Piles au nickel-cadmium

Dans la seconde moitié du XXe siècle, certaines des meilleures sources de courant chimique rechargeable étaient des piles rechargeables fabriquées à l'aide de la technologie nickel-cadmium. Ils sont encore largement utilisés dans divers domaines en raison de leur fiabilité et de leur simplicité.

Qu'est-ce que la batterie au nickel-cadmium

Les batteries au nickel-cadmium sont des sources de courant rechargeables galvaniques, inventées en 1899 en Suède par Waldmar Jungner. Jusqu'en 1932, leur utilisation pratique était très limitée en raison du coût élevé des métaux utilisés par rapport aux batteries plomb-acide.

L'amélioration de la technologie de leur production a conduit à une amélioration significative de leurs caractéristiques opérationnelles et a permis en 1947 de créer une batterie scellée sans entretien avec d'excellents paramètres.

Le principe de fonctionnement et la batterie Ni-Cd de l'appareil

Ces batteries produisent de l'énergie électrique en raison de l'interaction réversible du cadmium (Cd) avec l'oxyde de nickel-hydroxyde (NiOOH) et l'eau, entraînant la formation d'hydroxyde de nickel Ni (OH) 2 et d'hydroxyde de cadmium Cd (OH) 2, ce qui provoque l'apparition d'une force électromotrice.

Les batteries Ni-Cd sont disponibles dans des boîtiers scellés qui contiennent des électrodes séparées par un séparateur neutre contenant du nickel et du cadmium dans une solution d'un électrolyte alcalin de type gelée (généralement de l'hydroxyde de potassium, KOH).

L'électrode positive est un treillis ou une feuille d'acier recouvert d'une pâte d'oxyde de nickel-hydroxyde mélangée à un matériau conducteur

L'électrode négative est une maille d'acier (feuille) avec du cadmium poreux pressé.

Un élément nickel-cadmium est capable de fournir une tension d'environ 1,2 volts, par conséquent, pour augmenter la tension et la puissance des batteries dans leur conception, de nombreuses électrodes parallèles sont utilisées séparées par des séparateurs.

Spécifications et que sont les batteries Ni-Cd

Les batteries Ni-Cd ont les spécifications suivantes:

• la tension de décharge d'un élément est d'environ 0,9 à 1 volt;
• la tension nominale de l'élément est de 1,2 v, pour obtenir des tensions de 12v et 24v, une connexion en série de plusieurs éléments est utilisée;
• tension d'une charge complète - 1,5-1,8 volts;
• température de travail: de -50 à +40 degrés;
• nombre de cycles de charge-décharge: de 100 à 1000 (dans les batteries les plus modernes - jusqu'à 2000), selon la technologie utilisée;
• niveau d'autodécharge: de 8 à 30% le premier mois après une charge complète;
• consommation d'énergie spécifique - jusqu'à 65 W * heure / kilogramme;
• durée de vie - environ 10 ans.

Les batteries Ni-Cd sont produites dans divers cas de tailles standard et de conception non standard, y compris à disque, sous forme hermétique.

Où utilise-t-on des piles au nickel-cadmium?

Ces batteries sont utilisées dans des appareils qui consomment des courants élevés et subissent également des charges élevées pendant le fonctionnement dans les cas suivants:

• sur les trolleybus et les tramways;
• sur les voitures électriques;
• sur le transport maritime et fluvial;
• dans les hélicoptères et les avions;
• dans les outils électriques (tournevis, perceuses, tournevis électriques et autres);
• rasoirs électriques;
• en équipement militaire;
• stations de radio portables;
• dans des jouets à la radio;
• dans les lumières pour la plongée.

Actuellement, en raison du resserrement des exigences environnementales, la plupart des batteries de tailles populaires (AA, AAA et autres) est produit par les technologies nickel-hydrure métallique et lithium-ion. Cependant, de nombreuses batteries Ni Cd de différentes tailles, sorties il y a plusieurs années, sont toujours en fonctionnement.

Les piles Ni-Cd ont une longue durée de vie, qui dépasse parfois 10 ans, et donc ce type de batterie peut encore être trouvé dans de nombreux appareils électroniques, à l'exception de ceux énumérés ci-dessus.

