Batterie al nichel-cadmio

Nella seconda metà del XX secolo, alcune delle migliori fonti di corrente chimica ricaricabile erano batterie ricaricabili realizzate con tecnologia al nichel-cadmio. Sono ancora ampiamente utilizzati in vari campi a causa della loro affidabilità e senza pretese.

Che cos'è la batteria al nichel-cadmio

Le batterie al nichel-cadmio sono fonti di corrente ricaricabile galvaniche, che furono inventate nel 1899 in Svezia da Waldmar Jungner. Fino al 1932, il loro uso pratico era molto limitato a causa dell'elevato costo dei metalli utilizzati rispetto alle batterie al piombo-acido.

Il miglioramento della tecnologia della loro produzione ha portato a un significativo miglioramento delle loro caratteristiche operative e nel 1947 ha permesso di creare una batteria sigillata senza manutenzione con parametri eccellenti.

Il principio di funzionamento e la batteria del dispositivo Ni-Cd

Queste batterie producono energia elettrica a causa dell'interazione reversibile di cadmio (Cd) con ossido di nichel-idrossido (NiOOH) e acqua, che provoca la formazione di nichel idrossido Ni (OH) 2 e cadmio idrossido Cd (OH) 2, che provoca la comparsa di una forza elettromotrice.

Le batterie Ni-Cd sono prodotte in involucri sigillati che contengono elettrodi separati da un separatore neutro, contenente nichel e cadmio, che si trovano in una soluzione di un elettrolita alcalino gelatinoso (di solito idrossido di potassio, KOH).

L'elettrodo positivo è una maglia d'acciaio o un foglio rivestito con una pasta di ossido di nichel-idrossido mescolata con un materiale conduttivo

L'elettrodo negativo è una maglia d'acciaio (lamina) con cadmio poroso pressato.

Un elemento in nichel-cadmio è in grado di fornire una tensione di circa 1,2 volt, quindi, per aumentare la tensione e la potenza delle batterie nel loro design, vengono utilizzati molti elettrodi paralleli, separati da separatori.

Specifiche e cosa sono le batterie Ni-Cd

Le batterie Ni-Cd hanno le seguenti specifiche:

• la tensione di scarica di un elemento è di circa 0,9-1 volt;
• la tensione nominale dell'elemento è 1,2 v, per ottenere tensioni di 12v e 24v, viene utilizzata una connessione in serie di più elementi;
• tensione di una carica completa - 1,5-1,8 volt;
• temperatura di lavoro: da -50 a +40 gradi;
• numero di cicli di carica-scarica: da 100 a 1000 (nelle batterie più moderne - fino a 2000), a seconda della tecnologia utilizzata;
• livello di autoscarica: dall'8 al 30% nel primo mese dopo una carica completa;
• consumo specifico di energia - fino a 65 W * ora / chilogrammo;
• vita di servizio - circa 10 anni.

Le batterie Ni-Cd sono prodotte in vari casi di dimensioni standard e con design non standard, incluso disco, forma ermetica.

Dove vengono utilizzate le batterie al nichel-cadmio?

Queste batterie sono utilizzate in dispositivi che consumano correnti elevate e presentano anche carichi elevati durante il funzionamento nei seguenti casi:

• su filobus e tram;
• su auto elettriche;
• sul trasporto marittimo e fluviale;
• in elicotteri e aeroplani;
• in utensili elettrici (cacciaviti, trapani, cacciaviti elettrici e altri);
• rasoi elettrici;
• in equipaggiamento militare;
• stazioni radio portatili;
• nei giocattoli alla radio;
• nelle luci per le immersioni.

Attualmente, a causa del rafforzamento dei requisiti ambientali, la maggior parte delle batterie di dimensioni popolari (AA, AAA e altri) è prodotto dalle tecnologie al nichel-metallo idruro e agli ioni di litio. Tuttavia, molte batterie Ni Cd di varie dimensioni, rilasciate diversi anni fa, sono ancora in funzione.

Le celle Ni-Cd hanno una lunga durata, che a volte supera i 10 anni, e quindi questo tipo di batteria può ancora essere trovato in molti dispositivi elettronici, ad eccezione di quelli sopra elencati.

