במחצית השנייה של המאה העשרים, כמה ממקורות הזרם הכימיים הנטענים הטובים ביותר היו סוללות נטענות המיוצרות בטכנולוגיית ניקל-קדמיום. הם עדיין נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים בשל אמינותם וחוסר היומרות שלהם.
תוכן
מה זה סוללת ניקל קדמיום
סוללות ניקל-קדמיום הן מקורות זרם נטענים גלווניים, שהומצאו בשנת 1899 בשוודיה על ידי וולדמר יונגנר. עד שנת 1932, השימוש הפרקטי שלהם היה מוגבל מאוד בגלל העלות הגבוהה של המתכות ששימשו בהשוואה לסוללות חומצת עופרת.
שיפור הטכנולוגיה של הייצור שלהם הביא לשיפור משמעותי במאפייני התפעול שלהם ואיפשר בשנת 1947 ליצור סוללה אטומה ללא תחזוקה עם פרמטרים מצוינים.
עיקרון הפעולה וסוללת ה- Ni-Cd של המכשיר
סוללות אלה מייצרות אנרגיה חשמלית כתוצאה מהאינטראקציה הפיכה של קדמיום (Cd) עם ניקל תחמוצת הידרוקסיד (NiOOH) ומים, מה שגורם להיווצרותו של ניקל הידרוקסיד Ni (OH) 2 וקדמיום הידרוקסיד Cd (OH) 2, הגורם להופעת כוח אלקטרוני.
סוללות Ni-Cd זמינות במארזים אטומים המכילים אלקטרודות המופרדות על ידי מפריד ניטרלי המכיל ניקל וקדמיום בתמיסה של אלקטרוליט דמוי ג'לי (בדרך כלל אשלגן הידרוקסיד, KOH).
האלקטרודה החיובית היא רשת פלדה או נייר כסף המצופה בעיסה של תחמוצת ניקל-הידרוקסיד מעורבב עם חומר מוליך.
האלקטרודה השלילית היא רשת פלדה (נייר כסף) עם קדמיום נקבובי לחוץ.
אלמנט ניקל-קדמיום אחד מסוגל להעביר מתח של כ -1.2 וולט, ולכן, כדי להגדיל את המתח והעוצמה של הסוללות בתכנונם, משתמשים בהרבה אלקטרודות מקבילות המופרדות על ידי מפרידים.
מפרט ומהי סוללות Ni-Cd
לסוללות Ni-Cd יש את המפרט הבא:
- מתח הפריקה של אלמנט אחד הוא בערך 0.9-1 וולט;
- המתח הנומינלי של האלמנט הוא 1.2 וולט, כדי להשיג מתחים של 12V ו 24V, נעשה שימוש בחיבור סדרתי של מספר אלמנטים;
- מתח של טעינה מלאה - 1.5-1.8 וולט;
- טמפרטורת עבודה: בין -50 ל- +40 מעלות;
- מספר מחזורי פריקת הטעינה: מ- 100 עד 1000 (בסוללות המודרניות ביותר - עד 2000), תלוי בטכנולוגיה בה נעשה שימוש;
- רמת פריקה עצמית: בין 8 ל- 30% בחודש הראשון לאחר טעינה מלאה;
- צריכת אנרגיה ספציפית - עד 65 W * שעה / קילוגרם;
- חיי שירות - כעשר שנים.
סוללות Ni-Cd מיוצרות במקרים שונים בגדלים סטנדרטיים ובעיצוב לא סטנדרטי, כולל דיסק, בצורה הרמטית.
היכן משתמשים בסוללות ניקל-קדמיום?
סוללות אלה משמשות במכשירים הצורכים זרמים גבוהים, וגם חווים עומסים גבוהים במהלך הפעולה במקרים הבאים:
- על מכוניות חשמליות וחשמליות;
- על מכוניות חשמליות;
- על תחבורה בנהר ונהר;
- במסוקים ובמטוסים;
- בכלי כוח (מברגים, מקדחות, מברגים חשמליים ואחרים);
- מכונות גילוח חשמליות;
- בציוד צבאי;
- תחנות רדיו ניידות;
- בצעצועים ברדיו;
- באורות הצלילה.
נכון לעכשיו, בגלל הידוק הדרישות הסביבתיות, מרבית הסוללות בגדלים פופולריים (א.א., AAA ואחרים) מיוצר על ידי טכנולוגיות ניקל-מתכת הידריד וליתיום-יון. עם זאת, סוללות Ni Cd רבות בגדלים שונים, ששוחררו לפני מספר שנים, עדיין פועלות.
לתאי Ni-Cd חיי שירות ארוכים, שלעיתים עולים על 10 שנים, ולכן עדיין ניתן למצוא סוללה מסוג זה במגוון מכשירים אלקטרוניים, למעט אלה המפורטים לעיל.
