Nickel-Cadmium-Batterien

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren einige der besten wiederaufladbaren chemischen Stromquellen wiederaufladbare Batterien, die mit Nickel-Cadmium-Technologie hergestellt wurden. Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Schlichtheit sind sie in verschiedenen Bereichen noch weit verbreitet.

Was ist Nickel-Cadmium-Batterie

Nickel-Cadmium-Batterien sind galvanisch wiederaufladbare Stromquellen, die 1899 in Schweden von Waldmar Jungner erfunden wurden. Aufgrund der hohen Kosten der verwendeten Metalle im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien war ihr praktischer Nutzen bis 1932 sehr begrenzt.

Die Verbesserung der Produktionstechnologie führte zu einer erheblichen Verbesserung ihrer Betriebseigenschaften und ermöglichte es 1947, eine versiegelte wartungsfreie Batterie mit hervorragenden Parametern herzustellen.

Das Funktionsprinzip und das Gerät Ni-Cd-Akku

Diese Batterien erzeugen elektrische Energie aufgrund der reversiblen Wechselwirkung von Cadmium (Cd) mit Nickeloxidhydroxid (NiOOH) und Wasser, was zur Bildung von Nickelhydroxid Ni (OH) 2 und Cadmiumhydroxid Cd (OH) 2 führt, wodurch eine elektromotorische Kraft entsteht.

Ni-Cd-Batterien sind in geschlossenen Gehäusen erhältlich, die Elektroden enthalten, die durch einen neutralen Separator getrennt sind, der Nickel und Cadmium in einer Lösung eines geleeartigen alkalischen Elektrolyten (normalerweise Kaliumhydroxid, KOH) enthält.

Die positive Elektrode ist ein Stahlgitter oder eine Folie, die mit einer Nickeloxid-Hydroxid-Paste beschichtet ist, die mit einem leitenden Material gemischt ist

Die negative Elektrode ist ein Stahlgitter (Folie) mit gepresstem porösem Cadmium.

Ein Nickel-Cadmium-Element kann eine Spannung von ungefähr 1,2 Volt liefern. Um die Spannung und die Leistung der Batterien in ihrer Konstruktion zu erhöhen, werden viele parallele Elektroden verwendet, die durch Separatoren getrennt sind.

Technische Daten und was sind Ni-Cd-Batterien

Ni-Cd-Batterien haben die folgenden Spezifikationen:

• die Entladungsspannung eines Elements beträgt etwa 0,9-1 Volt;
• Die Nennspannung des Elements beträgt 1,2 V, um Spannungen von 12 V und 24 V zu erhalten, wird eine Reihenschaltung mehrerer Elemente verwendet.
• Spannung einer vollen Ladung - 1,5-1,8 Volt;
• Arbeitstemperatur: von -50 bis +40 Grad;
• Anzahl der Lade- / Entladezyklen: von 100 bis 1000 (in den modernsten Batterien - bis zu 2000), abhängig von der verwendeten Technologie;
• Selbstentladungslevel: von 8 bis 30% im ersten Monat nach einer vollen Ladung;
• spezifischer Energieverbrauch - bis zu 65 W * Stunde / Kilogramm;
• Lebensdauer - ca. 10 Jahre.

Ni-Cd-Batterien werden in verschiedenen Gehäusen mit Standardgrößen und in nichtstandardisierter Ausführung, einschließlich hermetischer Plattenform, hergestellt.

Wo werden Nickel-Cadmium-Batterien eingesetzt?

Diese Batterien werden in Geräten verwendet, die hohe Ströme verbrauchen und in den folgenden Fällen während des Betriebs hohen Belastungen ausgesetzt sind:

• in Obussen und Straßenbahnen;
• auf Elektroautos;
• auf See- und Flusstransporten;
• in Hubschraubern und Flugzeugen;
• in Elektrowerkzeugen (Schraubendreher, Bohrer, Elektroschrauber und andere);
• elektrische Rasierapparate;
• in militärischer Ausrüstung;
• tragbare Radiosender;
• in Spielzeug im Radio;
• in den Lichtern zum Tauchen.

Aufgrund der verschärften Umweltanforderungen sind derzeit die meisten Batterien gängiger Größen (AA, AAA und andere) wird durch Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Technologien hergestellt. Viele vor einigen Jahren auf den Markt gebrachte Ni-Cd-Akkus unterschiedlicher Größe sind jedoch noch in Betrieb.

Ni-Cd-Zellen haben eine lange Lebensdauer, die manchmal 10 Jahre überschreitet, und daher ist dieser Batterietyp mit Ausnahme der oben aufgeführten in einer Vielzahl von elektronischen Geräten nach wie vor zu finden.

Vor- und Nachteile von Ni-Cd-Akkus

Dieser Batterietyp hat die folgenden positiven Eigenschaften:

• lange Lebensdauer und Anzahl der Lade-Entladezyklen;
• lange Lebensdauer und Lagerung;
• die Fähigkeit, schnell aufzuladen;
• Fähigkeit, schweren Belastungen und niedrigen Temperaturen standzuhalten;
• Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit unter widrigsten Betriebsbedingungen;
• niedrige Kosten;
• die Fähigkeit, diese Batterien in entladenem Zustand bis zu 5 Jahren zu lagern;
• mittlerer Überladewiderstand.

