Ve druhé polovině dvacátého století byl jedním z nejlepších dobíjecích zdrojů chemického proudu dobíjecí baterie vyrobené pomocí nikl-kadmiové technologie. Jsou stále široce používány v různých oborech kvůli své spolehlivosti a nenáročnosti.
Obsah
Co je to nikl kadmiová baterie
Nikl-kadmiové baterie jsou galvanické dobíjecí zdroje proudu, které vynalezl v roce 1899 ve Švédsku Waldmar Jungner. Až do roku 1932 bylo jejich praktické použití velmi omezené kvůli vysokým nákladům na použité kovy ve srovnání s olověnými bateriemi.
Zlepšení technologie jejich výroby vedlo k významnému zlepšení jejich provozních charakteristik a umožnilo v roce 1947 vytvořit uzavřenou bezúdržbovou baterii s vynikajícími parametry.
Princip činnosti a zařízení Ni-Cd baterie
Tyto baterie produkují elektrickou energii v důsledku reverzibilní interakce kadmia (Cd) s hydroxidem nikelnatým (NiOOH) a vodou, což vede k tvorbě hydroxidu nikelnatého Ni (OH) 2 a hydroxidu kadmia Cd (OH) 2, což způsobuje vznik elektromotorické síly.
Ni-Cd baterie jsou k dispozici v uzavřených skříních, které obsahují elektrody oddělené neutrálním separátorem obsahujícím nikl a kadmium v roztoku želé-podobného alkalického elektrolytu (obvykle hydroxid draselný, KOH).
Pozitivní elektroda je ocelová síťovina nebo fólie potažená pastou z oxidu nikelnatého smísenou s vodivým materiálem
Negativní elektrodou je ocelová síť (fólie) s lisovaným porézním kadmiem.
Jeden prvek z niklu a kadmia je schopen dodávat napětí asi 1,2 V, takže ke zvýšení napětí a výkonu baterií v jejich konstrukci se používá mnoho paralelních elektrod, které jsou odděleny separátory.
Specifikace a co jsou Ni-Cd baterie
Ni-Cd baterie mají následující specifikace:
- vybíjecí napětí jednoho prvku je asi 0,9-1 voltů;
- jmenovité napětí prvku je 1,2 V, pro získání napětí 12 V a 24 V se používá sériové připojení několika prvků;
- napětí při plném nabití - 1,5 - 1,8 V;
- pracovní teplota: od -50 do +40 stupňů;
- počet cyklů nabití-vybití: od 100 do 1000 (v nejmodernějších bateriích - až do 2000), v závislosti na použité technologii;
- úroveň samovybíjení: od 8 do 30% v prvním měsíci po úplném nabití;
- měrná spotřeba energie - až 65 W * hodina / kilogram;
- životnost - asi 10 let.
Ni-Cd baterie se vyrábějí v různých případech standardních velikostí a nestandardních provedeních, včetně diskových, hermetických.
Kde se používají nikl-kadmiové baterie?
Tyto baterie se používají v zařízeních, která spotřebovávají vysoké proudy, a během provozu také vykazují vysoké zatížení v následujících případech:
- na trolejbusech a tramvajích;
- na elektromobily;
- námořní a říční dopravu;
- v helikoptérách a letadlech;
- v elektrickém nářadí (šroubováky, vrtačky, elektrické šroubováky a další);
- elektrické holicí strojky;
- ve vojenské výzbroji;
- přenosné rozhlasové stanice;
- v hračkách v rádiu;
- ve světlech pro potápění.
V současné době je kvůli zpřísnění požadavků na životní prostředí většina baterií populárních velikostí (AA, AAA a další) se vyrábí hydridy niklu a kovů a lithium-iontovými technologiemi. Mnoho NiCd baterií různých velikostí, vydaných před několika lety, je však stále v provozu.
Ni-Cd články mají dlouhou životnost, která někdy přesahuje 10 let, a proto tento typ baterie lze stále nalézt v různých elektronických zařízeních, s výjimkou výše uvedených.
