Nikkeli-kadmium-paristot

1900-luvun jälkipuoliskolla eräät parhaista ladattavista kemiallisista virranlähteistä olivat nikkel-kadmium-tekniikalla valmistettuja ladattavia akkuja. Niitä käytetään edelleen laajalti eri aloilla niiden luotettavuuden ja vaatimattomuuden vuoksi.

Mikä on nikkeli-kadmium-akku

Nikkeli-kadmium-akut ovat galvaanisia ladattavia virtalähteitä, jotka Waldmar Jungner keksi vuonna 1899 Ruotsissa. Vuoteen 1932 asti niiden käytännöllinen käyttö oli hyvin rajallista johtuen käytettyjen metallien korkeista kustannuksista verrattuna lyijyakkuihin.

Tuotantoteknologian parantaminen johti niiden toimintaominaisuuksien parantumiseen merkittävästi ja antoi vuonna 1947 mahdollisuuden luoda suljettu huoltovapaa akku, jolla oli erinomaiset parametrit.

Toimintaperiaate ja laitteen Ni-Cd-akku

Nämä paristot tuottavat sähköenergiaa kadmiumin (Cd) palautuvasta vuorovaikutuksesta nikkelioksidi-hydroksidin (NiOOH) ja veden kanssa, mikä johtaa nikkelihydroksidin Ni (OH) 2 ja kadmiumhydroksidin Cd (OH) 2 muodostumiseen, mikä aiheuttaa sähkömoottorin voiman.

Ni-Cd-paristoja valmistetaan suljetuissa tapauksissa, joissa on elektroneja, jotka on erotettu neutraalilla erottimella, ja jotka sisältävät nikkeliä ja kadmiumia, ja ne ovat hyytelömäisen alkalisen elektrolyytin (yleensä kaliumhydroksidin, KOH) liuoksessa.

Positiivinen elektrodi on teräsverkko tai folio, joka on päällystetty nikkelioksidi-hydroksidipastalla sekoitettuna johtavan materiaalin kanssa

Negatiivinen elektrodi on teräsverkko (folio), jossa on puristettu huokoinen kadmium.

Yksi nikkeli-kadmium-elementti kykenee tuottamaan noin 1,2 voltin jännitteen, joten paristojen jännitteen ja tehon lisäämiseksi niiden suunnittelussa käytetään monia rinnakkaisia ​​elektrodeja, erotettuna erottimilla.

Tekniset tiedot ja mitkä ovat Ni-Cd-akut

Ni-Cd-akkuilla on seuraavat vaatimukset:

• yhden elementin purkausjännite on noin 0,9-1 volttia;
• elementin nimellisjännite on 1,2 v, jännitteiden 12v ja 24v saamiseksi käytetään useiden elementtien sarjakytkentää;
• täyden latauksen jännite - 1,5-1,8 volttia;
• työlämpötila: -50 - +40 astetta;
• lataus- ja purkaussyklien lukumäärä: 100 - 1000 (nykyaikaisimmissa akkuissa - jopa 2000) käytetystä tekniikasta riippuen;
• omavaraisuusaste: 8–30% ensimmäisen kuukauden aikana täyden latauksen jälkeen;
• ominaisenergiankulutus - jopa 65 W * tunti / kilo;
• käyttöikä - noin 10 vuotta.

Ni-Cd-paristoja valmistetaan useissa tapauksissa vakiokokoisia ja epästandardisissa malleissa, mukaan lukien levy, hermeettisessa muodossa.

Missä käytetään nikkeli-kadmium-akkuja?

Näitä akkuja käytetään laitteissa, jotka kuluttavat suuria virroja, ja ne kärsivät myös suurista kuormista käytön aikana seuraavissa tapauksissa:

• vaunuissa ja raitiovaunuissa;
• sähköautoissa;
• meri- ja jokiliikenteessä;
• helikoptereissa ja lentokoneissa;
• sähkötyökaluissa (ruuvimeisselit, porat, sähköruuvitaltat ja muut);
• sähkökäyttöiset parranajokoneet;
• sotilasvälineissä;
• kannettavat radioasemat;
• leluissa radiossa;
• sukelluksen valoissa.

Ympäristövaatimusten tiukentamisen vuoksi suurin osa suosituimmista akuista (AA, AAA ja muut) tuotetaan nikkelimetallihydridi- ja litiumionitekniikoilla. Monet erikokoiset Ni Cd -akut, jotka on julkaistu useita vuosia sitten, ovat kuitenkin edelleen toiminnassa.

Ni-Cd-kennoilla on pitkä käyttöikä, joka joskus ylittää 10 vuotta, ja siksi tämän tyyppisiä akkuja voi silti löytää monista elektronisista laitteista, lukuun ottamatta edellä lueteltuja.

