Baterie niklowo-kadmowe

W drugiej połowie XX wieku jednymi z najlepszych ładowalnych chemicznych źródeł prądu były akumulatory wykonane w technologii niklowo-kadmowej. Są nadal szeroko stosowane w różnych dziedzinach ze względu na ich niezawodność i bezpretensjonalność.

Co to jest bateria niklowo-kadmowa

Akumulatory niklowo-kadmowe to galwaniczne źródła prądu wielokrotnego ładowania, które zostały wynalezione w 1899 roku w Szwecji przez Waldmara Jungnera. Do 1932 r. Ich praktyczne zastosowanie było bardzo ograniczone ze względu na wysoki koszt metali używanych w porównaniu z akumulatorami ołowiowo-kwasowymi.

Udoskonalenie technologii ich produkcji doprowadziło do znacznej poprawy ich właściwości operacyjnych i pozwoliło w 1947 r. Stworzyć szczelny bezobsługowy akumulator o doskonałych parametrach.

Zasada działania i akumulator Ni-Cd urządzenia

Baterie te wytwarzają energię elektryczną dzięki odwracalnemu oddziaływaniu kadmu (Cd) z tlenkiem niklu-wodorotlenkiem (NiOOH) i wodą, co powoduje powstawanie wodorotlenku niklu Ni (OH) 2 i wodorotlenku kadmu Cd (OH) 2, co powoduje pojawienie się siły elektromotorycznej.

Akumulatory Ni-Cd są produkowane w szczelnych obudowach, które zawierają elektrody oddzielone neutralnym separatorem, zawierające nikiel i kadm, które są w roztworze galaretowatego elektrolitu alkalicznego (zwykle wodorotlenek potasu, KOH).

Elektroda dodatnia jest stalową siatką lub folią powleczoną pastą tlenek niklu-wodorotlenek zmieszaną z materiałem przewodzącym

Elektroda ujemna jest stalową siatką (folią) z tłoczonym porowatym kadmem.

Jeden element niklowo-kadmowy jest w stanie dostarczyć napięcie około 1,2 wolt, dlatego w celu zwiększenia napięcia i mocy akumulatorów w ich konstrukcji stosuje się wiele równoległych elektrod oddzielonych separatorami.

Dane techniczne i jakie są akumulatory Ni-Cd

Akumulatory Ni-Cd mają następujące specyfikacje:

• napięcie rozładowania jednego elementu wynosi około 0,9-1 wolta;
• napięcie nominalne elementu wynosi 1,2 V, aby uzyskać napięcia 12 V i 24 V, stosuje się szeregowe połączenie kilku elementów;
• napięcie pełnego ładowania - 1,5-1,8 woltów;
• temperatura pracy: od -50 do +40 stopni;
• liczba cykli ładowania i rozładowania: od 100 do 1000 (w najnowocześniejszych akumulatorach - do 2000), w zależności od zastosowanej technologii;
• poziom samorozładowania: od 8 do 30% w pierwszym miesiącu po pełnym naładowaniu;
• jednostkowe zużycie energii - do 65 W * godzina / kilogram;
• żywotność - około 10 lat.

Akumulatory Ni-Cd produkowane są w różnych obudowach o standardowych rozmiarach i niestandardowej konstrukcji, w tym dyskowej, hermetycznej.

Gdzie stosuje się baterie niklowo-kadmowe?

Baterie te są używane w urządzeniach, które zużywają wysokie prądy i również doświadczają dużych obciążeń podczas pracy w następujących przypadkach:

• w trolejbusach i tramwajach;
• w samochodach elektrycznych;
• w transporcie morskim i rzecznym;
• w śmigłowcach i samolotach;
• w elektronarzędziach (wkrętakach, wiertarkach, wkrętakach elektrycznych i innych);
• golarki elektryczne;
• w sprzęcie wojskowym;
• przenośne stacje radiowe;
• w zabawkach w radiu;
• w światłach do nurkowania.

Obecnie ze względu na zaostrzenie wymagań środowiskowych większość akumulatorów o popularnych rozmiarach (AA, AAA i inne) jest wytwarzany za pomocą technologii niklowo-wodorkowych i litowo-jonowych. Jednak wiele akumulatorów Ni Cd o różnych rozmiarach, wydanych kilka lat temu, nadal działa.

Ogniwa Ni-Cd mają długą żywotność, która czasami przekracza 10 lat, dlatego ten typ baterii można nadal znaleźć w różnych urządzeniach elektronicznych, z wyjątkiem wymienionych powyżej.