Pro e contro della batteria Ni-Cd

Questo tipo di batteria ha le seguenti caratteristiche positive:

• lunga durata e numero di cicli di carica-scarica;
• lunga durata e conservazione;
• la capacità di caricare rapidamente;
• capacità di sopportare carichi pesanti e basse temperature;
• mantenimento dell'operatività nelle condizioni operative più avverse;
• basso costo;
• la capacità di conservare queste batterie in condizioni di scarica fino a 5 anni;
• resistenza di sovraccarico media.

Allo stesso tempo, gli alimentatori al nichel-cadmio presentano diversi svantaggi:

• la presenza di un effetto memoria, manifestato nella perdita di capacità durante la ricarica della batteria, senza attendere una scarica completa;
• la necessità di interventi preventivi (diversi cicli di carica-scarica) per raggiungere la piena capacità;
• il ripristino completo della batteria dopo una conservazione a lungo termine richiede da tre a quattro cicli di scarica completa;
• grande autoscarica (circa il 10% nel primo mese di conservazione), con conseguente scarica quasi completa della batteria durante l'anno di conservazione;
• bassa densità energetica rispetto ad altre batterie;
• l'elevata tossicità del cadmio, a causa della quale sono vietati in diversi paesi, compresa l'UE, la necessità di smaltire tali batterie su apparecchiature speciali;
• più peso delle batterie moderne.

Differenza di Ni-Cd da fonti Li-Ion o Ni-Mh

Le batterie con componenti attivi, tra cui nichel e cadmio, presentano una serie di differenze rispetto alle più moderne fonti di elettricità agli ioni di litio e idruro di nichel-metallo:

• Elementi Ni-Cd, a differenza Li-Ion e Ni-Mh le opzioni hanno un effetto memoria, hanno una capacità specifica inferiore della stessa dimensione;
• Le fonti NiCd sono più senza pretese, mantengono le prestazioni a temperature molto basse, sono molte volte più resistenti ai sovraccarichi e alle scariche forti;
• Le batterie agli ioni di litio e Ni-Mh sono più costose, hanno paura del sovraccarico e della scarica forte, ma hanno meno autoscarica;
• la durata e la conservazione delle batterie agli ioni di litio (2-3 anni) è più volte inferiore rispetto ai prodotti Ni Cd (8-10 anni);
• le fonti di nichel-cadmio perdono rapidamente capacità quando vengono utilizzate in modalità buffer (ad esempio in UPS). Anche se possono quindi essere completamente ripristinati mediante scarica e carica profonde, è meglio non utilizzare i prodotti Ni Cd in dispositivi in ​​cui vengono costantemente ricaricati;
• la stessa modalità di carica delle batterie Ni-Cd e Ni-Mh consente di utilizzare gli stessi caricabatterie, ma è necessario tenere conto del fatto che le batterie al nichel-cadmio hanno un effetto di memoria più pronunciato.

Sulla base delle differenze esistenti, è impossibile trarre una conclusione inequivocabile su quali batterie sono migliori, poiché tutti gli elementi hanno punti di forza e di debolezza.

Termini d'uso

Durante il funzionamento nelle fonti di alimentazione Ni Cd, si verificano numerosi cambiamenti che portano a un graduale deterioramento delle prestazioni e, in definitiva, a una perdita delle prestazioni:

• diminuisce l'area effettiva e la massa degli elettrodi;
• la composizione e il volume dell'elettrolita cambia;
• decomposizione del separatore e impurità organiche;
• acqua e ossigeno vengono persi;
• Le perdite attuali si verificano a causa della crescita dei dendriti di cadmio sulle piastre.

Al fine di ridurre al minimo i danni alla batteria che si verificano durante il suo funzionamento e la conservazione, è necessario evitare effetti negativi sulla batteria, che sono associati ai seguenti fattori:

• la carica di una batteria non completamente carica comporta una perdita reversibile della sua capacità a causa di una diminuzione dell'area totale della sostanza attiva a causa della formazione di cristalli;
• ricarica regolare regolare, che porta a surriscaldamento, aumento della formazione di gas, perdita di acqua nell'elettrolita e distruzione degli elettrodi (in particolare dell'anodo) e del separatore;
• sottocarico, con conseguente esaurimento prematuro della batteria;
• Il funzionamento a lungo termine a temperature molto basse porta a un cambiamento nella composizione e nel volume dell'elettrolita, aumenta la resistenza interna della batteria e le sue prestazioni si deteriorano, in particolare la capacità diminuisce.