Avantages et inconvénients d'une batterie Ni-Cd

Ce type de batterie présente les caractéristiques positives suivantes:

• longue durée de vie et nombre de cycles charge-décharge;
• longue durée de vie et stockage;
• la capacité de charger rapidement;
• capacité à supporter des charges lourdes et des températures basses;
• maintenir l'opérabilité dans les conditions d'exploitation les plus défavorables;
• faible coût;
• la capacité de stocker ces batteries dans un état déchargé jusqu'à 5 ans;
• résistance moyenne aux surcharges.

Dans le même temps, les alimentations nickel-cadmium présentent plusieurs inconvénients:

• la présence d'un effet mémoire, se manifestant par une perte de capacité lors de la charge de la batterie, sans attendre une décharge complète;
• la nécessité d'un travail préventif (plusieurs cycles charge-décharge) pour atteindre la pleine capacité;
• la restauration complète de la batterie après un stockage à long terme nécessite trois à quatre cycles de charge-décharge complète;
• grande auto-décharge (environ 10% au cours du premier mois de stockage), conduisant à une décharge presque complète de la batterie au cours de l'année de stockage;
• faible densité d'énergie par rapport aux autres batteries;
• la forte toxicité du cadmium, en raison de laquelle ils sont interdits dans un certain nombre de pays, y compris l'UE, la nécessité de disposer de ces batteries sur un équipement spécial;
• plus de poids que les batteries modernes.

Différence de Ni-Cd à partir de sources Li-Ion ou Ni-Mh

Les batteries avec des composants actifs, dont le nickel et le cadmium, présentent un certain nombre de différences par rapport aux sources d'électricité plus modernes au lithium-ion et au nickel-métal hydrure:

• Éléments Ni-Cd, contrairement à Li-ion et Ni-mh les options ont un effet mémoire, ont une capacité spécifique inférieure à la même taille;
• Les sources NiCd sont plus sans prétention, maintiennent les performances à de très basses températures, sont beaucoup plus résistantes aux surcharges et aux fortes décharges;
• Les batteries Li-Ion et Ni-Mh sont plus chères, craignent une surcharge et une décharge forte, mais ont moins d'auto-décharge;
• la durée de vie et le stockage des batteries Li-Ion (2-3 ans) sont plusieurs fois plus courts que les produits Ni Cd (8-10 ans);
• Les sources de nickel-cadmium perdent rapidement leur capacité lorsqu'elles sont utilisées en mode tampon (par exemple, dans les onduleurs). Bien qu'ils puissent ensuite être complètement restaurés par décharge et charge profondes, il est préférable de ne pas utiliser de produits Ni Cd dans des appareils où ils sont constamment rechargés;
• le même mode de charge des batteries Ni-Cd et Ni-Mh vous permet d'utiliser les mêmes chargeurs, mais vous devez tenir compte du fait que les batteries nickel-cadmium ont un effet mémoire plus prononcé.

Sur la base des différences, il est impossible de tirer une conclusion sans équivoque sur les meilleures batteries, car tous les éléments ont des forces et des faiblesses.

Conditions d'utilisation

Pendant le fonctionnement dans des sources d'alimentation Ni Cd, un certain nombre de changements se produisent qui conduisent à une détérioration progressive des performances et, finalement, à une perte de performances:

• la surface effective et la masse des électrodes diminuent;
• la composition et le volume des changements d'électrolyte;
• décomposition du séparateur et des impuretés organiques;
• l'eau et l'oxygène sont perdus;
• Les fuites actuelles se produisent en raison de la croissance de dendrites de cadmium sur les plaques.

Afin de minimiser les dommages à la batterie qui se produisent pendant son fonctionnement et son stockage, il est nécessaire d'éviter les effets néfastes sur la batterie, qui sont associés aux facteurs suivants:

• la charge d'une batterie incomplètement chargée entraîne une perte réversible de sa capacité en raison d'une diminution de la surface totale de la substance active résultant de la formation de cristaux;
• forte recharge régulière, qui entraîne une surchauffe, une augmentation de la formation de gaz, une perte d'eau dans l'électrolyte et détruit les électrodes (en particulier l'anode) et le séparateur;
• sous-charge, conduisant à un épuisement prématuré de la batterie;
• un fonctionnement à long terme à très basse température entraîne une modification de la composition et du volume de l'électrolyte, la résistance interne de la batterie augmente et ses performances se dégradent, en particulier, la capacité diminue.

