Baterías de níquel cadmio

En la segunda mitad del siglo XX, algunas de las mejores fuentes de corriente química recargables eran baterías recargables fabricadas con tecnología de níquel-cadmio. Todavía se usan ampliamente en varios campos debido a su fiabilidad y sin pretensiones.

¿Qué es la batería de níquel cadmio?

Las baterías de níquel-cadmio son fuentes de corriente recargables galvánicas, que fueron inventadas en 1899 en Suecia por Waldmar Jungner. Hasta 1932, su uso práctico era muy limitado debido al alto costo de los metales utilizados en comparación con las baterías de plomo-ácido.

Mejorar la tecnología de su producción condujo a una mejora significativa en sus características operativas y permitió en 1947 crear una batería sellada libre de mantenimiento con excelentes parámetros.

El principio de funcionamiento y la batería del dispositivo Ni-Cd

Estas baterías producen energía eléctrica debido a la interacción reversible de cadmio (Cd) con óxido de níquel-hidróxido (NiOOH) y agua, lo que resulta en la formación de hidróxido de níquel Ni (OH) 2 e hidróxido de cadmio Cd (OH) 2, lo que provoca la aparición de una fuerza electromotriz.

Las baterías de Ni-Cd se producen en cajas cerradas que contienen electrodos separados por un separador neutro, que contiene níquel y cadmio, que están en una solución de un electrolito alcalino similar a la gelatina (generalmente hidróxido de potasio, KOH).

El electrodo positivo es una malla o lámina de acero recubierta con una pasta de óxido de níquel e hidróxido mezclada con un material conductor.

El electrodo negativo es una malla de acero (lámina) con cadmio poroso prensado.

Un elemento de níquel-cadmio es capaz de entregar un voltaje de aproximadamente 1.2 voltios, por lo tanto, para aumentar el voltaje y la potencia de las baterías en su diseño, muchos electrodos paralelos se usan separados por separadores.

Especificaciones y qué son las baterías de Ni-Cd

Las baterías de Ni-Cd tienen las siguientes especificaciones:

• el voltaje de descarga de un elemento es de aproximadamente 0.9-1 voltios;
• el voltaje nominal del elemento es 1.2 v, para obtener voltajes de 12v y 24v, se usa una conexión en serie de varios elementos;
• voltaje de una carga completa - 1.5-1.8 voltios;
• temperatura de trabajo: de -50 a +40 grados;
• número de ciclos de carga-descarga: de 100 a 1000 (en las baterías más modernas, hasta 2000), según la tecnología utilizada;
• nivel de autodescarga: del 8 al 30% en el primer mes después de una carga completa;
• consumo de energía específico: hasta 65 W * hora / kilogramo;
• Vida útil: aproximadamente 10 años.

Las baterías de Ni-Cd se producen en varios casos de tamaños estándar y en un diseño no estándar, incluido el disco, la forma hermética.

¿Dónde se usan las baterías de níquel-cadmio?

Estas baterías se usan en dispositivos que consumen altas corrientes y también experimentan altas cargas durante la operación en los siguientes casos:

• en trolebuses y tranvías;
• en autos eléctricos;
• en transporte marítimo y fluvial;
• en helicópteros y aviones;
• en herramientas eléctricas (destornilladores, taladros, destornilladores eléctricos y otros);
• máquinas de afeitar eléctricas;
• en equipo militar;
• estaciones de radio portátiles;
• en juguetes en la radio;
• en las luces para bucear.

Actualmente, debido al endurecimiento de los requisitos ambientales, la mayoría de las baterías de tamaños populares (AA, AAA y otros) es producido por hidruro de níquel-metal y tecnologías de iones de litio. Sin embargo, muchas baterías de Ni Cd de varios tamaños, lanzadas hace varios años, todavía están en funcionamiento.

Las celdas de Ni-Cd tienen una larga vida útil, que a veces supera los 10 años y, por lo tanto, este tipo de batería todavía se puede encontrar en muchos dispositivos electrónicos, excepto en los mencionados anteriormente.