Con un forte aumento della pressione all'interno della batteria a seguito di una carica rapida con una grande corrente e un forte degrado del catodo di cadmio, l'eccesso di idrogeno può essere rilasciato nella batteria, il che porta a un forte aumento della pressione, che può deformare la custodia, violare la densità del gruppo, aumentare la resistenza interna e ridurre la tensione operativa.

Nelle batterie dotate di una valvola di sfogo della pressione di emergenza, è possibile prevenire il rischio di deformazione, ma non è possibile evitare cambiamenti irreversibili nella composizione chimica della batteria.

La ricarica delle batterie Ni Cd deve essere eseguita con una corrente del 10% (se necessario, una ricarica rapida in batterie speciali con una corrente fino al 100% per 1 ora) della loro capacità (ad esempio, 100 mA con una capacità di 1000 mAh) per 14-16 ore. La migliore modalità di scarica è una corrente pari al 20% della capacità della batteria.

Come recuperare la batteria Ni Cd

In caso di perdita di capacità, gli alimentatori al nichel-cadmio possono essere ripristinati quasi completamente utilizzando una scarica completa (fino a 1 volt per cella) e la successiva carica in modalità standard. Questa formazione delle batterie può essere ripetuta più volte per il ripristino più completo della loro capacità.

Se non è possibile ripristinare la batteria scaricandola e caricandola, è possibile provare a ripristinarla applicando impulsi di corrente brevi (decine di volte superiori alla capacità dell'elemento ripristinato) per diversi secondi. Questo effetto elimina il circuito interno nelle celle della batteria che si verifica a causa della crescita dei dendriti bruciandoli con una forte corrente. Esistono speciali attivatori industriali che effettuano questo effetto.

Il completo ripristino della capacità iniziale di tali batterie è impossibile a causa di cambiamenti irreversibili nella composizione e nelle proprietà dell'elettrolita, nonché del degrado delle piastre, ma consente di prolungare la durata della batteria.

Il metodo di recupero a casa è di eseguire le seguenti azioni:

• un filo con una sezione trasversale di almeno 1,5 millimetri quadrati è collegato meno la cella ripristinata con il catodo di una batteria potente, come un'auto o un UPS;
• il secondo filo è saldamente collegato all'anodo (più) di una delle batterie;
• per 3-4 secondi, l'estremità libera del secondo filo tocca rapidamente il terminale positivo libero (con una frequenza di 2-3 contatti al secondo). In questo caso, è necessario impedire la saldatura dei fili alla giunzione;
• con un voltmetro viene verificata la tensione alla sorgente da ripristinare; in sua assenza viene eseguito un altro ciclo di recupero ;;
• quando una forza elettromotrice appare sulla batteria, viene messa in carica;

Inoltre, puoi provare a distruggere i dendriti nella batteria congelandoli per 2-3 ore, seguiti da un forte tocco. Quando congelati, i dendriti diventano fragili e vengono distrutti dallo shock, che teoricamente può aiutare a liberarsene.

Esistono metodi di recupero più estremi associati all'aggiunta di acqua distillata a vecchi elementi perforando i loro corpi. Ma la piena disponibilità della tenuta di tali elementi in futuro è molto problematica. Pertanto, non dovresti salvare ed esporre la tua salute al rischio di avvelenamento con composti del cadmio a causa del guadagno di diversi cicli di lavoro.

Conservazione e smaltimento

È meglio conservare le batterie al nichel-cadmio in uno stato di scarica a bassa temperatura in un luogo asciutto. Minore è la temperatura di conservazione di tali batterie, minore è l'autoscarica che hanno. I modelli di alta qualità possono essere conservati per un massimo di 5 anni senza danni significativi alle caratteristiche tecniche. Per metterli in funzione, è sufficiente caricarli.

Le sostanze nocive contenute in una batteria AA possono contaminare circa 20 metri quadrati di territorio. Per lo smaltimento sicuro delle batterie Ni Cd, devono essere portate nei punti di riciclaggio, da dove vengono inviate alle fabbriche, dove devono essere distrutte in speciali forni sigillati dotati di filtri che catturano sostanze tossiche.