Avec une forte augmentation de la pression à l'intérieur de la batterie en raison d'une charge rapide avec un courant important et une forte dégradation de la cathode de cadmium, un excès d'hydrogène peut être libéré dans la batterie, ce qui entraîne une forte augmentation de la pression, qui peut déformer le boîtier, viole la densité de l'assemblage, augmente la résistance interne et réduit la tension de fonctionnement.

Dans les batteries équipées d'une soupape de surpression d'urgence, le risque de déformation peut être évité, mais les changements irréversibles de la composition chimique de la batterie ne peuvent pas être évités.

La charge des batteries Ni Cd doit être effectuée avec un courant de 10% (si nécessaire, une charge rapide dans des batteries spéciales avec un courant allant jusqu'à 100% par 1 heure) de leur capacité (par exemple, 100 mA à une capacité de 1000 mAh) pendant 14-16 heures. Le meilleur mode de décharge est un courant égal à 20% de la capacité de la batterie.

Comment récupérer la batterie Ni Cd

En cas de perte de capacité, les alimentations en nickel-cadmium peuvent être presque entièrement restaurées en utilisant une décharge complète (jusqu'à 1 volt par cellule) et une charge ultérieure en mode standard. Cette formation des batteries peut être répétée plusieurs fois pour la restauration la plus complète de leur capacité.

S'il n'est pas possible de restaurer la batterie par décharge et charge, vous pouvez essayer de la restaurer en appliquant des impulsions de courant courtes (des dizaines de fois plus grandes que la capacité de l'élément restauré) pendant plusieurs secondes. Cet effet élimine le circuit interne dans les cellules de la batterie qui se produit en raison de la croissance des dendrites en les brûlant avec un fort courant. Il existe des activateurs industriels spéciaux qui effectuent cet effet.

La restauration complète de la capacité initiale de telles batteries est impossible en raison de changements irréversibles dans la composition et les propriétés de l'électrolyte, ainsi que de la dégradation des plaques, mais permet de prolonger la durée de vie de la batterie.

La technique de récupération à domicile consiste à effectuer les actions suivantes:

• un fil d'une section transversale d'au moins 1,5 millimètre carré est connecté moins la cellule restaurée à la cathode d'une batterie puissante, telle qu'une voiture ou un onduleur;
• le deuxième fil est solidement fixé à l'anode (plus) de l'une des batteries;
• pendant 3-4 secondes, l'extrémité libre du deuxième fil touche rapidement la borne libre plus (avec une fréquence de 2-3 contacts par seconde). Dans ce cas, il est nécessaire d'empêcher le soudage des fils à la jonction;
• avec un voltmètre, la tension à la source en cours de rétablissement est vérifiée; en son absence, un autre cycle de récupération est effectué;
• lorsqu'une force électromotrice apparaît sur la batterie, elle est chargée;

De plus, vous pouvez essayer de détruire les dendrites de la batterie en les congelant pendant 2-3 heures, suivies d'un coup sec. Lorsqu'elles sont gelées, les dendrites deviennent cassantes et sont détruites par les chocs, ce qui peut théoriquement aider à les éliminer.

Il existe des méthodes de récupération plus extrêmes associées à l'ajout d'eau distillée aux éléments anciens en forant leur corps. Mais la pleine fourniture de l'étanchéité de ces éléments à l'avenir est très problématique. Par conséquent, vous ne devez pas enregistrer et exposer votre santé au risque d'empoisonnement aux composés de cadmium en raison du gain de plusieurs cycles de travail.

Stockage et élimination

Il est préférable de stocker les batteries au nickel-cadmium déchargées à basse température dans un endroit sec. Plus la température de stockage de ces batteries est basse, moins elles se déchargent elles-mêmes. Les modèles de haute qualité peuvent être stockés jusqu'à 5 ans sans endommager considérablement les caractéristiques techniques. Pour les mettre en service, il suffit de les recharger.

Les substances nocives contenues dans une pile AA peuvent polluer environ 20 mètres carrés de territoire. Pour l'élimination sûre des batteries Ni Cd, elles doivent être acheminées vers des points de recyclage, d'où elles sont envoyées aux usines, où elles doivent être détruites dans des fours spéciaux fermés et équipés de filtres qui captent les substances toxiques.