Plusy i minusy baterii Ni-Cd

Ten typ baterii ma następujące pozytywne cechy:

• długa żywotność i liczba cykli rozładowania;
• długi okres użytkowania i przechowywania;
• możliwość szybkiego ładowania;
• zdolność do wytrzymywania dużych obciążeń i niskich temperatur;
• utrzymywanie operatywności w najbardziej niesprzyjających warunkach operacyjnych;
• niski koszt;
• możliwość przechowywania tych akumulatorów w stanie rozładowanym przez okres do 5 lat;
• średni opór przed przeładowaniem.

Jednocześnie zasilacze niklowo-kadmowe mają kilka wad:

• obecność efektu pamięci, objawiającego się utratą pojemności podczas ładowania akumulatora, bez oczekiwania na pełne rozładowanie;
• potrzeba prac profilaktycznych (kilka cykli ładowania i rozładowania) w celu osiągnięcia pełnej wydajności;
• pełne przywrócenie akumulatora po długim przechowywaniu wymaga trzech do czterech cykli pełnego rozładowania;
• duże samorozładowanie (około 10% w pierwszym miesiącu przechowywania), co prowadzi do prawie pełnego rozładowania akumulatora w ciągu roku przechowywania;
• niska gęstość energii w porównaniu do innych akumulatorów;
• wysoka toksyczność kadmu, z powodu której są zakazane w kilku krajach, w tym w UE, konieczność pozbywania się takich baterii na specjalnym sprzęcie;
• większa waga niż nowoczesne akumulatory.

Różnica Ni-Cd ze źródeł Li-Ion lub Ni-Mh

Baterie z aktywnymi składnikami, w tym niklem i kadmem, różnią się od bardziej nowoczesnych źródeł energii elektrycznej litowo-jonowej i niklowo-wodorkowej:

• W przeciwieństwie do elementów Ni-Cd Litowo-jonowy i Ni-mh opcje mają efekt pamięci, mają niższą pojemność właściwą przy tym samym rozmiarze;
• Źródła NiCd są bardziej bezpretensjonalne, zachowują wydajność w bardzo niskich temperaturach, są wielokrotnie bardziej odporne na przeładowanie i silne rozładowanie;
• Akumulatory Li-Ion i Ni-Mh są droższe, boją się przeładowania i silnego rozładowania, ale mają mniej samorozładowania;
• żywotność i przechowywanie akumulatorów litowo-jonowych (2-3 lata) jest kilkakrotnie krótsze niż w przypadku produktów Ni Cd (8-10 lat);
• źródła niklu i kadmu szybko tracą pojemność, gdy są używane w trybie buforowym (na przykład w UPS). Chociaż można je całkowicie przywrócić przez głębokie rozładowanie i naładowanie, lepiej nie używać produktów Ni Cd w urządzeniach, w których są one stale ładowane;
• ten sam tryb ładowania akumulatorów Ni-Cd i Ni-Mh umożliwia korzystanie z tych samych ładowarek, ale należy wziąć pod uwagę fakt, że akumulatory niklowo-kadmowe mają wyraźniejszy efekt pamięci.

Na podstawie różnic nie można jednoznacznie stwierdzić, które akumulatory są lepsze, ponieważ wszystkie elementy mają mocne i słabe strony.

Warunki użytkowania

Podczas pracy w źródłach zasilania Ni Cd zachodzi szereg zmian, które prowadzą do stopniowego pogorszenia wydajności, a ostatecznie do utraty wydajności:

• efektywna powierzchnia i masa elektrod maleje;
• skład i objętość zmian elektrolitów;
• rozkład separatora i zanieczyszczeń organicznych;
• woda i tlen są tracone;
• Obecne wycieki występują z powodu wzrostu dendrytów kadmu na płytkach.

Aby zminimalizować uszkodzenia akumulatora, które występują podczas jego działania i przechowywania, należy unikać niekorzystnych skutków dla akumulatora, które są związane z następującymi czynnikami:

• ładunek niekompletnie naładowanego akumulatora prowadzi do odwracalnej utraty jego pojemności z powodu zmniejszenia całkowitej powierzchni substancji czynnej w wyniku tworzenia kryształów;
• regularne silne ładowanie, które prowadzi do przegrzania, zwiększonego tworzenia się gazu, utraty wody w elektrolicie i niszczy elektrody (zwłaszcza anodę) i separator;
• niedoładowanie, co prowadzi do przedwczesnego rozładowania akumulatora;
• długotrwałe działanie w bardzo niskich temperaturach prowadzi do zmiany składu i objętości elektrolitu, zwiększa się wewnętrzny opór akumulatora, a jego wydajność pogarsza się, w szczególności maleje pojemność.

