Bateries de níquel cadmi

A la segona meitat del segle XX, algunes de les millors fonts de corrent químic recarregables eren bateries recarregables fabricades amb tecnologia de níquel-cadmi. Es continuen utilitzant àmpliament en diversos camps per la seva fiabilitat i sense pretenció.

Què és la bateria de níquel cadmi

Les bateries de níquel-cadmi són fonts de recàrrega galvànica, que van ser inventades el 1899 a Suècia per Waldmar Jungner. Fins al 1932, el seu ús pràctic era molt limitat a causa de l’elevat cost dels metalls utilitzats en comparació amb les bateries de plom-àcid.

La millora de la tecnologia de la seva producció va comportar una millora significativa de les seves característiques operatives i va permetre, el 1947, crear una bateria sense manteniment segellada amb paràmetres excel·lents.

El principi de funcionament i el dispositiu de bateria Ni-Cd

Aquestes bateries produeixen energia elèctrica a causa de la interacció reversible del cadmi (Cd) amb l’òxid de níquel-hidròxid (NiOOH) i l’aigua, donant lloc a la formació d’hidròxid de níquel Ni (OH) 2 i hidròxid de cadmi Cd (OH) 2, que provoca l’aparició d’una força electromotriu.

Les bateries Ni-Cd es produeixen en tancaments tancats que contenen elèctrodes separats per un separador neutre, que conté níquel i cadmi, que es troben en una solució d’un electròlit alcalí similar a la gelea (generalment hidròxid de potassi, KOH).

L’elèctrode positiu és una malla o paper d’acer recobert amb una pasta d’òxid de níquel-hidròxid barrejat amb un material conductor

L'elèctrode negatiu és una malla d'acer (làmina) amb cadmi porós premsat.

Un element de níquel-cadmi és capaç de subministrar un voltatge d’uns 1,2 volts, per tant, per augmentar el voltatge i la potència de les bateries en el seu disseny, s’utilitzen molts elèctrodes paral·lels separats per separators.

Especificacions i què són les bateries Ni-Cd

Les bateries Ni-Cd tenen les següents especificacions:

• la tensió de descàrrega d’un element és d’uns 0,9-1 volts;
• el voltatge nominal de l’element és d’1,2 v, per obtenir tensions de 12v i 24v, s’utilitza una connexió en sèrie de diversos elements;
• tensió de càrrega completa: 1,5-1,8 volts;
• temperatura de treball: de -50 a +40 graus;
• nombre de cicles de descàrrega de càrrega: de 100 a 1000 (a les bateries més modernes - fins a 2000), segons la tecnologia emprada;
• nivell d’autocàrrega: del 8 al 30% el primer mes després d’un càrrec complet;
• consum específic d’energia: fins a 65 W * hora / quilogram;
• vida útil - aproximadament 10 anys.

Les bateries Ni-Cd es produeixen en diversos casos de mides estàndard i en disseny no estàndard, incloent-hi forma hermètica de disc.

On s’utilitzen les bateries de níquel-cadmi?

Aquestes bateries s’utilitzen en dispositius que consumeixen corrents elevats i també experimenten càrregues elevades durant el funcionament en els casos següents:

• en troleibusos i tramvies;
• en cotxes elèctrics;
• en transport marítim i fluvial;
• en helicòpters i avions;
• en eines elèctriques (tornavisos, broques, tornavisos elèctrics i altres);
• màquines d'afaitar elèctriques;
• en equipament militar;
• estacions de ràdio portàtils;
• en joguines a la ràdio;
• a les llums per bussejar.

Actualment, a causa d’un enduriment dels requisits mediambientals, la majoria de bateries de mides populars (AA, AAA i d'altres) està produït per tecnologies d'hidrur de níquel-metall i ions de liti. Tot i això, encara hi ha moltes bateries Ni Cd de diverses mides, llançades fa diversos anys.

Les cèl·lules Ni-Cd tenen una llarga vida útil, que de vegades supera els 10 anys, i per tant, encara es pot trobar aquest tipus de bateries en diversos dispositius electrònics, tret dels que es mencionen anteriorment.

