Baterias de níquel-cádmio

Na segunda metade do século XX, algumas das melhores fontes de corrente química recarregável eram baterias recarregáveis ​​feitas com a tecnologia de níquel-cádmio. Eles ainda são amplamente utilizados em vários campos devido à sua confiabilidade e despretensão.

O que é bateria de níquel cádmio

As baterias de níquel-cádmio são fontes de corrente galvânica recarregável, que foram inventadas em 1899 na Suécia por Waldmar Jungner. Até 1932, seu uso prático era muito limitado devido ao alto custo dos metais utilizados em comparação com as baterias de chumbo-ácido.

O aprimoramento da tecnologia de sua produção levou a uma melhoria significativa em suas características operacionais e, em 1947, foi possível criar uma bateria selada, livre de manutenção e com excelentes parâmetros.

O princípio de operação e a bateria Ni-Cd do dispositivo

Essas baterias produzem energia elétrica devido à interação reversível do cádmio (Cd) com óxido-hidróxido de níquel (NiOOH) e água, o que resulta na formação de hidróxido de níquel Ni (OH) 2 e hidróxido de cádmio Cd (OH) 2, que causa o aparecimento de uma força eletromotriz.

As baterias de Ni-Cd são produzidas em gabinetes selados que contêm eletrodos separados por um separador neutro, contendo níquel e cádmio, que estão em uma solução de um eletrólito alcalino semelhante a uma geléia (geralmente hidróxido de potássio, KOH).

O eletrodo positivo é uma malha ou folha de aço revestida com uma pasta de óxido de níquel-hidróxido misturada com um material condutor

O eletrodo negativo é uma malha de aço (folha) com cádmio poroso pressionado.

Um elemento níquel-cádmio é capaz de fornecer uma tensão de cerca de 1,2 volts, portanto, para aumentar a tensão e a potência das baterias em seu design, muitos eletrodos paralelos são usados ​​separados por separadores.

Especificações e o que são baterias Ni-Cd

As baterias Ni-Cd têm as seguintes especificações:

• a tensão de descarga de um elemento é de cerca de 0,9-1 volts;
• a tensão nominal do elemento é de 1,2 v; para obter tensões de 12v e 24v, é usada uma conexão em série de vários elementos;
• tensão de uma carga completa - 1,5-1,8 volts;
• temperatura de trabalho: de -50 a +40 graus;
• número de ciclos de carga e descarga: de 100 a 1000 (nas baterias mais modernas - até 2000), dependendo da tecnologia utilizada;
• nível de autodescarga: de 8 a 30% no primeiro mês após uma carga completa;
• consumo de energia específico - até 65 W * hora / quilograma;
• vida útil - cerca de 10 anos.

As baterias de Ni-Cd são produzidas em vários casos de tamanhos padrão e em design não-padrão, incluindo disco, forma hermética.

Onde são usadas as baterias de níquel-cádmio?

Essas baterias são usadas em dispositivos que consomem altas correntes e também sofrem altas cargas durante a operação nos seguintes casos:

• em tróleis e bondes;
• em carros elétricos;
• no transporte marítimo e fluvial;
• em helicópteros e aviões;
• em ferramentas elétricas (chaves de fenda, brocas, chaves de fenda elétricas e outras);
• barbeadores elétricos;
• em equipamento militar;
• estações de rádio portáteis;
• em brinquedos no rádio;
• nas luzes para mergulhar.

Atualmente, devido ao aperto dos requisitos ambientais, a maioria das baterias de tamanhos populares (AA, AAA e outros) é produzido pelas tecnologias de hidreto de níquel-metal e íons de lítio. No entanto, muitas baterias de Ni Cd de vários tamanhos, lançadas há vários anos, ainda estão em operação.

As células Ni-Cd têm uma vida útil longa, que às vezes excede 10 anos e, portanto, esse tipo de bateria ainda pode ser encontrado em muitos dispositivos eletrônicos, exceto nos listados acima.

