Baterii de cadmiu nichel

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, unele dintre cele mai bune surse de curent chimic reîncărcabile au fost bateriile reîncărcabile fabricate cu tehnologia nichel-cadmiu. Ele sunt încă utilizate pe scară largă în diverse domenii, datorită fiabilității și nepretenției lor.

Ce este bateria Nickel Cadmium

Bateriile nichel-cadmiu sunt surse de curent reîncărcabile galvanice, care au fost inventate în 1899 în Suedia de Waldmar Jungner. Până în 1932, utilizarea lor practică a fost foarte limitată datorită costului ridicat al metalelor utilizate în comparație cu bateriile cu plumb.

Îmbunătățirea tehnologiei producției lor a dus la o îmbunătățire semnificativă a caracteristicilor lor operaționale și a permis în 1947 să creeze o baterie sigilată de întreținere, cu parametri excelenți.

Principiul funcționării și dispozitivul bateriei Ni-Cd

Aceste baterii produc energie electrică datorită interacțiunii reversibile a cadmiului (Cd) cu oxidul de nichel-hidroxid (NiOOH) și a apei, ceea ce duce la formarea hidroxidului de nichel Ni (OH) 2 și hidroxidului de cadmiu Cd (OH) 2, ceea ce determină apariția unei forțe electromotive.

Bateriile Ni-Cd sunt produse în carcase sigilate care conțin electrozi separați de un separator neutru, care conține nichel și cadmiu, care sunt într-o soluție dintr-un electrolit alcalin asemănător cu jeleu (de obicei hidroxid de potasiu, KOH).

Electrodul pozitiv este o plasă de oțel sau folie acoperită cu o pastă de oxid de nichel-hidroxid, amestecată cu un material conductor

Electrodul negativ este o plasă de oțel (folie) cu cadmiu poros presat.

Un element nichel-cadmiu este capabil să furnizeze o tensiune de aproximativ 1,2 volți, prin urmare, pentru a crește tensiunea și puterea bateriilor în proiectarea lor, sunt folosiți mulți electrozi paraleli, separați prin separatori.

Specificații și ce sunt bateriile Ni-Cd

Bateriile Ni-Cd au următoarele specificații:

• tensiunea de descărcare a unui element este de aproximativ 0,9-1 volți;
• tensiunea nominală a elementului este de 1,2 v, pentru a obține tensiuni de 12v și 24v, se utilizează o conexiune în serie a mai multor elemente;
• tensiunea unei încărcări complete - 1,5-1,8 volți;
• temperatura de lucru: de la -50 la +40 grade;
• numărul de cicluri de descărcare-încărcare: de la 100 la 1000 (în cele mai moderne baterii - până în 2000), în funcție de tehnologia utilizată;
• nivel de auto-descărcare: de la 8 la 30% în prima lună după o plată completă;
• consum energetic specific - până la 65 W * oră / kilogram;
• durata de serviciu - aproximativ 10 ani.

Bateriile Ni-Cd sunt produse în diferite cazuri de dimensiuni standard și în proiecte non-standard, inclusiv disc, formă ermetică.

Unde se folosesc bateriile nichel-cadmiu?

Aceste baterii sunt utilizate în dispozitivele care consumă curenți mari și, de asemenea, prezintă sarcini mari în timpul funcționării în următoarele cazuri:

• pe troleibuze și tramvaie;
• la mașini electrice;
• pe transportul maritim și fluvial;
• în elicoptere și avioane;
• în scule electrice (șurubelnițe, burghie, șurubelnițe electrice și altele);
• barbietoare electrice;
• în echipament militar;
• posturi de radio portabile;
• în jucării la radio;
• în luminile pentru scufundări.

În prezent, din cauza înăspririi cerințelor de mediu, majoritatea bateriilor de dimensiuni populare (AA, AAA și altele) este produs prin hidrură de nichel-metal și tehnologii cu litiu-ion. Cu toate acestea, multe baterii Ni Cd de diferite dimensiuni, lansate acum câțiva ani, sunt încă în funcțiune.

Celulele Ni-Cd au o durată de viață lungă, care depășește uneori 10 ani și, prin urmare, acest tip de baterie poate fi încă găsit într-o varietate de dispozitive electronice, cu excepția celor enumerate mai sus.

