Nikkel-cadmiumbatterijen

In de tweede helft van de twintigste eeuw waren enkele van de beste oplaadbare chemische stroombronnen oplaadbare batterijen gemaakt met behulp van nikkel-cadmium-technologie. Ze worden nog steeds veel gebruikt op verschillende gebieden vanwege hun betrouwbaarheid en bescheidenheid.

Wat is nikkel-cadmiumbatterij

Nikkel-cadmium-batterijen zijn galvanische oplaadbare stroombronnen, die in 1899 door Waldmar Jungner in Zweden zijn uitgevonden. Tot 1932 was hun praktische gebruik zeer beperkt vanwege de hoge kosten van de gebruikte metalen in vergelijking met loodzuuraccu's.

Verbetering van de technologie van hun productie leidde tot een aanzienlijke verbetering van hun operationele kenmerken en liet in 1947 toe om een ​​verzegelde onderhoudsvrije batterij met uitstekende parameters te creëren.

Het werkingsprincipe en de Ni-Cd-batterij van het apparaat

Deze batterijen produceren elektrische energie door de omkeerbare interactie van cadmium (Cd) met nikkeloxide-hydroxide (NiOOH) en water, wat resulteert in de vorming van nikkelhydroxide Ni (OH) 2 en cadmiumhydroxide Cd (OH) 2, waardoor een elektromotorische kracht ontstaat.

Ni-Cd-batterijen worden geproduceerd in afgesloten behuizingen die elektroden bevatten gescheiden door een neutrale scheider, die nikkel en cadmium bevatten, die zich in een oplossing van een gelachtige alkalische elektrolyt (meestal kaliumhydroxide, KOH) bevinden.

De positieve elektrode is een stalen gaas of folie bedekt met een pasta van nikkeloxide-hydroxide gemengd met een geleidend materiaal

De negatieve elektrode is een stalen gaas (folie) met geperst poreus cadmium.

Eén nikkel-cadmium-element kan een spanning van ongeveer 1,2 volt leveren, daarom worden, om de spanning en het vermogen van de batterijen in hun ontwerp te vergroten, veel parallelle elektroden gebruikt, gescheiden door scheiders.

Specificaties en wat zijn Ni-Cd-batterijen

Ni-Cd-batterijen hebben de volgende specificaties:

• de ontladingsspanning van één element is ongeveer 0,9-1 volt;
• de nominale spanning van het element is 1,2 v, om spanningen van 12v en 24v te verkrijgen, wordt een serieverbinding van verschillende elementen gebruikt;
• spanning van een volledige lading - 1,5-1,8 volt;
• werktemperatuur: van -50 tot +40 graden;
• aantal laad-ontlaadcycli: van 100 tot 1000 (in de meest moderne batterijen - tot 2000), afhankelijk van de gebruikte technologie;
• zelfontlading: van 8 tot 30% in de eerste maand na volledige lading;
• specifiek energieverbruik - tot 65 W * uur / kilogram;
• levensduur - ongeveer 10 jaar.

Ni-Cd-batterijen worden geproduceerd in verschillende gevallen van standaardafmetingen en in een niet-standaard ontwerp, inclusief schijf-, hermetische vorm.

Waar worden nikkel-cadmium-batterijen gebruikt?

Deze batterijen worden gebruikt in apparaten met een hoge stroomsterkte en ondervinden ook hoge belastingen tijdens het gebruik in de volgende gevallen:

• op trolleybussen en trams;
• op elektrische auto's;
• op zee en binnenvaart;
• in helikopters en vliegtuigen;
• in elektrisch gereedschap (schroevendraaiers, boormachines, elektrische schroevendraaiers en anderen);
• elektrische scheerapparaten;
• in militair materieel;
• draagbare radiostations;
• in speelgoed op de radio;
• in de lichten om te duiken.

Momenteel zijn de meeste batterijen van populaire formaten (vanwege de aanscherping van de milieu-eisen)AA, AAA en andere) wordt geproduceerd door nikkel-metaalhydride en lithium-ion-technologieën. Veel Ni Cd-batterijen van verschillende formaten, die enkele jaren geleden zijn uitgebracht, zijn echter nog steeds in gebruik.

Ni-Cd-cellen hebben een lange levensduur, die soms langer is dan 10 jaar, en daarom kan dit type batterij nog steeds worden gevonden in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, behalve die hierboven vermeld.