Hyödyt ja haitat Ni-Cd-akusta

Tämän tyyppisellä akulla on seuraavat positiiviset ominaisuudet:

• pitkä käyttöikä ja varauksen purkausjaksojen lukumäärä;
• pitkä käyttöikä ja varastointi;
• kyky ladata nopeasti;
• kyky kestää raskaita kuormia ja matalia lämpötiloja;
• ylläpidetään toimivuus kaikkein epäsuotuisimmissa käyttöolosuhteissa;
• alhaiset kustannukset;
• kyky säilyttää nämä paristot tyhjentyneessä tilassa jopa viisi vuotta;
• keskinkertainen ylikuormituskestävyys.

Samanaikaisesti nikkeli-kadmium-teholähteillä on useita haittoja:

• muistivaikutuksen esiintyminen, joka ilmenee kapasiteetin menetyksenä akkua lataamalla odottamatta täydellistä purkautumista;
• ennaltaehkäisevän työn tarve (useita lataus- ja purkausjaksoja) koko kapasiteettia varten;
• akun täydellinen palauttaminen pitkäaikaisen varastoinnin jälkeen vaatii kolme tai neljä täyden latauksen purkujaksoa;
• suuri itsepurkautuminen (noin 10% ensimmäisen varastointikuukauden aikana), mikä johtaa akun lähes täyteen purkautumiseen varastovuoden aikana;
• matala energiatiheys verrattuna muihin akkuihin;
• kadmiumin korkea myrkyllisyys, jonka takia ne on kielletty useissa maissa, myös EU: ssa, tarve hävittää nämä paristot erityislaitteissa;
• enemmän painoa kuin nykyaikaiset akut.

Ni-Cd: n ero Li-Ion- tai Ni-Mh-lähteistä

Paristoissa, joissa on aktiivisia komponentteja, kuten nikkeli ja kadmium, on useita eroja nykyaikaisemmista litium-ioni- ja nikkelimetallihydridilähteistä:

• Ni-Cd-elementit, toisin kuin Li-Ion- ja Ni-MH vaihtoehdoilla on muistivaikutus, niillä on pienempi ominaiskapasiteetti samassa koossa;
• NiCd-lähteet ovat vaatimattomampia, ylläpitävät suorituskykyä erittäin alhaisissa lämpötiloissa, ovat monta kertaa kestävämpiä ylilatauksen ja voimakkaan purkautumisen suhteen;
• Li-ion- ja Ni-Mh-akut ovat kalliimpia, pelkäävät ylikuormitusta ja voimakasta purkautumista, mutta niissä on vähemmän itsepurkautumista;
• Li-Ion-paristojen käyttöikä ja varastointi (2–3 vuotta) on useita kertoja lyhyempi kuin Ni Cd -tuotteiden (8–10 vuotta);
• nikkeli-kadmium-lähteet menettävät kapasiteettinsa nopeasti, kun niitä käytetään puskuritilassa (esimerkiksi UPS: ssä). Vaikka Ni voidaan sitten palauttaa kokonaan syväpurkauksella ja latauksella, on parempi olla käyttämättä Ni Cd -tuotteita laitteissa, joissa niitä ladataan jatkuvasti;
• sama Ni-Cd- ja Ni-Mh-akkujen lataustila antaa sinun käyttää samoja latureita, mutta sinun on otettava huomioon se seikka, että nikkeli-kadmium-akkuilla on selkeämpi muistivaikutus.

Erojen perusteella on mahdotonta tehdä yksiselitteistä johtopäätöstä siitä, mitkä paristot ovat parempia, koska kaikilla elementeillä on vahvuuksia ja heikkouksia.

Käyttöehdot

Ni Cd-virtalähteiden käytön aikana tapahtuu joukko muutoksia, jotka johtavat suorituskyvyn asteittaiseen heikkenemiseen ja viime kädessä suorituskyvyn menetykseen:

• elektrodien efektiivinen pinta-ala ja massa pienenee;
• elektrolyytin koostumus ja tilavuus muuttuvat;
• erottimen ja orgaanisten epäpuhtauksien hajoaminen;
• vesi ja happi menetetään;
• Nykyisiä vuotoja syntyy kadmiumdendriittien kasvun seurauksena levyillä.

Akun vaurioiden minimoimiseksi, jotka tapahtuvat sen käytön ja varastoinnin aikana, on välttämätöntä välttää akun haitalliset vaikutukset, jotka liittyvät seuraaviin tekijöihin:

• epätäydellisesti ladatun akun varaus johtaa sen kapasiteetin palautuvaan menetykseen, koska aktiivisen aineen kokonaispinta-ala pienenee kiteiden muodostumisen seurauksena;
• säännöllinen voimakas lataus, joka johtaa ylikuumenemiseen, lisääntyneeseen kaasun muodostumiseen, veden menetykseen elektrolyytissä ja tuhoaa elektrodit (erityisesti anodin) ja erottimen;
• alilataus, mikä johtaa akun ennenaikaiseen loppuun;
• pitkäaikainen käyttö erittäin alhaisissa lämpötiloissa johtaa elektrolyytin koostumuksen ja tilavuuden muutokseen, akun sisäinen vastus kasvaa ja sen suorituskyky heikkenee, erityisesti kapasiteetti heikkenee.

