Никел-кадмиеви батерии

През втората половина на ХХ век някои от най-добрите акумулаторни източници на ток са акумулаторни батерии, направени по никел-кадмиева технология. Те все още са широко използвани в различни области поради своята надеждност и непретенциозност.

Какво е никелова кадмиева батерия

Никел-кадмиевите батерии са галванични акумулаторни източници на ток, които са изобретени през 1899 г. в Швеция от Waldmar Jungner. До 1932 г. практическото им използване е много ограничено поради високата цена на използваните метали в сравнение с оловно-киселинните батерии.

Подобряването на технологията на тяхното производство доведе до значително подобряване на техните експлоатационни характеристики и позволи през 1947 г. да се създаде запечатана батерия без поддръжка с отлични параметри.

Принципът на работа и устройството Ni-Cd батерия

Тези батерии произвеждат електрическа енергия поради обратимото взаимодействие на кадмий (Cd) с никелов оксид-хидроксид (NiOOH) и вода, което води до образуване на никелов хидроксид Ni (OH) 2 и кадмиев хидроксид Cd (OH) 2, което причинява появата на електромоторна сила.

Ni-Cd батериите се произвеждат в запечатани заграждения, които съдържат електроди, разделени от неутрален сепаратор, съдържащи никел и кадмий, които са в разтвор на желеподобен алкален електролит (обикновено калиев хидроксид, KOH).

Положителният електрод е стоманена мрежа или фолио, покрито с паста от никелов оксид-хидроксид, смесена с проводим материал

Отрицателният електрод е стоманена мрежа (фолио) с пресован порест кадмий.

Един никел-кадмиев елемент е в състояние да достави напрежение от около 1,2 волта, следователно, за да се увеличи напрежението и мощността на батериите в техния дизайн, много паралелни електроди се използват разделени от разделители.

Спецификации и какви са Ni-Cd батерии

Ni-Cd батериите имат следните спецификации:

• разрядното напрежение на един елемент е около 0,9-1 волта;
• номиналното напрежение на елемента е 1,2 v, за да се получат напрежения от 12 V и 24 V, се използва последователно свързване на няколко елемента;
• напрежение на пълен заряд - 1,5-1,8 волта;
• работна температура: от -50 до +40 градуса;
• брой цикли на зареждане-заряд: от 100 до 1000 (в най-модерните батерии - до 2000), в зависимост от използваната технология;
• ниво на саморазреждане: от 8 до 30% през първия месец след пълно зареждане;
• специфична консумация на енергия - до 65 W * час / килограм;
• експлоатационен живот - около 10 години.

Ni-Cd батериите се произвеждат в различни случаи със стандартни размери и в нестандартен дизайн, включително дискова, херметична форма.

Къде се използват никел-кадмиеви батерии?

Тези батерии се използват в устройства, които консумират големи токове и също така изпитват високи натоварвания по време на работа в следните случаи:

• на тролейбуси и трамваи;
• на електрически автомобили;
• морски и речен транспорт;
• в хеликоптери и самолети;
• в електрически инструменти (отвертки, свредла, електрически отвертки и други);
• електрически самобръсначки;
• във военна техника;
• преносими радиостанции;
• в играчки по радиото;
• в светлините за гмуркане.

В момента, поради затягането на екологичните изисквания, повечето батерии с популярни размери (АА, AAA и други) се произвежда по никело-метални хидридни и литиево-йонни технологии. Въпреки това, много батерии Ni Cd с различни размери, пуснати преди няколко години, все още работят.

Ni-Cd клетките имат дълъг експлоатационен живот, който понякога надхвърля 10 години, поради което този тип батерия все още може да се намери в много електронни устройства, с изключение на изброените по-горе.

