Nikelio ir kadmio baterijos

Dvidešimtojo amžiaus antroje pusėje vieni iš geriausių įkraunamų cheminių srovių šaltinių buvo įkraunamos baterijos, pagamintos naudojant nikelio-kadmio technologiją. Dėl patikimumo ir nepretenzybės jie vis dar plačiai naudojami įvairiose srityse.

Kas yra nikelio kadmio baterija

Nikelio-kadmio baterijos yra galvaniniai įkraunami srovės šaltiniai, kuriuos 1899 m. Švedijoje išrado Waldmaras Jungneris. Iki 1932 m. Jų praktiškas naudojimas buvo labai ribotas dėl brangių metalų, palyginti su švino-rūgšties baterijomis.

Tobulėjant jų gamybos technologijai, žymiai pagerėjo jų eksploatacinės savybės ir 1947 m. Buvo leista sukurti hermetišką, be priežiūros reikalaujančią, puikių parametrų bateriją.

Veikimo principas ir prietaiso Ni-Cd baterija

Šios baterijos gamina elektros energiją dėl grįžtamojo kadmio (Cd) sąveikos su nikelio oksido hidroksidu (NiOOH) ir vandeniu, todėl susidaro nikelio hidroksidas Ni (OH) 2 ir kadmio hidroksidas Cd (OH) 2, dėl ko atsiranda elektromobilio jėga.

Ni-Cd baterijas galima įsigyti uždarytuose gaubtuose, kuriuose yra elektrodai, atskirti neutraliu separatoriumi, kuriame yra nikelio ir kadmio, į želė pavidalo šarminio elektrolito (paprastai kalio hidroksido, KOH) tirpalą.

Teigiamas elektrodas yra plieno tinklelis arba folija, padengta nikelio oksido-hidroksido pasta, sumaišyta su laidžia medžiaga

Neigiamas elektrodas yra plieno tinklelis (folija) su presuotu poringu kadmiu.

Vienas nikelio-kadmio elementas gali tiekti apie 1,2 volto įtampą, todėl, norint padidinti jų konstrukcijoje esančių baterijų įtampą ir galią, naudojama daug lygiagrečių elektrodų, atskirtų separatoriais.

Specifikacijos ir kas yra Ni-Cd baterijos

Ni-Cd baterijos turi šias specifikacijas:

• vieno elemento iškrovos įtampa yra apie 0,9-1 volto;
• nominali elemento įtampa yra 1,2 v, norint gauti 12v ir 24v įtampą, naudojamas kelių elementų nuoseklus sujungimas;
• viso įkrovimo įtampa - 1,5–1,8 volto;
• darbinė temperatūra: nuo -50 iki +40 laipsnių;
• įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius: nuo 100 iki 1000 (moderniausiose baterijose - iki 2000), priklausomai nuo naudojamos technologijos;
• savaiminio išsikrovimo lygis: nuo 8 iki 30% per pirmą mėnesį po visiško įkrovimo;
• savitasis energijos suvartojimas - iki 65 W * valandos / kilogramui;
• tarnavimo laikas - apie 10 metų.

Ni-Cd akumuliatoriai gaminami įvairiais atvejais, standartinių dydžių ir nestandartinio dizaino, įskaitant diskinius, hermetiškus.

Kur naudojamos nikelio ir kadmio baterijos?

Šios baterijos naudojamos įtaisuose, kurie sunaudoja dideles sroves, o eksploatacijos metu taip pat patiria dideles apkrovas šiais atvejais:

• ant troleibusų ir tramvajų;
• ant elektromobilių;
• jūrų ir upių transportu;
• sraigtasparniuose ir lėktuvuose;
• elektriniuose įrankiuose (atsuktuvai, grąžtai, elektriniai atsuktuvai ir kiti);
• elektriniai skustuvai;
• karinėje įrangoje;
• Nešiojamos radijo stotys;
• žaisluose per radiją;
• nardymo žiburiuose.

Šiuo metu dėl sugriežtintų aplinkosaugos reikalavimų dauguma populiarių dydžių akumuliatorių (AA, AAA ir kiti) yra gaminami nikelio-metalo hidrido ir ličio jonų technologijomis. Tačiau daugelis įvairaus dydžio Ni Cd baterijų, išleistų prieš kelerius metus, vis dar veikia.

Ni-Cd elementų tarnavimo laikas ilgas, kartais viršijantis 10 metų, todėl šio tipo baterijas vis dar galima rasti įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose, išskyrus išvardintus aukščiau.