Pro și contra bateriei Ni-Cd

Acest tip de baterie are următoarele caracteristici pozitive:

• durata de viață lungă și numărul de cicluri de descărcare-încărcare;
• durată lungă de viață și depozitare;
• capacitatea de a încărca rapid;
• capacitatea de a rezista la sarcini grele și temperaturi scăzute;
• menținerea operabilității în cele mai nefavorabile condiții de operare;
• cost redus;
• capacitatea de a stoca aceste baterii în stare descărcată până la 5 ani;
• rezistență medie la supraîncărcare.

În același timp, sursele de alimentare cu nichel-cadmiu prezintă mai multe dezavantaje:

• prezența unui efect de memorie, manifestat în pierderea capacității la încărcarea bateriei, fără a aștepta o descărcare completă;
• necesitatea lucrărilor preventive (mai multe cicluri de descărcare de sarcină) pentru a atinge capacitatea completă;
• restaurarea completă a bateriei după stocarea îndelungată necesită trei-patru cicluri de descărcare completă;
• auto-descărcare mare (aproximativ 10% în prima lună de stocare), ceea ce duce la descărcare aproape completă a bateriei în timpul anului de depozitare;
• densitate energetică scăzută în comparație cu alte baterii;
• toxicitatea ridicată a cadmiului, datorită căreia sunt interzise în mai multe țări, inclusiv în UE, nevoia de a arunca astfel de baterii pe echipamente speciale;
• mai multă greutate decât bateriile moderne.

Diferența de Ni-Cd față de sursele Li-Ion sau Ni-Mh

Bateriile cu componente active, inclusiv nichel și cadmiu, au o serie de diferențe față de sursele de electricitate mai moderne ale ionilor de litiu și ale nichel-metalului:

• Elemente Ni-Cd, spre deosebire Li-Ion și Ni-Mh opțiunile au efect de memorie, au o capacitate specifică mai mică la aceeași dimensiune;
• Sursele NiCd sunt mai nepretențioase, mențin performanța la temperaturi foarte scăzute, sunt de multe ori mai rezistente la supraîncărcare și la descărcări puternice;
• Bateriile Li-Ion și Ni-Mh sunt mai scumpe, frică de supraîncărcare și descărcare puternică, dar au mai puține descărcări de sine;
• durata de viață și stocarea bateriilor Li-Ion (2-3 ani) este de câteva ori mai scurtă decât produsele Ni Cd (8-10 ani);
• sursele de nichel-cadmiu își pierd rapid capacitatea atunci când sunt utilizate într-un mod tampon (de exemplu, în UPS). Deși pot fi apoi restaurate complet prin descărcare profundă și încărcare, este mai bine să nu folosiți produse Ni Cd în dispozitivele în care sunt reîncărcate în mod constant;
• același mod de încărcare a bateriilor Ni-Cd și Ni-Mh vă permite să utilizați aceleași încărcătoare, dar trebuie să țineți cont de faptul că bateriile nichel-cadmiu au un efect de memorie mai pronunțat.

Pe baza diferențelor, este imposibil să trageți o concluzie fără ambiguitate despre bateriile care sunt mai bune, deoarece toate elementele au puncte forte și puncte slabe.

Termeni de utilizare

În timpul funcționării în surse de energie Ni Cd, apar o serie de modificări care duc la o deteriorare treptată a performanței și, în final, la pierderea performanței:

• suprafața eficientă și masa electrozilor scade;
• compoziția și volumul electrolitului se modifică;
• descompunerea separatorului și a impurităților organice;
• apa și oxigenul se pierd;
• Scurgerile curente apar din cauza creșterii dendritelor de cadmiu pe plăci.

Pentru a minimiza deteriorarea bateriei care se produce în timpul funcționării și depozitării sale, este necesar să se evite efectele adverse asupra bateriei, care sunt asociate cu următorii factori:

• încărcarea unei baterii incomplet încărcate duce la o pierdere reversibilă a capacității sale din cauza scăderii suprafeței totale a substanței active ca urmare a formării cristalelor;
• reîncărcare puternică obișnuită, care duce la supraîncălzire, creșterea formării gazelor, pierderea apei în electrolit și distruge electrozii (în special anodul) și separatorul;
• subcărcarea, ceea ce duce la descărcarea prematură a bateriei;
• funcționarea pe termen lung la temperaturi foarte scăzute duce la modificarea compoziției și a volumului electrolitului, rezistența internă a bateriei crește, iar performanțele acesteia se deteriorează, în special, capacitatea scade.