Pros i contres de la bateria Ni-Cd

Aquest tipus de bateria presenta les següents característiques positives:

• llarga vida útil i el nombre de cicles de descàrrega;
• llarga vida útil i emmagatzematge;
• la capacitat de cobrar ràpidament;
• capacitat de suportar grans càrregues i baixes temperatures;
• mantenir l'operativitat en les condicions operatives més adverses;
• baix cost;
• la capacitat d’emmagatzemar aquestes bateries en condicions descarregades fins a 5 anys;
• resistència de sobrecàrrega mitjana.

Al mateix temps, les fonts d'alimentació de níquel-cadmi presenten diversos inconvenients:

• la presència d’un efecte de memòria, que es manifesta en la pèrdua de capacitat en carregar la bateria, sense esperar una descàrrega completa;
• la necessitat de treballs preventius (diversos cicles de descàrrega) per assolir la plena capacitat;
• la restauració completa de la bateria després de l'emmagatzematge a llarg termini requereix de tres a quatre cicles de descàrrega completa;
• gran descàrrega (aproximadament un 10% el primer mes d’emmagatzematge), cosa que comporta una descàrrega gairebé completa de la bateria durant l’any d’emmagatzematge;
• densitat energètica baixa en comparació amb altres bateries;
• l’elevada toxicitat del cadmi, a causa de la qual estan prohibits en diversos països, inclosa la UE, la necessitat de disposar d’aquestes bateries en equips especials;
• més pes que les bateries modernes

Diferència de Ni-Cd de fonts de Li-Ion o Ni-Mh

Les bateries amb components actius, com ara níquel i cadmi, presenten diverses diferències respecte a les fonts d’electricitat d’ions de liti i níquel-metall més moderns:

• Elements Ni-Cd, a diferència Li-ion i Ni-mh les opcions tenen un efecte de memòria, tenen una capacitat específica inferior a la mateixa mida;
• Les fonts de NiCd són més sense pretensions, mantenen el rendiment a temperatures molt baixes, són moltes vegades més resistents a la sobrecàrrega i a la descàrrega forta;
• Les bateries de Li-Ion i Ni-Mh són més cares, tenen por de sobrecàrregues i descàrregues fortes, però tenen menys autocàrrega;
• la vida i l’emmagatzematge de les bateries de Li-Ion (2-3 anys) és diverses vegades més curta que els productes Ni Cd (8-10 anys);
• Les fonts de níquel-cadmi perden ràpidament capacitat quan s’utilitzen en mode tampó (per exemple, en SAI). Tot i que després es poden restaurar completament amb descàrregues i càrregues profundes, és millor no utilitzar productes Ni Cd en dispositius on es recarreguen constantment;
• el mateix mode de càrrega de les bateries Ni-Cd i Ni-Mh permet utilitzar els mateixos carregadors, però cal tenir en compte que les bateries de níquel-cadmi tenen un efecte de memòria més pronunciat.

A partir de les diferències existents, és impossible treure una conclusió inequívoca sobre quines bateries són millors, ja que tots els elements presenten punts forts i febles.

Condicions d’ús

Durant l'operació en fonts d'energia de Ni Cd, es produeixen diversos canvis que condueixen a un deteriorament gradual del rendiment i, en definitiva, a una pèrdua de rendiment:

• disminueix l’àrea efectiva i la massa d’elèctrodes;
• la composició i el volum de l’electròlit canvia;
• descomposició del separador i de les impureses orgàniques;
• l'aigua i l'oxigen es perden;
• Les fuites actuals es produeixen a causa del creixement de dendrites de cadmi a les plaques.

Per tal de minimitzar els danys a la bateria que es produeixen durant la seva operació i emmagatzematge, cal evitar efectes adversos sobre la bateria, que s’associen als següents factors:

• la càrrega d’una bateria incompletament carregada comporta una pèrdua reversible de la seva capacitat a causa d’una disminució de l’àrea total de la substància activa com a resultat de la formació de cristalls;
• recàrrega forta i regular, que condueix a un sobreescalfament, augment de la formació de gasos, pèrdua d’aigua a l’electròlit i destrueix els elèctrodes (especialment l’ànode) i el separador;
• subcàrrega, provocant un esgotament prematur de la bateria;
• El funcionament a llarg termini a temperatures molt baixes comporta un canvi en la composició i el volum de l'electròlit, la resistència interna de la bateria augmenta i el seu rendiment es deteriora, en particular, la capacitat disminueix.

