозії з витрачанням електроліту, що призводить до поступового збільшення внутрішнього опору елемента і знижують ємність. Для зменшення швидкості корозійних процесів рекомендується зберігати нікель-металгідридні акумулятори в зарядженому стані.

Негативний електрод має надлишкову ємність по відношенню до позитивного як по перезаряду, так і по перерозряду для забезпечення прийнятного рівня виділення водню. Через корозію металу поступово зменшується ємність по перезаряду негативного електрода. Як тільки надлишкова ємність по перезаряду вичерпається, на негативному електроді в кінці заряду почне виділятися велику кількість водню, що призведе до стравлювання надлишкового кількості водню через клапани елемента, «википання» електроліту і виходу акумулятора з ладу. Тому для заряду нікель-металгідридних акумуляторів необхідно спеціальний зарядний усройство, що враховує специфіку поведінки акумулятора для уникнення небезпеки саморуйнування акумуляторного елемента. При зборі батареї акумуляторів необхідно передбачити хорошу вентиляцію елементів і не курити поруч з заряджатимуться нікель-металгідридних батареєю великої місткості.

Згодом в результаті циклирования зростає і саморозряд акумулятора за рахунок появи великих пір в матеріалі сепаратора і освіті електричного з'єднання між пластинами електродів. Ця проблема може бути тимчасово вирішена шляхом декількох циклів глибокого розряду акумулятора з наступним повним зарядом.

При заряді нікель-металгідридних акумуляторів виділяється досить велика кількість тепла, особливо в кінці заряду, що є одним з ознак необхідності завершення заряду. При збиранні декількох акумуляторних елементів в батарею необхідна система контролю параметрів батареї (BMS), а також наявність терморазмикающіхся струмопровідних сполучних перемичок між частиною акумуляторних елементів. Також бажано поєднувати акумулятори в батареї шляхом точкового зварювання перемичок, а не пайки.

Розряд нікель-металгідридних акумуляторів при низьких температурах лімітується тим фактом, що ця реакція ендотермічна і на негативному електроді утворюється вода, розбавляються електроліт, що призводить до високої ймовірності замерзання електроліту. Тому, чим менше температура навколишнього середовища, тим менше віддається потужність і ємність акумулятора. Навпаки, при підвищеній температурі в процесі розряду розрядна ємність нікель-металгідридних акумулятора буде максимальною.

Знання конструкції та принципів роботи дозволить з великим розумінням поставитися до процесу експлуатації нікель-металгідридних акумуляторів. Сподіваюся, інформація, почерпнута в статті, дозволить продовжити життя вашої акумуляторної батареї і уникнути можливих небезпечних наслідків через непорозуміння принципів безпечного використання нікель-металгідридних акумуляторів.

Розрядні характеристики NiMH-акумуляторів при різних
токах розряду при температурі навколишнього середовища 20 ° С

зображення взято з www.compress.ru/Article.aspx?id\u003d16846&iid\u003d781

Нікель-металгідридна батарейка Duracell

зображення взято з www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm

P.P.S.
Схема перспективного напряму створення біполярних акумуляторних батарей

схема взяти з Біполярні свинцево-кислотні батареї

Порівняльна таблиця параметрів різних типів акумуляторів

	NiCd	NiMH	Lead Acid	Li-ion	Li-ion polymer	Reusable Alkaline
Енергетична щільність (W * год / кг)	45-80	60-120	30-50	110-160	100-130	80 (початкова)
внутрішній опір (Включаючи внутрішні схеми), мом	100-200 при 6В	200-300 при 6В	<100 при 12В	150-250 при 7.2В	200-300 при 7.2В	200-2000 при 6В
Число циклів заряду / розряду (при зниженні до 80% від початкової ємності)	1500	300-500	200-300	500-1000	300-500	50 (До 50%)
Час швидкого заряду	1 годину типове	2-4 години	8-16 години	2-4 години	2-4 години	2-3 години
Стійкість до перезаряду	середня	низька	висока	дуже низька	низька	середня
Саморозряд / місяць (при кімнатній температурі)	20%	30%	5%	10%	~10%	0.3%
Напруга елемента (номінальне)	1.25В	1.25В	2В	3.6В	3.6В	1.5В
струм навантаження - піковий - оптимальний	20C 1C	5C 0.5C і нижче	5C 0.2C	\u003e 2C 1C і нижче	\u003e 2C 1C і нижче	0.5C 0.2C і нижче
Температура при експлуатації (тільки розряд)	-40 to 60 ° C	-20 to 60 ° C	-20 to 60 ° C	-20 to 60 ° C	0 to 60 ° C	0 to 65 ° C
Вимоги до обслуговування	Через 30 - 60 днів	Через 60 - 90 днів	Через 3 - 6 місяців	Не вимагається	Не вимагається	Не вимагається
Типова ціна (US $, тільки для порівняння)	$50 (7.2В)	$60 (7.2В)	$25 (6В)	$100 (7.2В)	$100 (7.2В)	$5 (9В)
Ціна на цикл (US $)	$0.04	$0.12	$0.10	$0.14	$0.29	$0.10-0.50
Початок комерційного використання	1950	1990	1970	1991	1999	1992