Prós e contras da bateria Ni-Cd

Este tipo de bateria possui as seguintes características positivas:

• vida longa e número de ciclos de carga-descarga;
• longa vida útil e armazenamento;
• a capacidade de cobrar rapidamente;
• capacidade de suportar cargas pesadas e baixas temperaturas;
• manutenção da operacionalidade nas condições operacionais mais adversas;
• baixo custo;
• a capacidade de armazenar essas baterias em condições descarregadas por até 5 anos;
• resistência média a sobrecarga.

Ao mesmo tempo, as fontes de alimentação de níquel-cádmio apresentam várias desvantagens:

• a presença de um efeito de memória, manifestado na perda de capacidade ao carregar a bateria, sem esperar uma descarga completa;
• a necessidade de trabalho preventivo (vários ciclos de carga-descarga) para atingir a capacidade total;
• a restauração completa da bateria após armazenamento prolongado requer três a quatro ciclos de descarga total da carga;
• grande descarga automática (cerca de 10% no primeiro mês de armazenamento), levando a uma descarga quase total da bateria durante o ano de armazenamento;
• baixa densidade de energia em comparação com outras baterias;
• a alta toxicidade do cádmio, devido à sua proibição em vários países, incluindo a UE, a necessidade de descartar essas baterias em equipamentos especiais;
• mais peso que as baterias modernas.

Diferença de Ni-Cd de fontes Li-Ion ou Ni-Mh

As baterias com componentes ativos, incluindo níquel e cádmio, apresentam diversas diferenças em relação às fontes mais modernas de eletricidade de íons de lítio e hidreto de níquel-metal:

• Elementos Ni-Cd, ao contrário Iões de lítio e Ni-mh as opções têm um efeito de memória, têm uma capacidade específica mais baixa no mesmo tamanho;
• As fontes de NiCd são mais despretensiosas, mantêm o desempenho em temperaturas muito baixas, são muitas vezes mais resistentes a sobrecargas e descargas fortes;
• As baterias de íon de lítio e Ni-Mh são mais caras, com medo de sobrecarga e descarga forte, mas têm menos autodescarga;
• a vida útil e o armazenamento das baterias de íon de lítio (2-3 anos) são várias vezes mais curtos que os produtos Ni Cd (8 a 10 anos);
• as fontes de níquel-cádmio perdem rapidamente a capacidade quando usadas no modo buffer (por exemplo, no no-break). Embora possam ser completamente restaurados por descargas e cargas profundas, é melhor não usar produtos de Ni Cd em dispositivos em que são constantemente recarregados;
• o mesmo modo de carga das baterias Ni-Cd e Ni-Mh permite usar os mesmos carregadores, mas você deve levar em consideração o fato de que as baterias de níquel-cádmio têm um efeito de memória mais pronunciado.

Com base nas diferenças, é impossível tirar uma conclusão inequívoca sobre quais baterias são melhores, pois todos os elementos têm pontos fortes e fracos.

Termos de Uso

Durante a operação em fontes de energia de Ni Cd, ocorrem várias alterações que levam a uma deterioração gradual no desempenho e, finalmente, à perda de desempenho:

• área efetiva e massa de eletrodos diminui;
• a composição e o volume do eletrólito mudam;
• decomposição do separador e impurezas orgânicas;
• água e oxigênio são perdidos;
• Os vazamentos atuais ocorrem devido ao crescimento de dendritos de cádmio nas placas.

Para minimizar os danos à bateria que ocorrem durante sua operação e armazenamento, é necessário evitar efeitos adversos sobre a bateria, que estão associados aos seguintes fatores:

• a carga de uma bateria com carga incompleta leva a uma perda reversível de capacidade devido a uma diminuição na área total da substância ativa em resultado da formação de cristais;
• recarga forte e regular, que leva ao superaquecimento, aumento da formação de gás, perda de água no eletrólito e destrói os eletrodos (especialmente o ânodo) e o separador;
• subcarga, levando ao esgotamento prematuro da bateria;
• A operação a longo prazo em temperaturas muito baixas leva a uma alteração na composição e no volume do eletrólito, a resistência interna da bateria aumenta e seu desempenho se deteriora, em particular, a capacidade diminui.