Pros y contras de la batería de Ni-Cd

Este tipo de batería tiene las siguientes características positivas:

• larga vida y el número de ciclos de carga-descarga;
• larga vida útil y almacenamiento;
• la capacidad de cargar rápidamente;
• capacidad de soportar cargas pesadas y bajas temperaturas;
• mantenimiento de la operatividad en las condiciones operativas más adversas;
• bajo costo;
• la capacidad de almacenar estas baterías en estado descargado por hasta 5 años;
• resistencia media a la sobrecarga.

Al mismo tiempo, las fuentes de alimentación de níquel-cadmio tienen varias desventajas:

• la presencia de un efecto de memoria, manifestado en la pérdida de capacidad al cargar la batería, sin esperar una descarga completa;
• la necesidad de trabajo preventivo (varios ciclos de carga-descarga) para lograr la capacidad total;
• La restauración completa de la batería después del almacenamiento a largo plazo requiere de tres a cuatro ciclos de carga-descarga completa;
• gran autodescarga (alrededor del 10% en el primer mes de almacenamiento), lo que lleva a una descarga de batería casi completa durante el año de almacenamiento;
• baja densidad de energía en comparación con otras baterías;
• la alta toxicidad del cadmio, debido a que están prohibidos en varios países, incluida la UE, la necesidad de deshacerse de esas baterías en equipos especiales;
• Más peso que las baterías modernas.

Diferencia de Ni-Cd de fuentes de Li-Ion o Ni-Mh

Las baterías con componentes activos, incluidos el níquel y el cadmio, tienen varias diferencias con respecto a las fuentes de electricidad más modernas de iones de litio e hidruro de níquel-metal:

• Elementos de Ni-Cd, a diferencia de Ion de litio y Ni-mh las opciones tienen un efecto de memoria, tienen una capacidad específica más baja en el mismo tamaño;
• Las fuentes de NiCd son más sencillas, mantienen el rendimiento a temperaturas muy bajas, son muchas veces más resistentes a sobrecargas y descargas fuertes;
• Las baterías de iones de litio y Ni-Mh son más caras, temen la sobrecarga y la descarga fuerte, pero tienen menos autodescarga;
• la vida y almacenamiento de las baterías de iones de litio (2-3 años) es varias veces menor que la de los productos de Ni Cd (8-10 años);
• las fuentes de níquel-cadmio pierden capacidad rápidamente cuando se usan en modo de almacenamiento intermedio (por ejemplo, en UPS). Aunque luego pueden restaurarse por completo mediante descarga y carga profundas, es mejor no usar productos de Ni Cd en dispositivos donde se recargan constantemente;
• El mismo modo de carga de las baterías de Ni-Cd y Ni-Mh le permite usar los mismos cargadores, pero debe tener en cuenta el hecho de que las baterías de níquel-cadmio tienen un efecto de memoria más pronunciado.

Según las diferencias, es imposible llegar a una conclusión inequívoca sobre qué baterías son mejores, ya que todos los elementos tienen fortalezas y debilidades.

Términos de uso

Durante el funcionamiento en fuentes de energía de Ni Cd, se producen una serie de cambios que conducen a un deterioro gradual del rendimiento y, en última instancia, a la pérdida del rendimiento:

• el área efectiva y la masa de electrodos disminuye;
• la composición y el volumen de los cambios de electrolitos;
• descomposición del separador e impurezas orgánicas;
• se pierde agua y oxígeno;
• Las fugas actuales ocurren debido al crecimiento de dendritas de cadmio en las placas.

Para minimizar el daño a la batería que ocurre durante su operación y almacenamiento, es necesario evitar los efectos adversos en la batería, que están asociados con los siguientes factores:

• la carga de una batería con carga incompleta conduce a una pérdida reversible de su capacidad debido a una disminución en el área total de la sustancia activa como resultado de la formación de cristales;
• Recarga fuerte regular, que conduce al sobrecalentamiento, aumento de la formación de gas, pérdida de agua en el electrolito y destruye los electrodos (especialmente el ánodo) y el separador;
• carga insuficiente, lo que lleva al agotamiento prematuro de la batería;
• El funcionamiento a largo plazo a temperaturas muy bajas conduce a un cambio en la composición y el volumen del electrolito, la resistencia interna de la batería aumenta y su rendimiento se deteriora, en particular, la capacidad disminuye.