Gleichzeitig haben Nickel-Cadmium-Netzteile mehrere Nachteile:

• das Vorhandensein eines Memory-Effekts, der sich in einem Kapazitätsverlust beim Laden des Akkus äußert, ohne auf eine vollständige Entladung zu warten;
• die Notwendigkeit vorbeugender Arbeiten (mehrere Lade- und Entladezyklen), um die volle Kapazität zu erreichen;
• Die vollständige Wiederherstellung der Batterie nach einer längeren Lagerung erfordert drei bis vier Zyklen der vollständigen Lade- und Entladefunktion.
• große Selbstentladung (ca. 10% im ersten Lagerungsmonat), die zu einer fast vollständigen Entladung der Batterie im Lagerungsjahr führt;
• niedrige Energiedichte im Vergleich zu anderen Batterien;
• die hohe Toxizität von Cadmium, aufgrund derer sie in mehreren Ländern, einschließlich der EU, verboten sind, die Notwendigkeit, solche Batterien in Spezialgeräten zu entsorgen;
• mehr Gewicht als moderne Batterien.

Unterschied von Ni-Cd zu Li-Ion- oder Ni-Mh-Quellen

Batterien mit aktiven Komponenten, einschließlich Nickel und Cadmium, unterscheiden sich in einer Reihe von Punkten von modernen Lithiumionen- und Nickelmetallhydrid-Stromquellen:

• Anders als Ni-Cd-Elemente Li-Ion und Ni-mh Optionen haben einen Memory-Effekt, haben eine geringere spezifische Kapazität bei gleicher Größe;
• NiCd-Quellen sind unprätentiöser, halten die Leistung bei sehr niedrigen Temperaturen aufrecht und sind um ein Vielfaches widerstandsfähiger gegen Überladung und starke Entladung.
• Li-Ion- und Ni-Mh-Akkus sind teurer, haben Angst vor Überladung und starker Entladung, aber weniger Selbstentladung.
• Die Lebensdauer und Lagerung von Li-Ion-Akkus (2-3 Jahre) ist um ein Vielfaches kürzer als bei Ni-Cd-Produkten (8-10 Jahre).
• Nickel-Cadmium-Quellen verlieren schnell an Kapazität, wenn sie in einem Puffermodus (z. B. in USV) verwendet werden. Obwohl sie dann durch Tiefentladung und Aufladung vollständig wiederhergestellt werden können, ist es besser, Ni-Cd-Produkte nicht in Geräten zu verwenden, in denen sie ständig aufgeladen werden.
• Der gleiche Lademodus von Ni-Cd- und Ni-Mh-Akkus ermöglicht die Verwendung der gleichen Ladegeräte, Sie müssen jedoch berücksichtigen, dass Nickel-Cadmium-Akkus einen ausgeprägteren Memory-Effekt aufweisen.

Anhand der Unterschiede lässt sich kein eindeutiger Schluss ziehen, welche Batterien besser sind, da alle Elemente Stärken und Schwächen haben.

Nutzungsbedingungen

Während des Betriebs in Ni-Cd-Stromquellen treten eine Reihe von Änderungen auf, die zu einer allmählichen Verschlechterung der Leistung und letztendlich zu Leistungseinbußen führen:

• effektive Fläche und Masse der Elektroden nimmt ab;
• die Zusammensetzung und das Volumen des Elektrolyten ändern sich;
• Zersetzung des Abscheiders und organische Verunreinigungen;
• Wasser und Sauerstoff gehen verloren;
• Stromlecks treten aufgrund des Wachstums von Cadmiumdendriten auf den Platten auf.

Um Schäden an der Batterie zu vermeiden, die während des Betriebs und der Lagerung auftreten, müssen nachteilige Auswirkungen auf die Batterie vermieden werden, die mit den folgenden Faktoren verbunden sind:

• Das Laden einer unvollständig geladenen Batterie führt zu einem reversiblen Verlust ihrer Kapazität aufgrund einer Verringerung der Gesamtfläche des Wirkstoffs infolge der Kristallbildung.
• regelmäßige starke Wiederaufladung, die zu Überhitzung, vermehrter Gasbildung, Wasserverlust im Elektrolyten und Zerstörung der Elektroden (insbesondere der Anode) und des Separators führt;
• Unterladung, die zu einer vorzeitigen Entladung der Batterie führt;
• Langzeitbetrieb bei sehr niedrigen Temperaturen führt zu einer Veränderung der Zusammensetzung und des Volumens des Elektrolyten, der Innenwiderstand der Batterie steigt und deren Leistung verschlechtert sich, insbesondere die Kapazität nimmt ab.