„Ni-Cd“ baterijos pranašumai ir trūkumai

Šio tipo akumuliatoriai turi šias teigiamas savybes:

• ilgas tarnavimo laikas ir įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius;
• ilgas tarnavimo laikas ir saugojimas;
• galimybė greitai įkrauti;
• gebėjimas atlaikyti dideles apkrovas ir žemą temperatūrą;
• išlaikyti eksploatavimą nepalankiausiomis eksploatavimo sąlygomis;
• maža kaina;
• galimybė šias baterijas laikyti išsikrovusias iki 5 metų;
• vidutinis atsparumas perkrovai.

Tuo pačiu metu nikelio ir kadmio maitinimo šaltiniai turi keletą trūkumų:

• atminties efekto buvimas, pasireiškiantis praradimu, kraunant akumuliatorių, nelaukiant visiško iškrovimo;
• prevencinio darbo (kelių įkrovimo ir iškrovimo ciklų) poreikis, kad būtų pasiektas visas pajėgumas;
• Norint visiškai atkurti akumuliatorių po ilgalaikio saugojimo, reikia nuo trijų iki keturių visiško įkrovimo-iškrovimo ciklų;
• didelis savaiminis iškrovimas (apie 10% per pirmąjį saugojimo mėnesį), dėl kurio akumuliatorius beveik visiškai išsikrauna per metus;
• mažas energijos tankis, palyginti su kitomis baterijomis;
• didelis kadmio toksiškumas, dėl kurio kai kuriose šalyse, įskaitant ES, jie yra uždrausti, būtina išmesti tokias baterijas į specialią įrangą;
• daugiau svorio nei šiuolaikinės baterijos.

Ni-Cd skirtumas nuo Li-Ion arba Ni-Mh šaltinių

Baterijos su aktyviais komponentais, įskaitant nikelį ir kadmį, turi daug skirtumų nuo šiuolaikiškesnių ličio jonų ir nikelio-metalo hidridų elektros energijos šaltinių:

• Ni-Cd elementai, skirtingai Li-jonas ir Ni-mh parinktys turi atminties efektą, turi mažesnę specifinę talpą tuo pačiu dydžiu;
• NiCd šaltiniai yra nepretenzingi, palaiko našumą labai žemoje temperatūroje, yra daug kartų atsparesni per dideliam įkrovimui ir stipriam išsiskyrimui;
• Li-Ion ir Ni-Mh akumuliatoriai yra brangesni, bijo perkrovimo ir stipraus išsikrovimo, tačiau turi mažiau savaiminio išsikrovimo;
• ličio jonų akumuliatorių eksploatavimo laikas ir laikymas (2–3 metai) yra kelis kartus trumpesni nei „Ni Cd“ gaminių (8–10 metų);
• nikelio-kadmio šaltiniai greitai praranda talpą, kai naudojami buferio režimu (pavyzdžiui, UPS). Nors juos galima visiškai atstatyti giliai iškrovus ir įkraunant, geriau nenaudoti Ni Cd gaminių įrenginiuose, kur jie nuolat įkraunami;
• tas pats Ni-Cd ir Ni-Mh akumuliatorių įkrovimo režimas leidžia naudoti tuos pačius įkroviklius, tačiau jūs turite atsižvelgti į tai, kad nikelio-kadmio akumuliatoriai turi ryškesnį atminties efektą.

Remiantis skirtumais, neįmanoma padaryti vienareikšmiškos išvados, kurios baterijos yra geresnės, nes visi elementai turi stipriąsias ir silpnąsias puses.

Naudojimo sąlygos

Veikiant Ni Cd maitinimo šaltiniams, įvyksta keletas pakeitimų, dėl kurių laipsniškas eksploatacinių savybių pablogėjimas ir galiausiai eksploatacinių savybių praradimas:

• mažėja elektrodų efektyvus plotas ir masė;
• keičiasi elektrolito sudėtis ir tūris;
• separatoriaus ir organinių priemaišų skilimas;
• prarandamas vanduo ir deguonis;
• Dabartiniai nuotėkiai atsiranda dėl kadmio dendritų augimo plokštelėse.

Norint sumažinti žalą akumuliatoriui, atsirandantį dirbant ir sandėliuojant, būtina vengti neigiamo akumuliatoriaus poveikio, susijusio su šiais veiksniais:

• nepilnai įkrautos baterijos įkrovimas lemia grįžtamąjį jos talpos praradimą dėl to, kad dėl kristalų susidarymo sumažėja bendras veikliosios medžiagos plotas;
• reguliarus stiprus įkrovimas, dėl kurio perkaista, padidėja dujų susidarymas, vanduo netenka elektrolito ir sunaikina elektrodus (ypač anodą) ir separatorių;
• per mažas įkrovimas, dėl kurio per anksti išeikvojama baterija;
• ilgalaikis veikimas labai žemoje temperatūroje lemia elektrolito sudėties ir tūrio pasikeitimą, padidėja vidinė akumuliatoriaus varža ir blogėja jo veikimas, ypač mažėja talpa.