таблиця взята з

У другій половині двадцятого століття одними з кращих перезаряджаються хімічних джерел струму були акумуляторні батареї, виготовлені за нікель-кадмиевой технології. Вони до цих пір широко застосовуються в різних сферах завдяки своїй надійності і невибагливості.

Содрежаніе

Що таке нікель кадмієвий акумулятор

Нікель-кадмієві батареї є гальванічними перезаряджаємими джерелами струму, які були винайдені в 1899 році в Швеції Вальдмаром Юнгнер. До 1932 року їх практичне використання було дуже обмеженим через дорожнечу використовуваних металів в порівнянні з свинцево-кислотними АКБ.

Удосконалення технології їх виробництва призвело до значного поліпшення їх експлуатаційних характеристик і дозволило в 1947 році створити герметичний обслуговуються АКБ з відмінними параметрами.

Принцип роботи і пристрій Ni-Cd акумулятора

Електричну енергію ці АКБ виробляють завдяки оборотного процесу взаємодії кадмію (Cd) з оксидом-гідроксидом нікелю (NiOOH) і водою, в результаті якого утворюється гідроксид нікелю Ni (OH) 2 і гідроксид кадмію Cd (OH) 2, який зумовлює появу електрорушійної сили.

Ni-Cd АКБ випускаються в герметичних корпусах, в яких розміщені електроди, розділені нейтральним сепаратором, що містять нікель і кадмій, що знаходяться в розчині желеобразного лужного електроліту (як правило, гідроксид калію, KOH).

Позитивний електрод являє собою сталеву сітку або фольгу, вкриту пастою оксид-гідроксиду нікелю, змішану з провідним матеріалом

Негативний електрод - це сталева сітка (фольга) з впресованим пористим кадмієм.

Один нікель кадмієвий елемент здатний видавати напругу близько 1,2 вольта, тому для збільшення напруги і потужності батарей в їх конструкції застосовується безліч паралельно з'єднаних електродів, розділених сепараторами.

Технічні характеристики і які бувають Ni-Cd АКБ

Ni-Cd батареї мають наступні технічні характеристики:

• напруга розряду одного елемента - близько 0,9-1 вольт;
• номінальну напругу елемента - 1,2 v, для отримання напруг 12v і 24v застосовують послідовне з'єднання декількох елементів;
• напруга повного заряду - 1,5-1,8 вольт;
• робоча температура: від -50 до +40 градусів;
• кількість циклів заряду-розряду: від 100 до 1000 (в найсучасніших батареях - до 2000), в залежності від використовуваної технології;
• рівень саморозряду: від 8 до 30% в перший місяць після повного заряду;
• питома енергоємність - до 65 Вт * год / кілограм;
• термін експлуатації - близько 10 років.

Ni-Cd АКБ випускають в різних корпусах стандартних типорозмірів і в нестандартному виконанні, в тому числі в дисковому, герметичному вигляді.

Де використовуються нікель кадмієві АКБ

Ці батареї застосовуються в пристроях, які споживають великий струм, а також відчувають високі навантаження при експлуатації в наступних випадках:

• на тролейбусах і трамваях;
• на електрокарах;
• на морському та річковому транспорті;
• в вертольотах і літаках;
• в електроінструментах (шуруповерти, дрилі, електровивертки та інші);
• електробритви;
• у військовій техніці;
• переносних радіостанціях;
• в іграшках на радіокеруванні;
• в ліхтарях для дайвінгу.

В даний час з-за посилення екологічних вимог більшість акумуляторів популярних типорозмірів (, і інші) випускається по нікель-металлогидридной і літій-іонної технологіям. Разом з тим, в експлуатації ще перебуває безліч Ni Cd АКБ різних типорозмірів, випущених кілька років тому.