Плюсове и минуси на Ni-Cd батерията

Този тип батерия има следните положителни характеристики:

• дълъг живот и брой цикли на зареждане и заряд;
• дълъг експлоатационен живот и съхранение;
• способността за бързо зареждане;
• способност да издържа на тежки товари и ниски температури;
• поддържане на работоспособност в най-неблагоприятните работни условия;
• ниска цена;
• възможност за съхраняване на тези батерии в разрядно състояние до 5 години;
• средно съпротивление на претоварване.

В същото време никел-кадмиевите захранвания имат няколко недостатъка:

• наличието на ефект на паметта, изразяващ се в загуба на капацитет при зареждане на батерията, без да се чака пълно разреждане;
• необходимостта от превантивна работа (няколко цикъла заряд-разряд) за постигане на пълен капацитет;
• пълното възстановяване на батерията след дълготрайно съхранение изисква три до четири цикъла на пълно зареждане-разряд;
• голямо саморазреждане (около 10% през първия месец на съхранение), което води до почти пълно разреждане на батерията през годината на съхранение;
• ниска енергийна плътност в сравнение с други батерии;
• високата токсичност на кадмий, поради която те са забранени в редица страни, включително в ЕС, необходимостта от изхвърляне на такива батерии на специално оборудване;
• повече тегло от съвременните батерии.

Разлика на Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh източници

Батериите с активни компоненти, включително никел и кадмий, имат редица разлики от по-съвременните литиево-йонни и никело-метални хидридни източници на електроенергия:

• Ni-Cd елементи, за разлика от тях Li-Ion и Ni-Mh опциите имат ефект на паметта, имат по-нисък специфичен капацитет при същия размер;
• Източниците на NiCd са по-непретенциозни, поддържат производителност при много ниски температури, многократно са по-устойчиви на претоварване и силен разряд;
• Li-Ion и Ni-Mh батерии са по-скъпи, страхуват се от презареждане и силно разреждане, но имат по-малко саморазряд;
• животът и съхранението на Li-Ion батерии (2-3 години) е няколко пъти по-кратък от продуктите на Ni Cd (8-10 години);
• никел-кадмиевите източници бързо губят капацитет, когато се използват в буферен режим (например в UPS). Въпреки че след това те могат да бъдат напълно възстановени чрез дълбок разряд и зареждане, по-добре е да не използвате продуктите на Ni Cd в устройства, където постоянно се зареждат;
• един и същ режим на зареждане на Ni-Cd и Ni-Mh батерии ви позволява да използвате едни и същи зарядни устройства, но трябва да вземете предвид факта, че никел-кадмиевите батерии имат по-изразен ефект на паметта.

Въз основа на съществуващите разлики е невъзможно да се направи недвусмислен извод за това кои батерии са по-добри, тъй като всички елементи имат силни и слаби страни.

Условия за ползване

По време на работа в Ni Cd източници на енергия се наблюдават редица промени, които водят до постепенно влошаване на производителността и в крайна сметка до загуба на производителност:

• намалява ефективната площ и масата на електродите;
• съставът и обемът на електролита се променят;
• разлагане на сепаратора и органични примеси;
• губят се вода и кислород;
• Текущите течове възникват поради нарастването на кадмиевите дендрити върху плочите.

За да се сведат до минимум щетите на акумулатора, възникнали по време на нейната работа и съхранение, е необходимо да се избегнат неблагоприятни ефекти върху батерията, които са свързани със следните фактори:

• зареждането на непълно заредена батерия води до обратима загуба на нейния капацитет поради намаляване на общата площ на активното вещество в резултат на образуването на кристали;
• редовно силно презареждане, което води до прегряване, повишено образуване на газ, загуба на вода в електролита и унищожава електродите (особено анода) и сепаратора;
• недостатъчно зареждане, което води до преждевременно изчерпване на батерията;
• дългосрочната работа при много ниски температури води до промяна в състава и обема на електролита, вътрешното съпротивление на акумулатора се увеличава и работата му се влошава, по-специално, капацитетът намалява.