Kun akun sisällä oleva paine nousee voimakkaasti nopean latauksen seurauksena, jolla on suuri virta, ja kadmiumkatodin voimakas hajoaminen, akkuun voi vapautua ylimääräistä vetyä, mikä johtaa paineen voimakkaaseen nousuun, mikä voi muodonmuuttua, rikkoo kokoonpanotiheyttä, lisää sisäistä vastustusta ja vähentää käyttöjännitettä.

Hätäpaineenalennusventtiilillä varustetuissa akkuissa muodonmuutosriski voidaan estää, mutta akun kemiallisessa koostumuksessa ei voida välttää peruuttamattomia muutoksia.

Ni Cd -akkujen lataus on suoritettava 10%: n virralla (tarvittaessa nopea lataus erityisillä akkuilla, joiden virta on enintään 100% tunnissa) niiden kapasiteetista (esimerkiksi 100 mA kapasiteetilla 1000 mAh) 14-16 tunnin ajan. Paras purkutusmuoto on virta, joka on 20% akun kapasiteetista.

Kuinka palauttaa Ni Cd -akku

Kapasiteetin menetyksen tapauksessa nikkeli-kadmium-teholähteet voidaan melkein kokonaan palauttaa käyttämällä täydellistä purkausta (enintään 1 volttia solua kohti) ja sitä seuraavaa varausta normaalitilassa. Tämä paristojen koulutus voidaan toistaa useita kertoja täyden kapasiteetin palauttamiseksi.

Jos akkua ei voida palauttaa tyhjentämällä ja lataamalla, voit yrittää palauttaa sen altistamalla lyhyille virtapulsseille (kymmeniä kertoja suurempia kuin palautetun elementin kapasiteetti) muutaman sekunnin ajan. Tämä vaikutus eliminoi akkukennojen sisäisen piirin, joka syntyy dendriittien kasvun vuoksi polttamalla niitä voimakkaalla virralla. On erityisiä teollisia aktivaattoreita, jotka suorittavat tämän vaikutuksen.

Tällaisten paristojen alkuperäisen kapasiteetin täydellinen palauttaminen on mahdotonta johtuen peruuttamattomista muutoksista elektrolyytin koostumuksessa ja ominaisuuksissa sekä levyjen pilaantumisesta, mutta se antaa mahdollisuuden pidentää akun käyttöikää.

Kodin palautustapa on suorittaa seuraavat toimenpiteet:

• johdin, jonka poikkileikkaus on vähintään 1,5 neliömetriä, on kytketty palautettuun elementtiin vähennettynä voimakkaan akun, esimerkiksi auton tai UPS: n, katodilla;
• toinen lanka on kiinnitetty tiukasti yhden pariston anodiin (plus);
• 3-4 sekunnin ajan toisen johtimen vapaa pää koskettaa nopeasti vapaata plus-napaa (taajuudella 2-3 kosketinta sekunnissa). Tässä tapauksessa on tarpeen estää lankojen hitsaus risteyksessä;
• voltmetrillä tarkistetaan palautettavan lähteen jännite; sen puuttuessa suoritetaan uusi palautussykli ;;
• kun akkuun ilmestyy sähkövoima, se latautuu;

Lisäksi voit yrittää tuhota akun dendriitit jäädyttämällä niitä 2–3 tunniksi ja seuraamalla niitä terävästi. Jäätyessään dendriitit muuttuvat hauraiksi ja tuhoutuvat iskulla, mikä voi teoriassa auttaa niistä eroon.

On olemassa äärimmäisiä talteenottomenetelmiä, jotka liittyvät tislatun veden lisäämiseen vanhoihin elementteihin poraamalla niiden vartaloa. Mutta tällaisten elementtien tiukkuuden tarjoaminen tulevaisuudessa on erittäin ongelmallista. Siksi sinun ei tulisi säästää ja altistaa terveyttäsi myrkytysriskille kadmiumyhdisteillä, koska useat työkierrot saavutetaan.

Varastointi ja hävittäminen

On parempi varastoida nikkelikadmiumakkuja tyhjentyneessä tilassa matalassa lämpötilassa kuivassa paikassa. Mitä alhaisempi tällaisten akkujen varastointilämpötila, sitä vähemmän purkautuneita akkuja on. Laadukkaita malleja voidaan säilyttää jopa viisi vuotta ilman merkittäviä vaurioita teknisille ominaisuuksille. Niiden käyttöönotto riittää, että lataat ne.

Yhdessä AA-paristossa olevat haitalliset aineet voivat saastuttaa noin 20 neliömetriä aluetta. Ni Cd -paristojen turvallista hävittämistä varten ne on vietävä kierrätyspisteisiin, joista ne lähetetään tehtaisiin, missä ne on hävitettävä erityisissä suljetuissa uuneissa, joissa on suodattimet, jotka vangitsevat myrkylliset aineet.