Dėl stipraus akumuliatoriaus viduje esančio slėgio padidėjimo dėl greito įkrovimo su didele srove ir stipriai suyrančio kadmio katodo, į akumuliatorių gali būti išleistas perteklinis vandenilis, dėl kurio staigiai padidėja slėgis, kuris gali deformuoti korpusą, pažeisti surinkimo tankį, padidinti vidinį pasipriešinimą ir sumažinti darbinę įtampą.

Baterijose, kuriose įrengtas avarinis slėgio ribotuvas, galima išvengti deformacijų pavojaus, tačiau negalima išvengti negrįžtamų baterijos cheminės sudėties pokyčių.

„Ni Cd“ baterijos turi būti įkraunamos 10–16% (jei reikia, greitu įkrovimu specialiose baterijose, kurių srovė iki 100% per 1 valandą), galios (pvz., 100 mA, esant 1000 mAh talpos) 14–16 valandų. Geriausias jų iškrovos būdas yra srovė, lygi 20% akumuliatoriaus talpos.

Kaip atkurti Ni CD bateriją

Pametus pajėgumą, nikelio ir kadmio maitinimo šaltiniai gali būti beveik visiškai atstatyti, naudojant visišką iškrovą (iki 1 volto elemente) ir paskesnį įkrovimą įprastu režimu. Šis baterijų mokymas gali būti pakartotas keletą kartų, kad būtų galima visiškai atkurti jų talpą.

Jei neįmanoma atkurti akumuliatoriaus išsikrovus ir įkrovus, galite pabandyti juos atkurti keletą sekundžių veikdami trumpais srovės impulsais (dešimtis kartų didesniais nei atkurto elemento talpa). Šis poveikis pašalina vidinę grandinę akumuliatoriaus elementuose, atsirandantį dėl dendritų augimo, deginant juos stipria srove. Yra specialūs pramoniniai aktyvatoriai, kurie vykdo šį efektą.

Visiško pradinio tokių akumuliatorių talpos atstatymo neįmanoma dėl negrįžtamų elektrolito sudėties ir savybių pokyčių, taip pat dėl ​​plokštelių nusidėvėjimo, tačiau tai leidžia prailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką.

Pasveikimo namuose būdas yra šie veiksmai:

• viela, kurios skerspjūvis ne mažesnis kaip 1,5 kvadratinio milimetro, atjungus celę, sujungta su galingos baterijos, tokios kaip automobilis ar UPS, katodu;
• antrasis laidas yra tvirtai pritvirtintas prie vienos iš baterijų anodo (pliuso);
• 3–4 sekundes, laisvas antrosios laido galas greitai paliečia laisvąjį pliuso gnybtą (2–3 kontaktų per sekundę dažniu). Tokiu atveju būtina užkirsti kelią laidų suvirinimui sankryžoje;
• naudojant voltmetrą, tikrinama atkuriamo šaltinio įtampa; jo nesant, atliekamas kitas atkūrimo ciklas ;;
• kai akumuliatoriuje atsiranda elektromobilio jėga, ji įkraunama;

Be to, galite pabandyti sunaikinti akumuliatoriuje esančius dendritus, užšaldydami juos 2–3 valandas, o po to - staigiai bakstelėdami. Užšalę dendritai tampa trapūs ir sunaikinami smūgio metu, o tai teoriškai gali padėti jų atsikratyti.

Yra daugiau ekstremalių atkūrimo būdų, susijusių su distiliuoto vandens įpilimu į senus elementus gręžiant jų kūnus. Tačiau visiškai sudėtinga ateityje užtikrinti tokių elementų sandarumą. Todėl neturėtumėte taupyti ir kelti pavojų apsinuodyti kadmio junginiais dėl kelių darbo ciklų.

Sandėliavimas ir šalinimas

Kad nikelio kadmio baterijas geriau laikyti žemoje temperatūroje, sausoje vietoje. Kuo žemesnė tokių baterijų laikymo temperatūra, tuo mažiau jų išsikrauna. Aukštos kokybės modeliai gali būti laikomi iki 5 metų, nepažeidžiant techninių charakteristikų. Norint juos eksploatuoti, pakanka juos įkrauti.

Vienoje AA baterijoje esančios kenksmingos medžiagos gali užteršti apie 20 kvadratinių metrų teritorijos. Norint saugiai sunaikinti Ni Cd baterijas, jos turi būti vežamos į perdirbimo vietas, iš kur jos siunčiamos į gamyklas, kur jos turi būti sunaikintos specialiose uždarose krosnyse, kuriose yra filtrai, kaupiantys nuodingas medžiagas.