Bei einem starken Druckanstieg in der Batterie infolge einer schnellen Aufladung mit hohem Strom und einem starken Abbau der Cadmiumkathode kann überschüssiger Wasserstoff in die Batterie freigesetzt werden, was zu einem starken Druckanstieg führt, der das Gehäuse deformieren kann, die Montagedichte verletzt, den Innenwiderstand erhöht und die Betriebsspannung verringert.

Bei Batterien, die mit einem Notdruckbegrenzungsventil ausgestattet sind, kann die Gefahr einer Verformung verhindert werden, irreversible Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Batterie können jedoch nicht vermieden werden.

Das Laden von Ni-Cd-Akkus muss mit einer Stromstärke von 10% (ggf. Schnellladung in Spezialakkus mit einer Stromstärke von bis zu 100% in 1 Stunde) ihrer Kapazität (z. B. 100 mA bei einer Kapazität von 1000 mAh) für 14-16 Stunden erfolgen. Der beste Entlademodus ist ein Strom, der 20% der Batteriekapazität entspricht.

Wie man Ni Cd Batterie wieder herstellt

Bei einem Kapazitätsverlust können Nickel-Cadmium-Stromversorgungen mit einer vollständigen Entladung (bis zu 1 Volt pro Zelle) und anschließendem Laden im Standardmodus fast vollständig wiederhergestellt werden. Dieses Batterietraining kann mehrmals wiederholt werden, um die volle Kapazität wiederherzustellen.

Wenn es nicht möglich ist, die Batterie durch Entladen und Laden wiederherzustellen, können Sie versuchen, sie wiederherzustellen, indem Sie sie für einige Sekunden kurzen Stromimpulsen aussetzen (die zehnmal größer sind als die Kapazität des wiederhergestellten Elements). Dieser Effekt beseitigt den internen Stromkreis in den Batteriezellen, der durch das Wachstum von Dendriten entsteht, indem diese mit einem starken Strom verbrannt werden. Es gibt spezielle industrielle Aktivatoren, die diesen Effekt bewirken.

Eine vollständige Wiederherstellung der Anfangskapazität solcher Batterien ist aufgrund irreversibler Änderungen der Zusammensetzung und der Eigenschaften des Elektrolyten sowie einer Verschlechterung der Platten nicht möglich, ermöglicht jedoch eine Verlängerung der Lebensdauer der Batterie.

Die Methode zur Wiederherstellung zu Hause besteht darin, die folgenden Aktionen auszuführen:

• Ein Draht mit einem Querschnitt von mindestens 1,5 Quadratmillimetern wird abzüglich der wiederhergestellten Zelle mit der Kathode einer leistungsstarken Batterie wie einem Auto oder einer USV verbunden.
• der zweite Draht ist sicher an der Anode (Plus) einer der Batterien befestigt;
• 3-4 Sekunden lang berührt das freie Ende des zweiten Kabels schnell den Pluspol des freien Kabels (mit einer Frequenz von 2-3 Kontakten pro Sekunde). In diesem Fall muss verhindert werden, dass Drähte an der Verbindungsstelle verschweißt werden.
• Mit einem Voltmeter wird die Spannung an der wiederherzustellenden Quelle überprüft, andernfalls wird ein weiterer Wiederherstellungszyklus durchgeführt.
• Wenn eine elektromotorische Kraft auf die Batterie einwirkt, wird sie aufgeladen.

Außerdem können Sie versuchen, die Dendriten in der Batterie zu zerstören, indem Sie sie 2-3 Stunden lang einfrieren und dann scharf auf sie klopfen. Wenn sie gefroren sind, werden Dendriten spröde und werden durch Schock zerstört, was theoretisch dazu beitragen kann, sie loszuwerden.

Es gibt extremere Rückgewinnungsmethoden, die mit dem Hinzufügen von destilliertem Wasser zu alten Elementen durch Bohren ihrer Körper verbunden sind. Die vollständige Bereitstellung der Dichtheit solcher Elemente in der Zukunft ist jedoch sehr problematisch. Daher sollten Sie Ihre Gesundheit nicht retten und dem Risiko einer Vergiftung mit Cadmiumverbindungen aussetzen, da mehrere Arbeitszyklen erforderlich sind.

Lagerung und Entsorgung

Es ist besser, Nickel-Cadmium-Batterien in entladenem Zustand bei niedriger Temperatur an einem trockenen Ort zu lagern. Je niedriger die Lagertemperatur solcher Batterien ist, desto geringer ist ihre Selbstentladung. Hochwertige Modelle können bis zu 5 Jahre gelagert werden, ohne dass die technischen Eigenschaften wesentlich beeinträchtigt werden. Um sie in Betrieb zu nehmen, reicht es aus, sie aufzuladen.

Schadstoffe, die in einer AA-Batterie enthalten sind, können etwa 20 Quadratmeter Territorium kontaminieren. Für die sichere Entsorgung von Ni-Cd-Batterien müssen diese zu Recyclingstellen gebracht werden, von wo aus sie zu Fabriken geschickt werden, wo sie in speziellen geschlossenen Öfen, die mit Filtern ausgestattet sind, die giftige Substanzen abfangen, vernichtet werden müssen.