Com um forte aumento de pressão dentro da bateria como resultado de uma carga rápida com uma grande corrente e forte degradação do cátodo de cádmio, o excesso de hidrogênio pode ser liberado na bateria, o que leva a um aumento acentuado da pressão, que pode deformar o gabinete, violar a densidade da montagem, violar a densidade da montagem, aumentar a resistência interna e reduzir a tensão de operação.

Em baterias equipadas com uma válvula de alívio de pressão de emergência, o risco de deformação pode ser evitado, mas alterações irreversíveis na composição química da bateria não podem ser evitadas.

O carregamento de baterias de Ni Cd deve ser realizado com uma corrente de 10% (se necessário, uma carga rápida em baterias especiais com uma corrente de até 100% por 1 hora) de sua capacidade (por exemplo, 100 mA a uma capacidade de 1000 mAh) por 14 a 16 horas. O melhor modo de descarga é uma corrente igual a 20% da capacidade da bateria.

Como recuperar a bateria Ni Cd

Em caso de perda de capacidade, as fontes de alimentação de níquel-cádmio podem ser quase completamente restauradas usando uma descarga completa (até 1 volt por célula) e subsequente carga no modo padrão. Este treinamento de baterias pode ser repetido várias vezes para a restauração mais completa de sua capacidade.

Se não for possível restaurar a bateria por descarga e carga, tente restaurá-las aplicando pulsos de corrente curtos (dezenas de vezes maiores que a capacidade do elemento restaurado) por vários segundos. Esse efeito elimina o circuito interno nas células da bateria que ocorre devido ao crescimento de dendritos, queimando-os com uma corrente forte. Existem ativadores industriais especiais que realizam esse efeito.

A restauração total da capacidade inicial dessas baterias é impossível devido a alterações irreversíveis na composição e propriedades do eletrólito, bem como à degradação das placas, mas possibilita prolongar a vida útil da bateria.

A técnica de recuperação em casa é realizar as seguintes ações:

• um fio com uma seção transversal de pelo menos 1,5 milímetros quadrados está conectado menos a célula restaurada com o cátodo de uma bateria poderosa, como um carro ou UPS;
• o segundo fio está firmemente conectado ao ânodo (mais) de uma das baterias;
• por 3-4 segundos, a extremidade livre do segundo fio toca rapidamente o terminal free plus (com uma frequência de 2-3 contatos por segundo). Nesse caso, é necessário evitar a soldagem de fios na junção;
• com um voltímetro, a tensão na fonte que está sendo restaurada é verificada; na sua ausência, outro ciclo de recuperação é realizado;
• quando uma força eletromotriz aparece na bateria, ela é carregada;

Além disso, você pode tentar destruir os dendritos na bateria congelando-os por 2-3 horas, seguido de um toque agudo. Quando congelados, os dendritos se tornam quebradiços e são destruídos pelo choque, o que teoricamente pode ajudar a se livrar deles.

Existem métodos de recuperação mais extremos associados à adição de água destilada a elementos antigos, perfurando seus corpos. Mas a disposição total da rigidez de tais elementos no futuro é muito problemática. Portanto, você não deve salvar e expor sua saúde ao risco de envenenamento com compostos de cádmio devido ao ganho de vários ciclos de trabalho.

Armazenamento e descarte

É melhor armazenar baterias de níquel-cádmio em um estado descarregado a uma temperatura baixa em local seco. Quanto menor a temperatura de armazenamento dessas baterias, menor a descarga automática. Modelos de alta qualidade podem ser armazenados por até 5 anos sem danificar significativamente as características técnicas. Para colocá-los em operação, basta carregá-los.

Substâncias nocivas contidas em uma bateria AA podem contaminar cerca de 20 metros quadrados de território. Para o descarte seguro das baterias de Ni Cd, elas devem ser levadas aos pontos de reciclagem, de onde são enviadas às fábricas, onde devem ser destruídas em fornos especiais fechados, equipados com filtros que capturam substâncias tóxicas.