Ni-Cd елементи мають тривалий термін експлуатації, який інколи перевищує 10 років і тому ще можна зустріти цей вид батарей в безлічі електронних пристроїв, крім тих, які перераховані вище.

Плюси і мінуси Ni-Cd акумулятора

Цей вид елементів живлення має наступні позитивні характеристики:

• великий термін експлуатації і число циклів заряду-розряду;
• тривалий термін служби і зберігання;
• можливість швидкої зарядки;
• здатність витримувати великі навантаження і низькі температури;
• збереження працездатності в найнесприятливіших умовах експлуатації;
• невисока вартість;
• можливість зберігати ці батареї в розрядженому стані до 5 років;
• середня стійкість до перезаряду.

У той же час, нікель кадмієві джерела живлення мають ряд недоліків:

• наявність ефекту пам'яті, що виявляється у втраті ємності при зарядці АКБ, не чекаючи повного розряду;
• необхідність профілактичних робіт (кілька циклів заряду-розряду) по набору повної ємності;
• повне відновлення АКБ після довготривалого зберігання вимагає трьох-чотирьох циклів повного заряду-розряду;
• великий саморозряд (близько 10% в перший місяць зберігання), що призводить до практично повного розряду батареї за рік зберігання;
• невисока енергетична щільність в порівнянні з іншими елементами живлення;
• висока токсичність кадмію, через яку вони заборонені в ряді країн, у тому числі в ЄС, необхідність проводити утилізацію таких АКБ на спеціальному обладнанні;
• більшої ваги в порівнянні з сучасними батареями.

Відмінність Ni-Cd від Li-Ion або Ni-Mh джерел

Батареї з активними компонентами, що включають нікель і кадмій, мають ряд відмінностей від більш сучасних літій-іонних і нікель-металогідридних джерел електроенергії:

• Ni-Cd елементи, на відміну від і варіантів, мають ефект пам'яті, мають меншу питомою ємністю при однакових розмірах;
• NiCd джерела більш невибагливі, зберігають працездатність при дуже низьких температурах, у багато разів більш стійкі до перезаряду і сильному розряду;
• Li-Ion і Ni-Mh акумулятори коштують дорожче, боятися перезарядження і сильного розряду, але мають менший саморозряд;
• термін експлуатації і зберігання Li-Ion акумуляторів (2-3 роки) в рази менше, ніж Ni Cd виробів (8-10 років);
• нікель-кадмієві джерела швидко втрачають ємність при використанні в буферному режимі (наприклад, в UPS). Хоча їх можна після цього повністю відновити шляхом глибокого розряду і заряду, краще не використовувати Ni Cd вироби в пристроях, де здійснюється їх постійна підзарядка;
• однаковість режиму заряду Ni-Cd і Ni-Mh батарей дозволяє використовувати одні і ті ж зарядні пристрої, але при цьому потрібно враховувати той факт, що у нікель-кадмієвих АКБ більш виражений ефект пам'яті.

Виходячи з наявних відмінностей, не можна зробити однозначний висновок про те, які АКБ краще, оскільки у всіх елементів є і сильні і слабкі сторони.

Правила експлуатації

В ході експлуатації в Ni Cd джерелах живлення відбувається ряд змін, які призводять до поступового погіршення характеристик і, в кінцевому підсумку, до втрати працездатності:

• зменшується корисна площа і маса електродів;
• змінюється склад і обсяг електроліту;
• відбувається розпад сепаратора і органічних домішок;
• втрачається вода і кисень;
• з'являються витоку струму, пов'язані з ростом дендритів кадмію на пластинах.

Для того, щоб максимально зменшити пошкодження батареї, що виникають при її експлуатації та зберіганні, необхідно уникати несприятливих впливів на АКБ, які пов'язані з наступними факторами:

• заряд не повністю зарядженій батареї призводить до оборотної втрати її ємності через зменшення загальної площі активної речовини в результаті кристаллообразования;
• регулярний сильний перезаряд, який призводить до перегріву, збільшеному газоутворення, втрати води в електроліті і руйнує електроди (особливо анод) і сепаратор;
• недозаряд, що приводить до передчасного виснаження батареї;
• довготривала експлуатація при дуже низьких температурах призводить до зміни складу і обсягу електроліту, збільшується внутрішній опір АКБ і погіршуються її експлуатаційні характеристики, зокрема падає ємність.