Przy silnym wzroście ciśnienia wewnątrz akumulatora w wyniku szybkiego ładowania z dużym prądem i silnym rozkładem katody kadmowej nadmiar wodoru może zostać uwolniony do akumulatora, co prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia, co może zdeformować obudowę, narusza gęstość montażową, zwiększa rezystancję wewnętrzną i zmniejsza napięcie robocze.

W akumulatorach wyposażonych w awaryjny nadciśnieniowy zawór bezpieczeństwa można zapobiec ryzyku odkształcenia, ale nie można uniknąć nieodwracalnych zmian w składzie chemicznym akumulatora.

Ładowanie akumulatorów Ni Cd należy przeprowadzać prądem o wartości 10% (w razie potrzeby szybko ładować w specjalnych akumulatorach o natężeniu do 100% na 1 godzinę) o ich pojemności (na przykład 100 mA przy pojemności 1000 mAh) przez 14-16 godzin. Najlepszym sposobem ich rozładowania jest prąd równy 20% pojemności akumulatora.

Jak odzyskać baterię Ni Cd

W przypadku utraty pojemności zasilacze niklowo-kadmowe można prawie całkowicie przywrócić przy użyciu pełnego rozładowania (do 1 wolta na ogniwo) i kolejnego ładowania w trybie standardowym. Ten trening akumulatorów można powtórzyć kilka razy, aby jak najlepiej przywrócić ich pojemność.

Jeśli nie ma możliwości przywrócenia akumulatora przez rozładowanie i naładowanie, możesz spróbować przywrócić je przez zastosowanie krótkich impulsów prądowych (kilkadziesiąt razy większych niż pojemność przywróconego elementu) przez kilka sekund. Efekt ten eliminuje wewnętrzny obwód w ogniwach akumulatora, który występuje z powodu wzrostu dendrytów, poprzez spalanie ich silnym prądem. Istnieją specjalne aktywatory przemysłowe, które wykonują ten efekt.

Całkowite przywrócenie początkowej pojemności takich akumulatorów jest niemożliwe z powodu nieodwracalnych zmian w składzie i właściwościach elektrolitu, a także degradacji płytek, ale umożliwia przedłużenie żywotności akumulatora.

Technika odzyskiwania w domu polega na przeprowadzeniu następujących działań:

• drut o przekroju co najmniej 1,5 milimetra kwadratowego jest połączony minus przywrócone ogniwo z katodą potężnego akumulatora, takiego jak samochód lub UPS;
• drugi drut jest bezpiecznie przymocowany do anody (plus) jednej z baterii;
• przez 3-4 sekundy wolny koniec drugiego drutu szybko dotyka wolnego bieguna plus (z częstotliwością 2-3 kontaktów na sekundę). W takim przypadku konieczne jest zapobieganie spawaniu drutów na złączu;
• za pomocą woltomierza sprawdzane jest napięcie w przywracanym źródle; w przypadku jego braku wykonywany jest kolejny cykl odzyskiwania;
• gdy na akumulatorze pojawi się siła elektromotoryczna, zostaje ona naładowana;

Ponadto możesz spróbować zniszczyć dendryty w akumulatorze, zamrażając je na 2-3 godziny, a następnie ostro pukając. Po zamrożeniu dendryty stają się kruche i są niszczone przez wstrząs, który teoretycznie może pomóc się ich pozbyć.

Istnieją bardziej ekstremalne metody odzyskiwania związane z dodawaniem wody destylowanej do starych pierwiastków poprzez wiercenie ich ciał. Ale pełne zapewnienie szczelności takich elementów w przyszłości jest bardzo problematyczne. Dlatego nie powinieneś oszczędzać i narażać swojego zdrowia na ryzyko zatrucia związkami kadmu ze względu na zwiększenie liczby cykli roboczych.

Przechowywanie i usuwanie

Lepiej jest przechowywać akumulatory niklowo-kadmowe w stanie rozładowanym w niskiej temperaturze w suchym miejscu. Im niższa temperatura przechowywania takich akumulatorów, tym mniej mają one samorozładowania. Modele wysokiej jakości mogą być przechowywane przez okres do 5 lat bez znacznego uszkodzenia właściwości technicznych. Aby je uruchomić, wystarczy je naładować.

Substancje szkodliwe zawarte w jednej baterii AA mogą zanieczyścić około 20 metrów kwadratowych terytorium. W celu bezpiecznego usuwania akumulatorów Ni Cd należy je zabrać do punktów recyklingu, skąd są one wysyłane do fabryk, gdzie muszą zostać zniszczone w specjalnych, szczelnych piecach wyposażonych w filtry wychwytujące substancje toksyczne.