Výhody a nevýhody Ni-Cd baterie
Tento typ baterie má následující pozitivní vlastnosti:
- dlouhá životnost a počet cyklů vybíjení a vybití;
- dlouhá životnost a skladování;
- schopnost rychle se nabít;
- schopnost odolat těžkým břemenům a nízkým teplotám;
- udržování funkčnosti za nejnepříznivějších provozních podmínek;
- nízké náklady;
- schopnost skladovat tyto baterie ve vybitém stavu až 5 let;
- střední odolnost proti přebití.
Současně mají zdroje niklu a kadmia několik nevýhod:
- přítomnost paměťového efektu, projevujícího se ztrátou kapacity při nabíjení baterie, bez čekání na úplné vybití;
- potřeba preventivní práce (několik cyklů vybíjení a vybití) pro celou kapacitu;
- úplná obnova baterie po dlouhodobém skladování vyžaduje tři až čtyři cykly úplného vybití;
- velké samovybíjení (asi 10% v prvním měsíci skladování), což vede k téměř úplnému vybití baterie během roku skladování;
- nízká hustota energie ve srovnání s jinými bateriemi;
- vysoká toxicita kadmia, kvůli které je v řadě zemí, včetně EU, zakázána, nutnost likvidace těchto baterií na zvláštních zařízeních;
- větší váhu než moderní baterie.
Rozdíl Ni-Cd ze zdrojů Li-Ion nebo Ni-Mh
Baterie s aktivními složkami, včetně niklu a kadmia, mají řadu odlišností od modernějších lithium-iontových a nikl-metal hydridových zdrojů elektřiny:
- Na rozdíl od prvků Ni-Cd Li-ion a Ni-mh možnosti mají paměťový efekt, mají nižší specifickou kapacitu ve stejné velikosti;
- Zdroje NiCd jsou nenáročné, udržují výkon při velmi nízkých teplotách, jsou mnohokrát odolnější vůči přebití a silnému vybití;
- Li-Ion a Ni-Mh baterie jsou dražší, bojí se přebíjení a silného vybití, ale mají méně samovybíjení;
- životnost a skladování Li-Ion baterií (2-3 roky) je několikrát kratší než u produktů Ni Cd (8-10 let);
- zdroje niklu-kadmia rychle ztratí kapacitu, když jsou použity v režimu vyrovnávací paměti (například v UPS). Ačkoli je lze poté zcela obnovit pomocí hlubokého vybití a nabíjení, je lepší nepoužívat produkty Ni Cd v zařízeních, kde jsou neustále nabíjeny;
- stejný režim nabíjení Ni-Cd a Ni-Mh baterií vám umožní používat stejné nabíječky, ale musíte vzít v úvahu skutečnost, že nikl-kadmiové baterie mají výraznější paměťový efekt.
Na základě těchto rozdílů nelze vyvodit jednoznačný závěr o tom, které baterie jsou lepší, protože všechny prvky mají silné a slabé stránky.
Podmínky použití
Během provozu ve zdrojích Ni Cd dochází k řadě změn, které vedou k postupnému zhoršování výkonu a v konečném důsledku ke ztrátě výkonu:
- efektivní plocha a hmotnost elektrod klesá;
- složení a objem elektrolytu se mění;
- rozklad separátoru a organických nečistot;
- voda a kyslík jsou ztraceny;
- K netěsnostem dochází v důsledku růstu dendritů kadmia na deskách.
Aby se minimalizovalo poškození baterie, ke kterému dochází během provozu a skladování, je nutné se vyhnout nepříznivým účinkům na baterii, které jsou spojeny s následujícími faktory:
- nabíjení neúplně nabité baterie vede k reverzibilní ztrátě její kapacity v důsledku snížení celkové plochy účinné látky v důsledku tvorby krystalů;
- pravidelné silné nabíjení, které vede k přehřátí, zvýšené tvorbě plynu, ztrátě vody v elektrolytu a ničí elektrody (zejména anodu) a separátor;
- nedostatečné nabití, což vede k předčasnému vybití baterie;
- dlouhodobý provoz při velmi nízkých teplotách vede ke změně složení a objemu elektrolytu, zvyšuje se vnitřní odpor baterie a zhoršuje se její výkon, zejména se snižuje kapacita.