При сильному збільшенні тиску всередині батареї в результаті швидкого заряду великим струмом і сильної деградації кадмиевого катода в АКБ може виділятися надлишковий водень, що призводить до різкого збільшення тиску, яке може деформувати корпус, порушує щільність збірки, збільшує внутрішній опір і зменшує робочу напругу.

В АКБ, обладнаних аварійним клапаном скидання тиску, небезпека деформації можна запобігти, але незворотних змін хімічного складу батареї уникнути неможливо.

Зарядку Ni Cd акумуляторів потрібно виробляти струмом 10% (при необхідності швидкого заряду в спеціальних АКБ - струмом до 100% за 1 годину) величини їх ємності (наприклад, 100 мА при ємністю 1000 mAh) протягом 14-16 годин. Найкращий режим їх розряду - струмом, рівним 20% від ємності батареї.

Як відновити Ni Cd акумулятор

Нікель кадмієві джерела живлення в разі втрати ємності можна практично повністю відновити за допомогою повного розряду (до 1 вольта на елемент) і подальшого заряду в стандартному режимі. Таке тренування акумуляторів можна повторити кілька разів для найбільш повного відновлення їх ємності.

У разі неможливості провести відновлення АКБ шляхом розряду і заряду, можна спробувати їх відновити за допомогою впливу короткими струмовими імпульсами (величиною в десятки разів більше ємності відновлюваного елемента) на протязі декількох секунд. Це вплив усуває внутрішнє замикання в елементах батареї, що виникає через наростання дендритів шляхом їх випалювання сильним струмом. Існують спеціальні промислові активатори, які здійснюють такий вплив.

Повне відновлення первісної ємності таких батарей неможливо через незворотного зміни складу і властивостей електроліту, а також деградації пластин, але дає можливість продовжити термін експлуатації.

Методика відновлення в домашніх умовах полягає в проведенні наступних дій:

• проводом перерізом не менше 1,5 квадратних міліметрів з'єднують мінус відновлюваного елемента з катодом потужної батареї, наприклад автомобільної або з UPS;
• до анода (плюса) однієї з батарей надійно прикріплюється другий провід;
• протягом 3-4 секунд вільним кінцем другого проводу швидко стосуються вільної плюсовій клеми (з частотою 2-3 торкання в секунду). При цьому необхідно не допускати приварювання проводів в місці з'єднання;
• вольтметром проводиться перевірка напруги на восстанавливаемом джерелі, при його відсутності робиться ще один відновлювальний цикл ;;
• при появі електрорушійної сили на АКБ, вона ставиться на зарядку;

Крім того, можна спробувати зруйнувати дендрити в АКБ шляхом їх заморозки на 2-3 години з наступним їх різким відстукуванням. При заморожуванні дендрити стають крихкими і руйнуються від ударної дії, що теоретично може допомогти позбутися від них.

Існують і більш екстремальні способи відновлення, пов'язані з додаванням дистильованої води в старі елементи шляхом висвердлювання їх корпусу. Але повноцінне забезпечення герметичності таких елементів в подальшому дуже проблематично. Тому не варто економити і піддавати здоров'я ризику отруєння сполуками кадмію через виграшу кількох циклів роботи.

Зберігання та утилізація

Зберігати нікель кадмієві батареї краще в розрядженому стані при низькій температурі в сухому місці. Чим менше температура зберігання таких АКБ, тим менше у них саморозряд. Якісні моделі можуть зберігатися до 5 років без істотного збитку технічним характеристикам. Для введення їх в експлуатацію досить провести їх зарядку.

Шкідливі речовини, що містяться в одній батареї АА, здатні забруднити близько 20 квадратних метрів території. Для безпечної утилізації Ni Cd акумуляторів, їх потрібно здавати в пункти переробки, звідки їх переправляють на заводи, де їх повинні руйнувати в спеціальних герметичних печах, обладнаних фільтрами, які ловлять токсичні речовини.

Вам так само може бути цікаво

Експлуатація автомобільного акумулятора з неповним зарядом може дуже негативно позначитися на експлуатаційних характеристиках АКБ.

З року в рік акумулятори продовжують виштовхувати звичайні батарейки з ринку. Це відбувається мз-за

Всі батарейки діляться на безліч типів. У побуті їх називають по-різному, проте сучасна класифікація

Яскраві, привабливі зовні акумулятори, навівають думки про перегони Формула-1, барвисті кольори, ергономічні форми, це