Cu o creștere puternică a presiunii în interiorul bateriei ca urmare a unei încărcări rapide cu un curent mare și o degradare puternică a catodului de cadmiu, excesul de hidrogen poate fi eliberat în baterie, ceea ce duce la o creștere accentuată a presiunii, care poate deforma carcasa, încalcă densitatea ansamblului, crește rezistența internă și reduce tensiunea de funcționare.

În bateriile echipate cu o supapă de descărcare a presiunii de urgență, riscul deformării poate fi prevenit, dar nu pot fi evitate modificări ireversibile ale compoziției chimice a bateriei.

Încărcarea bateriilor Ni Cd trebuie să fie efectuată cu un curent de 10% (dacă este necesar, încărcare rapidă în baterii speciale cu un curent de până la 100% în 1 oră) din capacitatea lor (de exemplu, 100 mA la o capacitate de 1000 mAh) timp de 14-16 ore. Cel mai bun mod de descărcare a acestora este un curent egal cu 20% din capacitatea bateriei.

Cum să recuperați bateria Ni Cd

În cazul pierderii capacității, sursele de alimentare cu nichel-cadmiu pot fi restaurate aproape complet folosind o descărcare completă (până la 1 volut pe celulă) și o încărcare ulterioară în modul standard. Acest antrenament al bateriilor poate fi repetat de mai multe ori pentru o restaurare cât mai completă a capacității lor.

Dacă nu este posibilă restabilirea bateriei prin descărcare și încărcare, puteți încerca să le restaurați prin expunerea la impulsuri de curent scurt (de zeci de ori mai mare decât capacitatea elementului restaurat) timp de câteva secunde. Acest efect elimină circuitul intern din celulele bateriei care se datorează creșterii dendritelor prin arderea acestora cu un curent puternic. Există activatori industriali speciali care realizează acest efect.

Restabilirea completă a capacității inițiale a unor astfel de baterii este imposibilă datorită modificărilor ireversibile ale compoziției și proprietăților electrolitului, precum și degradării plăcilor, dar face posibilă prelungirea duratei de viață a bateriei.

Metoda de recuperare la domiciliu este de a efectua următoarele acțiuni:

• un fir cu secțiune transversală de cel puțin 1,5 milimetri pătrați este conectat cu celula restaurată cu catodul unei baterii puternice, cum ar fi o mașină sau un UPS;
• al doilea fir este fixat în siguranță de anodul (plus) al uneia dintre baterii;
• timp de 3-4 secunde, capătul liber al celui de-al doilea fir atinge rapid terminalul gratuit plus (cu o frecvență de 2-3 contacte pe secundă). În acest caz, este necesar să împiedicați sudarea firelor la joncțiune;
• cu un voltmetru, tensiunea la sursa restaurată este verificată; în absența sa, se efectuează un alt ciclu de recuperare;
• când o baterie electromotivă apare pe baterie, aceasta este pusă la încărcare;

În plus, puteți încerca să distrugeți dendritele din baterie, congelându-le timp de 2-3 ore, urmate de un robinet ascuțit. Când sunt înghețați, dendritele devin fragile și sunt distruse de șoc, care teoretic pot ajuta la scăparea de ele.

Există metode de recuperare mai extreme asociate cu adăugarea de apă distilată la elemente vechi prin forarea corpului lor. Dar prevederea completă a etanșeității unor astfel de elemente în viitor este foarte problematică. Prin urmare, nu trebuie să vă salvați și să vă expuneți sănătatea la riscul de intoxicații cu compuși de cadmiu din cauza câștigării mai multor cicluri de muncă.

Depozitare și eliminare

Este mai bine să păstrați bateriile de nichel-cadmiu în stare descărcată la o temperatură scăzută într-un loc uscat. Cu cât este mai scăzută temperatura de depozitare a acestor baterii, cu atât au mai puține descărcări de sine. Modelele de înaltă calitate pot fi stocate până la 5 ani, fără a deteriora semnificativ caracteristicile tehnice. Pentru a le pune în funcțiune, este suficient să le încărcați.

Substanțele nocive conținute într-o baterie AA pot contamina aproximativ 20 de metri pătrați de teritoriu. Pentru eliminarea în condiții de siguranță a bateriilor Ni Cd, acestea trebuie duse în puncte de reciclare, de unde sunt trimise în fabrici, unde trebuie distruse în cuptoare sigilate speciale echipate cu filtre care captează substanțe toxice.