Voors en tegens van Ni-Cd batterij

Dit type batterij heeft de volgende positieve eigenschappen:

• lange levensduur en het aantal laad-ontlaadcycli;
• lange levensduur en opslag;
• de mogelijkheid om snel op te laden;
• vermogen om zware ladingen en lage temperaturen te weerstaan;
• handhaafbaarheid in de meest ongunstige bedrijfsomstandigheden;
• lage kosten;
• de mogelijkheid om deze batterijen tot 5 jaar in ontladen toestand op te slaan;
• gemiddelde overbelastingsweerstand.

Tegelijkertijd hebben voedingen van nikkel-cadmium verschillende nadelen:

• de aanwezigheid van een geheugeneffect, tot uiting in capaciteitsverlies bij het opladen van de batterij, zonder te wachten op een volledige ontlading;
• de behoefte aan preventief werk (meerdere laad / ontlaadcycli) om volledige capaciteit te bereiken;
• volledig herstel van de batterij na langdurige opslag vereist drie tot vier cycli van volledige lading-ontlading;
• grote zelfontlading (ongeveer 10% in de eerste maand van opslag), wat leidt tot bijna volledige ontlading van de batterij tijdens het jaar van opslag;
• lage energiedichtheid in vergelijking met andere batterijen;
• de hoge toxiciteit van cadmium, waardoor ze in verschillende landen, waaronder de EU, zijn verboden, de noodzaak om dergelijke batterijen op speciale apparatuur te plaatsen;
• meer gewicht dan moderne batterijen.

Verschil van Ni-Cd uit Li-Ion- of Ni-Mh-bronnen

Batterijen met actieve componenten, waaronder nikkel en cadmium, hebben een aantal verschillen met modernere lithium-ionen en nikkel-metaalhydride bronnen van elektriciteit:

• Ni-Cd-elementen, in tegenstelling tot Li-Ion en Ni-MH opties hebben een geheugeneffect, hebben een lagere specifieke capaciteit bij dezelfde grootte;
• NiCd-bronnen zijn meer pretentieloos, handhaven prestaties bij zeer lage temperaturen, zijn vele malen beter bestand tegen overladen en sterke ontlading;
• Li-Ion- en Ni-Mh-batterijen zijn duurder, bang voor overladen en sterke ontlading, maar hebben minder zelfontlading;
• de levensduur en opslag van Li-Ion-batterijen (2-3 jaar) is meerdere malen korter dan Ni Cd-producten (8-10 jaar);
• nikkel-cadmiumbronnen verliezen snel capaciteit bij gebruik in een buffermodus (bijvoorbeeld in UPS). Hoewel ze vervolgens volledig kunnen worden hersteld door diepe ontlading en lading, is het beter om geen Ni Cd-producten te gebruiken in apparaten waar ze voortdurend worden opgeladen;
• Met dezelfde oplaadmodus van Ni-Cd- en Ni-Mh-batterijen kunt u dezelfde opladers gebruiken, maar u moet rekening houden met het feit dat nikkel-cadmium-batterijen een meer uitgesproken geheugeneffect hebben.

Op basis van de verschillen is het onmogelijk om een ​​ondubbelzinnige conclusie te trekken over welke batterijen beter zijn, omdat alle elementen sterke en zwakke punten hebben.

Gebruiksvoorwaarden

Tijdens bedrijf in Ni Cd-stroombronnen treden een aantal veranderingen op die leiden tot een geleidelijke achteruitgang van de prestaties en uiteindelijk tot prestatieverlies:

• effectief oppervlak en massa van elektroden neemt af;
• de samenstelling en het volume van de elektrolyt verandert;
• ontleding van de scheider en organische onzuiverheden;
• water en zuurstof gaan verloren;
• Huidige lekken treden op als gevolg van de groei van cadmiumdendrieten op de platen.

Om schade aan de batterij die optreedt tijdens het gebruik en de opslag te minimaliseren, is het noodzakelijk om nadelige effecten op de batterij te voorkomen, die verband houden met de volgende factoren:

• de lading van een onvolledig geladen batterij leidt tot een omkeerbaar verlies van zijn capaciteit als gevolg van een afname van het totale oppervlak van de werkzame stof als gevolg van kristalvorming;
• regelmatig krachtig opladen, wat leidt tot oververhitting, verhoogde gasvorming, verlies van water in de elektrolyt en vernietigt de elektroden (vooral de anode) en de scheider;
• onderladen, wat leidt tot voortijdige leegraken van de batterij;
• langdurig gebruik bij zeer lage temperaturen leidt tot een verandering in de samenstelling en het volume van de elektrolyt, de interne weerstand van de batterij neemt toe en de prestaties ervan verslechteren, met name de capaciteit neemt af.