Při silném zvýšení tlaku uvnitř baterie v důsledku rychlého nabíjení s velkým proudem a silné degradaci katody kadmia může dojít k uvolnění přebytečného vodíku do baterie, což vede k prudkému nárůstu tlaku, který může deformovat pouzdro, narušuje montážní hustotu, zvyšuje vnitřní odpor a snižuje provozní napětí.
U baterií vybavených nouzovým přetlakovým ventilem lze zabránit riziku deformace, nelze však zabránit nevratným změnám chemického složení baterie.
Nabíjení Ni Cd baterií musí být prováděno proudem 10% (pokud je to nutné, rychlé nabíjení ve speciálních bateriích s proudem až 100% za 1 hodinu) jejich kapacity (například 100 mA při kapacitě 1000 mAh) po dobu 14-16 hodin. Nejlepší režim jejich vybití je proud rovnající se 20% kapacity baterie.
Jak obnovit NiCd baterii
V případě ztráty kapacity lze zdroje niklu a kadmia téměř úplně obnovit pomocí plného vybití (až 1 volt na buňku) a následného nabíjení ve standardním režimu. Toto školení baterií může být několikrát opakováno, aby bylo dosaženo úplné obnovy jejich kapacity.
Pokud není možné baterii obnovit vybitím a dobitím, můžete se pokusit je obnovit tak, že na několik sekund použijete krátké proudové impulzy (desetkrát větší než kapacita obnoveného prvku). Tento efekt eliminuje vnitřní obvod v bateriových článcích, ke kterému dochází v důsledku růstu dendritů jejich spálením silným proudem. Tento účinek provádějí speciální průmyslové aktivátory.
Úplné obnovení počáteční kapacity takových baterií je nemožné díky nezvratným změnám ve složení a vlastnostech elektrolytu, jakož i degradaci destiček, ale umožňuje prodloužit životnost baterie.
Metoda zotavení doma je provést následující akce:
- vodič s průřezem alespoň 1,5 čtverečních milimetrů je připojen mínus obnovená buňka s katodou výkonné baterie, jako je auto nebo UPS;
- druhý vodič je bezpečně připojen k anodě (plus) jedné z baterií;
- po dobu 3-4 sekund se volný konec druhého drátu rychle dotkne terminálu free plus (s frekvencí 2-3 kontakty za sekundu). V tomto případě je nutné zabránit svařování vodičů na křižovatce;
- pomocí voltmetru se kontroluje napětí na obnovovaném zdroji, v jeho nepřítomnosti se provádí další regenerační cyklus;
- když se na baterii objeví elektromotorická síla, je nabita;
Kromě toho se můžete pokusit zničit dendrity v baterii zmrazením na 2-3 hodiny a následným ostrým klepnutím. Když zamrzlé, dendrity stanou se křehké a jsou zničeny šokem, který teoreticky může pomoci se jich zbavit.
S přidáním destilované vody ke starým prvkům vyvrtáním jejich těl existují extrémnější metody regenerace. Úplné zajištění těsnosti těchto prvků v budoucnosti je však velmi problematické. Proto byste neměli ukládat a vystavovat své zdraví riziku otravy sloučeninami kadmia v důsledku získání několika pracovních cyklů.
Skladování a likvidace
Je lepší skladovat nikl kadmiové baterie ve vybitém stavu při nízké teplotě na suchém místě. Čím nižší je skladovací teplota takových baterií, tím méně samovybíjení mají. Vysoce kvalitní modely lze skladovat až 5 let bez výrazného poškození technických vlastností. K jejich uvedení do provozu stačí nabít.
Škodlivé látky obsažené v jedné baterii AA mohou znečišťovat asi 20 metrů čtverečních území. Pro bezpečnou likvidaci NiCd baterií musí být odebrány do recyklačních míst, odkud jsou posílány do továren, kde musí být zničeny ve speciálních uzavřených pecích vybavených filtry, které zachycují toxické látky.