היתרונות והחסרונות של סוללת Ni-Cd
סוללה מסוג זה כוללת את המאפיינים החיוביים הבאים:
- חיים ארוכים ומספר מחזורי פריקת המטען;
- חיי שירות ארוכים ואחסון;
- היכולת לטעון במהירות;
- יכולת לעמוד בעומסים כבדים ובטמפרטורות נמוכות;
- שמירה על יכולת הפעלה בתנאי ההפעלה הגרועים ביותר;
- עלות נמוכה;
- היכולת לאחסן מצברים אלה במצב פרוק עד 5 שנים;
- התנגדות לטעינת יתר בינונית.
במקביל, לספקי כוח ניקל-קדמיום ישנם מספר חסרונות:
- נוכחות של אפקט זיכרון, המתבטא באובדן הקיבולת בעת טעינת הסוללה, מבלי לחכות לפריקה מלאה;
- הצורך בעבודה מונעת (מספר מחזורי פריקת טעינה) בכדי להשיג יכולת מלאה;
- שחזור מלא של הסוללה לאחר אחסון לטווח ארוך דורש שלושה עד ארבעה מחזורי פריקת טעינה מלאה;
- פריקה עצמית גדולה (כ -10% בחודש הראשון לאחסון), מה שמוביל לפריקת סוללה כמעט מלאה במהלך שנת האחסון;
- צפיפות אנרגיה נמוכה בהשוואה לסוללות אחרות;
- הרעילות הגבוהה של קדמיום שבגללה הם נאסרים במספר מדינות, כולל האיחוד האירופי, את הצורך להיפטר מצברים כאלה על ציוד מיוחד;
- יותר משקל מאשר סוללות מודרניות.
ההבדל בין Ni-Cd ממקורות Li-Ion או Ni-Mh
לסוללות עם רכיבים פעילים, כולל ניקל וקדמיום, יש מספר הבדלים ממקורות חשמל ליתיום-יון וניקל-מתכת הידריד יותר:
- אלמנטים Ni-Cd, שלא כמו לי-יון ו Ni-mh לאפשרויות יש אפקט זיכרון, יש יכולת ספציפית נמוכה יותר באותו גודל;
- מקורות NiCd יומרות יותר, שומרים על ביצועים בטמפרטורות נמוכות מאוד, עמידים פי כמה על טעינת יתר ופריקה חזקה;
- סוללות Li-Ion ו- Ni-Mh יקרות יותר, חוששות מטעינה יתר ופריקה חזקה, אך הן בעלות פחות פריקה עצמית;
- חיי האחסון של סוללות Li-Ion (2-3 שנים) קצרים פי כמה ממוצרי Ni Cd (8-10 שנים);
- מקורות ניקל-קדמיום מאבדים במהירות את היכולת כשמשתמשים במצב חיץ (למשל ב- UPS). למרות שאפשר לשחזר אותם לחלוטין על ידי פריקה וטעינה עמוקים, עדיף לא להשתמש במוצרי Ni Cd במכשירים שבהם הם נטענים ללא הרף;
- אותו מצב טעינה של סוללות Ni-Cd ו- Ni-Mh מאפשר לך להשתמש באותם מטענים, אך עליך לקחת בחשבון את העובדה שלסוללות ניקל-קדמיום יש אפקט זיכרון בולט יותר.
על סמך ההבדלים, אי אפשר להסיק מסקנה חד משמעית לגבי אילו סוללות טובות יותר, שכן לכל האלמנטים יש חוזקות וחולשות.
תנאי שימוש
במהלך הפעילות במקורות הכוח Ni Cd, מתרחשים מספר שינויים המובילים להידרדרות הדרגתית בביצועים ובסופו של דבר לאובדן הביצועים:
- שטח יעיל ומסת האלקטרודות פוחתת;
- ההרכב והנפח של שינויי האלקטרוליט;
- פירוק המפריד וזיהומים אורגניים;
- מים וחמצן הולכים לאיבוד;
- נזילות נוכחיות מתרחשות עקב צמיחתם של דנדריטים קדמיום על הצלחות.
על מנת למזער את הנזק לסוללה שמתרחשת במהלך פעולתה ואחסונו, יש להימנע מהשפעות שליליות על המצבר, הקשורות לגורמים הבאים:
- טעינה של סוללה טעונה באופן לא מלא מביאה לאובדן הפיך של יכולתה עקב ירידה בשטח הכולל של החומר הפעיל כתוצאה מהיווצרות גבישים;
- טעינה חזקה קבועה, המובילה לחימום יתר, היווצרות גזים מוגברת, אובדן מים באלקטרוליט והורס את האלקטרודות (בעיקר האנודה) והמפריד;
- טעינה תחתונה, מה שמוביל לדלדול מוקדם של הסוללה;
- פעולה ארוכת טווח בטמפרטורות נמוכות מאוד מביאה לשינוי בהרכב והנפח של האלקטרוליט, ההתנגדות הפנימית של הסוללה גדלה וביצועיה מתדרדרים, בפרט, הקיבולת פוחתת.