Met een sterke toename van de druk in de batterij als gevolg van een snelle lading met een grote stroom en sterke degradatie van de cadmiumkathode, kan overtollige waterstof in de batterij vrijkomen, wat leidt tot een sterke toename van de druk, die de behuizing kan vervormen, de interne dichtheid schendt, de interne weerstand verhoogt en de werkspanning vermindert.

In batterijen die zijn uitgerust met een nooddrukventiel, kan het risico van vervorming worden voorkomen, maar onomkeerbare veranderingen in de chemische samenstelling van de batterij kunnen niet worden vermeden.

Het opladen van Ni Cd-batterijen moet worden uitgevoerd met een stroom van 10% (indien nodig snel opladen in speciale batterijen met een stroomsterkte tot 100% in 1 uur) van hun capaciteit (bijvoorbeeld 100 mA met een capaciteit van 1000 mAh) gedurende 14-16 uur. De beste ontladingsmodus is een stroom gelijk aan 20% van de batterijcapaciteit.

Hoe Ni Cd-batterij te herstellen

In het geval van capaciteitsverlies kunnen voedingen van nikkel-cadmium bijna volledig worden hersteld met behulp van een volledige ontlading (tot 1 volt per cel) en vervolgens opladen in standaardmodus. Deze training van batterijen kan verschillende keren worden herhaald voor de meest volledige restauratie van hun capaciteit.

Als het niet mogelijk is om de batterij te herstellen door te ontladen en op te laden, kunt u proberen ze te herstellen door korte stroompulsen (tientallen keren groter dan de capaciteit van het herstelde element) gedurende enkele seconden toe te passen. Dit effect elimineert het interne circuit in de batterijcellen dat optreedt als gevolg van de groei van dendrieten door ze met een sterke stroom te verbranden. Er zijn speciale industriële activators die dit effect uitvoeren.

Volledig herstel van de initiële capaciteit van dergelijke batterijen is onmogelijk vanwege onomkeerbare veranderingen in de samenstelling en eigenschappen van de elektrolyt, evenals degradatie van de platen, maar maakt het mogelijk om de levensduur van de batterij te verlengen.

De herstelmethode thuis is om de volgende acties uit te voeren:

• een draad met een doorsnede van ten minste 1,5 vierkante millimeter is minus de herstelde cel verbonden met de kathode van een krachtige batterij, zoals een auto of UPS;
• de tweede draad is stevig bevestigd aan de anode (plus) van een van de batterijen;
• gedurende 3-4 seconden raakt het vrije uiteinde van de tweede draad snel de vrije plus-aansluiting (met een frequentie van 2-3 contacten per seconde). In dit geval is het noodzakelijk om het lassen van draden bij de kruising te voorkomen;
• met een voltmeter wordt de spanning bij de te herstellen bron gecontroleerd; bij afwezigheid wordt een andere herstelcyclus uitgevoerd ;;
• wanneer een elektromotorische kracht op de batterij verschijnt, wordt deze opgeladen;

Bovendien kunt u proberen de dendrieten in de batterij te vernietigen door ze 2-3 uur in te vriezen, gevolgd door een scherpe tik. Wanneer bevroren, worden dendrieten bros en worden vernietigd door een schok, die theoretisch kan helpen om ze kwijt te raken.

Er zijn meer extreme herstelmethoden geassocieerd met de toevoeging van gedestilleerd water aan oude elementen door hun lichamen te boren. Maar de volledige voorziening van de dichtheid van dergelijke elementen in de toekomst is zeer problematisch. Daarom moet u uw gezondheid niet redden en blootstellen aan het risico van vergiftiging met cadmiumverbindingen vanwege de winst van verschillende werkcycli.

Opslag en verwijdering

Het is beter om nikkel-cadmium-batterijen in een ontladen toestand bij een lage temperatuur op een droge plaats op te slaan. Hoe lager de opslagtemperatuur van dergelijke batterijen, hoe minder zelfontlading ze hebben. Hoogwaardige modellen kunnen maximaal 5 jaar worden opgeslagen zonder noemenswaardige schade aan de technische kenmerken. Om ze in gebruik te nemen, is het voldoende om ze op te laden.

Schadelijke stoffen in een AA-batterij kunnen ongeveer 20 vierkante meter grond vervuilen. Voor de veilige verwijdering van Ni Cd-batterijen moeten ze naar recyclingpunten worden gebracht, van waar ze naar fabrieken worden gestuurd, waar ze moeten worden vernietigd in speciale gesloten ovens uitgerust met filters die giftige stoffen afvangen.