Con un fuerte aumento de la presión dentro de la batería como resultado de una carga rápida con una gran corriente y una fuerte degradación del cátodo de cadmio, se puede liberar exceso de hidrógeno en la batería, lo que conduce a un fuerte aumento de la presión, que puede deformar la carcasa, viola la densidad del conjunto, aumenta la resistencia interna y reduce el voltaje de funcionamiento.

En las baterías equipadas con una válvula de alivio de presión de emergencia, se puede evitar el riesgo de deformación, pero no se pueden evitar cambios irreversibles en la composición química de la batería.

La carga de baterías de Ni Cd debe realizarse con una corriente del 10% (si es necesario, una carga rápida en baterías especiales con una corriente de hasta el 100% por 1 hora) de su capacidad (por ejemplo, 100 mA a una capacidad de 1000 mAh) durante 14-16 horas. El mejor modo de descarga es una corriente equivalente al 20% de la capacidad de la batería.

Cómo recuperar la batería de Ni Cd

En caso de pérdida de capacidad, las fuentes de alimentación de níquel-cadmio se pueden restaurar casi por completo utilizando una descarga completa (hasta 1 voltio por celda) y una carga posterior en modo estándar. Este entrenamiento de baterías puede repetirse varias veces para la restauración más completa de su capacidad.

Si no es posible restaurar la batería mediante descarga y carga, puede intentar restaurarlas aplicando pulsos de corriente cortos (decenas de veces más grandes que la capacidad del elemento restaurado) durante varios segundos. Este efecto elimina el circuito interno en las celdas de la batería que ocurre debido al crecimiento de las dendritas al quemarlas con una corriente fuerte. Hay activadores industriales especiales que llevan a cabo este efecto.

La restauración completa de la capacidad inicial de tales baterías es imposible debido a cambios irreversibles en la composición y propiedades del electrolito, así como a la degradación de las placas, pero hace posible extender la vida útil de la batería.

El método de recuperación en el hogar es llevar a cabo las siguientes acciones:

• se conecta un cable con una sección transversal de al menos 1,5 milímetros cuadrados menos la celda restaurada con el cátodo de una batería potente, como un automóvil o UPS;
• el segundo cable está bien sujeto al ánodo (más) de una de las baterías;
• durante 3-4 segundos, el extremo libre del segundo cable toca rápidamente el terminal libre más (con una frecuencia de 2-3 contactos por segundo). En este caso, es necesario evitar la soldadura de cables en la unión;
• con un voltímetro, se verifica el voltaje en la fuente que se está restaurando; en su ausencia, se realiza otro ciclo de recuperación;
• cuando aparece una fuerza electromotriz en la batería, se carga;

Además, puede intentar destruir las dendritas en la batería congelándolas durante 2-3 horas, seguido de un golpe seco. Cuando se congelan, las dendritas se vuelven frágiles y son destruidas por el shock, lo que teóricamente puede ayudar a deshacerse de ellas.

Existen métodos de recuperación más extremos asociados con la adición de agua destilada a elementos antiguos mediante la perforación de sus cuerpos. Pero la provisión completa de la rigidez de tales elementos en el futuro es muy problemática. Por lo tanto, no debe guardar y exponer su salud al riesgo de envenenamiento con compuestos de cadmio debido a la ganancia de varios ciclos de trabajo.

Almacenamiento y eliminación

Es mejor almacenar las baterías de níquel cadmio en estado descargado a baja temperatura en un lugar seco. Cuanto más baja es la temperatura de almacenamiento de tales baterías, menos autodescarga tienen. Los modelos de alta calidad se pueden almacenar hasta por 5 años sin dañar significativamente las características técnicas. Para comisionarlos, es suficiente cobrarles.

Las sustancias nocivas contenidas en una batería AA pueden contaminar unos 20 metros cuadrados de territorio. Para la eliminación segura de las baterías de Ni Cd, deben llevarse a puntos de reciclaje, desde donde se envían a las fábricas, donde deben destruirse en hornos especiales sellados equipados con filtros que capturan sustancias tóxicas.