עם עלייה בלחץ חזק בתוך הסוללה כתוצאה מטעינה מהירה עם זרם גדול ושפלות חזקה של קתודה קדמיום, ניתן לשחרר עודף מימן לסוללה, מה שמוביל לעלייה חדה בלחץ, שיכולה לעוות את המקרה, להפר את צפיפות ההרכבה, להגדיל את ההתנגדות הפנימית ולהפחית את מתח ההפעלה.
בסוללות המצוידות בשסתום להקלה על לחץ חירום ניתן למנוע את הסיכון לעיוות, אך לא ניתן להימנע משינויים בלתי הפיכים בהרכב הכימי של המצבר.
טעינת סוללות Ni Cd חייבת להתבצע עם זרם של 10% (במידת הצורך, טעינה מהירה בסוללות מיוחדות עם זרם של עד 100% לשעה) מהקיבולת שלהן (לדוגמא, 100 מיליאמפר חשמל בקיבולת של 1000 מיליאמפר / שעה) למשך 14-16 שעות. המצב הטוב ביותר לפריקתם הוא זרם השווה ל 20% מקיבולת הסוללה.
כיצד לשחזר סוללת Ni Cd
במקרה של אובדן קיבולת, ניתן לשחזר ספקי כוח ניקל-קדמיום כמעט לחלוטין באמצעות פריקה מלאה (עד וולט לכל תא) וטעינה עוקבת במצב רגיל. ניתן לחזור על אימון זה של סוללות מספר פעמים לצורך השבת השלמות המלאה ביותר של יכולתן.
אם לא ניתן לשחזר את הסוללה באמצעות פריקה וטעינה, תוכלו לנסות לשחזר אותם על ידי הפעלת פעימות זרם קצרות (הגדולות פי עשרות מהקיבולת של האלמנט המשוחזר) למשך מספר שניות. השפעה זו מבטלת את המעגל הפנימי בתאי הסוללה שמתרחש כתוצאה מגידול דנדריטים על ידי שריפתם בזרם חזק. ישנם מפעילים תעשייתיים מיוחדים שמבצעים את האפקט הזה.
שיקום מלא של הקיבולת הראשונית של סוללות כאלה אינו אפשרי בגלל שינויים בלתי הפיכים בהרכב האלקטרוליט ותכונותיו, כמו גם השפלת הצלחות, אך מאפשר להאריך את חיי הסוללה.
שיטת ההחלמה בבית היא לבצע את הפעולות הבאות:
- חוט עם חתך רוחב של לפחות 1.5 מילימטרים רבועים מחובר מינוס התא המשוחזר עם הקתודה של סוללה חזקה, כמו מכונית או UPS;
- החוט השני מחובר היטב לאנודה (פלוס) של אחת הסוללות;
- במשך 3-4 שניות, הקצה החופשי של החוט השני נוגע במהירות במסוף הפלוס החופשי (בתדר של 2-3 אנשי קשר בשנייה). במקרה זה, יש צורך למנוע ריתוך של חוטים בצומת;
- עם מד מתח בודק את המתח במקור המשוחזר; בהיעדרו נעשה מחזור התאוששות נוסף;
- כאשר מופיע כוח אלקטרו על הסוללה, הוא מופעל על המטען;
בנוסף, תוכלו לנסות להשמיד את הדנדריטים בסוללה על ידי הקפאתם למשך 2-3 שעות, ואחריהם ברז חד. כאשר קפואים, דנדריטים הופכים שבירים ונחרבים בהלם, אשר תיאורטית יכולים לעזור להיפטר מהם.
ישנן שיטות התאוששות קיצוניות יותר הקשורות בתוספת מים מזוקקים ליסודות ישנים על ידי קידוח גופם. אבל ההיצע המלא של ההידוק של גורמים כאלה בעתיד הוא מאוד בעייתי. לכן אסור לחסוך ולחשוף את בריאותך לסיכון להרעלה באמצעות תרכובות קדמיום עקב עלייה במספר מחזורי עבודה.
אחסון ופינוי
עדיף לאחסן סוללות ניקל קדמיום במצב פרוק בטמפרטורה נמוכה במקום יבש. ככל שטמפרטורת האחסון של סוללות כאלה נמוכה יותר, כך יש להם פחות פריקה עצמית. ניתן לאחסן דגמים באיכות גבוהה עד 5 שנים ללא פגיעה משמעותית במאפיינים הטכניים. בכדי להפעיל אותם, די לחייב אותם.
חומרים מזיקים הכלולים בסוללת AA אחת עלולים לזהם כשטח של 20 מטרים רבועים. לצורך סילוק בטוח של סוללות Ni Cd, יש להעבירם לנקודות מיחזור, משם נשלחים למפעלים, ושם יש להשמידם בכבשן אטום מיוחד המצויד בפילטרים הלוכדים חומרים רעילים.