Amb un fort augment de la pressió dins de la bateria com a resultat d’una càrrega ràpida amb un gran corrent i una forta degradació del càtode de cadmi, es pot alliberar l’excés d’hidrogen a la bateria, cosa que comporta un fort augment de la pressió, que pot deformar el cas, viola la densitat del conjunt, augmenta la resistència interna i redueix la tensió de funcionament.

A les bateries equipades amb una vàlvula d’alleujament de pressió d’emergència es pot evitar el risc de deformació, però no es poden evitar canvis irreversibles en la composició química de la pila.

Les bateries de Ni Cd de càrrega s’han de realitzar amb un corrent del 10% (si cal, una càrrega ràpida en bateries especials amb un corrent de fins al 100% per 1 hora) de la seva capacitat (per exemple, 100 mA amb una capacitat de 1000 mAh) durant 14-16 hores. El millor mode de descàrrega és un corrent igual al 20% de la capacitat de la bateria.

Com recuperar la bateria Ni Cd

En cas de pèrdua de capacitat, les fonts d’alimentació de níquel-cadmi es poden restablir gairebé completament mitjançant una descàrrega completa (fins a 1 vol per cel·la) i posterior càrrega en mode estàndard. Aquest entrenament de bateries es pot repetir diverses vegades per a la restauració més completa de la seva capacitat.

Si no és possible restaurar la bateria mitjançant descàrrega i càrrega, podeu intentar restaurar-les aplicant polsos de corrent curt (desenes de vegades més grans que la capacitat de l’element restaurat) durant diversos segons. Aquest efecte elimina el circuit intern de les cèl·lules de la bateria que es produeix a causa del creixement de dendrites cremant-les amb un fort corrent. Hi ha activadors industrials especials que duen a terme aquest efecte.

La restauració completa de la capacitat inicial d’aquestes bateries és impossible a causa dels canvis irreversibles de la composició i propietats de l’electròlit, així com a la degradació de les plaques, però fa possible allargar la vida útil de la pila.

El mètode de recuperació a casa és dur a terme les accions següents:

• es connecta un filferro amb secció d’almenys 1,5 mil·límetres quadrats menys la cel·la restaurada amb el càtode d’una bateria potent, com ara un cotxe o un SAI;
• el segon fil està ben fixat a l’ànode (més) d’una de les bateries;
• durant 3-4 segons, l'extrem lliure del segon fil toca ràpidament el terminal més lliure (amb una freqüència de 2-3 contactes per segon). En aquest cas, cal evitar la soldadura de cables a la unió;
• amb un voltímetre, es comprova la tensió a la font que s'està restablint; en el seu defecte, es fa un altre cicle de recuperació ;;
• quan apareix una força electromotriu a la bateria, es posa a càrrec;

A més, podeu intentar destruir les dendrites a la bateria congelant-les durant 2-3 hores, seguides d’un fort toc. Quan es congelen, les dendrites es trenquen i es destrueixen pel xoc, que teòricament pot ajudar a desfer-se’n.

Hi ha mètodes de recuperació més extrems associats a l’afegit d’aigua destil·lada a elements antics perforant el seu cos. Però, en un futur, la previsió completa de la seguretat de tals elements és molt problemàtica. Per tant, no heu d’estalviar i exposar la vostra salut al risc d’intoxicar-se amb compostos de cadmi a causa del guany de diversos cicles de treball.

Emmagatzematge i eliminació

És millor guardar les bateries de níquel cadmi en estat descarregat a baixa temperatura en un lloc sec. Com més baixa sigui la temperatura d’emmagatzematge d’aquestes bateries, menys autocàrrega tenen. Els models d'alta qualitat es poden emmagatzemar fins a 5 anys sense dany significatiu en les característiques tècniques. Per posar-les en funcionament, n’hi ha prou amb carregar-les.

Les substàncies nocives que contenen una bateria AA poden contaminar uns 20 metres quadrats de territori. Per a l’eliminació segura de les bateries de Ni Cd, s’han de portar a punts de reciclatge, des d’on s’envien a fàbriques, on s’han de destruir en forns tancats especials equipats amb filtres que capturen substàncies tòxiques.