При силно увеличаване на налягането вътре в батерията в резултат на бързо зареждане с голям ток и силно разграждане на кадмиевия катод, излишъкът от водород може да се отдели в акумулатора, което води до рязко повишаване на налягането, което може да деформира случая, нарушава плътността на монтажа, увеличава вътрешното съпротивление и намалява работното напрежение.

В батерии, оборудвани с клапан за аварийно налягане, рискът от деформация може да бъде предотвратен, но необратими промени в химическия състав на батерията не могат да бъдат избегнати.

Зареждането на Ni Cd батерии трябва да се извършва с ток от 10% (ако е необходимо, бързо зареждане в специални батерии с ток до 100% за 1 час) от техния капацитет (например 100 mA при капацитет 1000 mAh) в продължение на 14-16 часа. Най-добрият режим на тяхното разреждане е ток, равен на 20% от капацитета на батерията.

Как да възстановим Ni Cd батерията

В случай на загуба на капацитет, никел-кадмиевите захранвания могат да бъдат възстановени почти напълно, като се използва пълно разреждане (до 1 волта на клетка) и последващо зареждане в стандартен режим. Това обучение на батерии може да се повтори няколко пъти за най-пълно възстановяване на капацитета им.

Ако не е възможно да възстановите батерията чрез разреждане и зареждане, можете да опитате да ги възстановите, като приложите къси токови импулси (десетки пъти по-големи от капацитета на възстановения елемент) за няколко секунди. Този ефект елиминира вътрешната верига в клетките на батерията, която възниква поради растежа на дендритите, като ги изгаря със силен ток. Има специални индустриални активатори, които осъществяват този ефект.

Пълното възстановяване на първоначалния капацитет на такива батерии е невъзможно поради необратими промени в състава и свойствата на електролита, както и деградация на плочите, но прави възможно удължаването на живота на батерията.

Методът за възстановяване у дома е да извърши следните действия:

• проводник с напречно сечение най-малко 1,5 квадратни милиметра е свързан минус възстановената клетка с катода на мощна батерия, като кола или UPS;
• вторият проводник е здраво закрепен към анода (плюс) на една от батериите;
• за 3-4 секунди свободният край на втория проводник бързо докосва безплатния плюс терминал (с честота 2-3 контакта в секунда). В този случай е необходимо да се предотврати заваряване на проводници на кръстовището;
• с волтметър се проверява напрежението в източника, който се възстановява; при негово отсъствие се прави друг цикъл на възстановяване ;;
• когато на акумулатора се появи електромоторна сила, тя се зарежда;

Освен това можете да опитате да унищожите дендритите в батерията, като ги замразите за 2-3 часа, последвани от рязко потупване. При замразяване дендритите стават крехки и се унищожават от шок, което теоретично може да помогне да се отървете от тях.

Има по-екстремни методи за възстановяване, свързани с добавянето на дестилирана вода към стари елементи чрез пробиване на телата им. Но пълното осигуряване на стегнатостта на такива елементи в бъдеще е много проблематично. Следователно, не трябва да спестявате и излагате здравето си на риска от отравяне с кадмиеви съединения поради печалбата от няколко работни цикъла.

Съхранение и изхвърляне

По-добре е да съхранявате никел-кадмиевите батерии в разредено състояние при ниска температура на сухо място. Колкото по-ниска е температурата на съхранение на такива батерии, толкова по-малко саморазреждане имат. Висококачествените модели могат да се съхраняват до 5 години без значителни повреди на техническите характеристики. За да ги пуснете в експлоатация, достатъчно е да ги зареждате.

Вредните вещества, съдържащи се в една батерия АА, могат да замърсят около 20 квадратни метра територия. За безопасното изхвърляне на Ni Cd батерии те трябва да бъдат отведени до пунктовете за рециклиране, откъдето са изпратени до фабрики, където трябва да бъдат унищожени в специални запечатани пещи, оборудвани с филтри, които улавят токсични вещества.