Trong nửa sau của thế kỷ XX, một trong những nguồn hóa chất có thể sạc lại tốt nhất là pin sạc được sản xuất bằng công nghệ niken-cadmium. Chúng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau do độ tin cậy và không khoa học.
Nội dung
Pin Cadmium Niken là gì
Pin niken-cadmium là nguồn có thể sạc lại bằng điện, được phát minh vào năm 1899 tại Thụy Điển bởi Waldmar Jungner. Cho đến năm 1932, việc sử dụng thực tế của chúng rất hạn chế do chi phí cao của kim loại được sử dụng so với pin axit-chì.
Cải tiến công nghệ sản xuất của họ đã dẫn đến một sự cải thiện đáng kể về đặc tính hoạt động của họ và cho phép vào năm 1947 để tạo ra một loại pin không cần bảo trì kín với các thông số tuyệt vời.
Nguyên lý hoạt động và pin Ni-Cd của thiết bị
Những pin này tạo ra năng lượng điện do sự tương tác thuận nghịch của cadmium (Cd) với niken oxit-hydroxit (NiOOH) và nước, dẫn đến sự hình thành của niken hydroxit Ni (OH) 2 và cadmium hydroxide Cd (OH) 2, gây ra sự xuất hiện của một lực điện động.
Pin Ni-Cd được sản xuất trong các hộp kín có chứa các điện cực được phân tách bằng một bộ tách trung tính, có chứa niken và cadmium, trong dung dịch của chất điện phân kiềm giống như thạch (thường là kali hydroxit, KOH).
Điện cực dương là một lưới thép hoặc lá được phủ một lớp niken oxit-hydroxit trộn với vật liệu dẫn điện
Điện cực âm là một lưới thép (lá) với cadmium xốp ép.
Một nguyên tố niken-cadmium có khả năng cung cấp điện áp khoảng 1,2 volt, do đó, để tăng điện áp và năng lượng của pin trong thiết kế của chúng, nhiều điện cực song song được sử dụng, ngăn cách bằng các dải phân cách.
Thông số kỹ thuật và pin Ni-Cd là gì
Pin Ni-Cd có các thông số kỹ thuật sau:
- điện áp phóng điện của một phần tử là khoảng 0,9-1 volt;
- điện áp danh định của phần tử là 1,2 v, để có được điện áp 12 v và 24v, một kết nối loạt của một số phần tử được sử dụng;
- điện áp của một lần sạc đầy - 1,5-1,8 volt;
- nhiệt độ làm việc: từ -50 đến +40 độ;
- số chu kỳ phóng điện: từ 100 đến 1000 (trong các loại pin hiện đại nhất - lên đến 2000), tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng;
- mức tự xả: từ 8 đến 30% trong tháng đầu tiên sau khi sạc đầy;
- mức tiêu thụ năng lượng cụ thể - lên tới 65 W * giờ / kg;
- Tuổi thọ - khoảng 10 năm.
Pin Ni-Cd được sản xuất trong các trường hợp khác nhau có kích thước tiêu chuẩn và trong thiết kế không chuẩn, bao gồm cả đĩa, dạng kín.
Pin niken-cadmium được sử dụng ở đâu?
Những pin này được sử dụng trong các thiết bị tiêu thụ dòng điện cao và cũng chịu tải cao trong quá trình hoạt động trong các trường hợp sau:
- trên xe đẩy và xe điện;
- trên xe điện;
- về vận tải đường biển và đường sông;
- trong máy bay trực thăng và máy bay;
- trong các dụng cụ điện (tua vít, máy khoan, tua vít điện và các loại khác);
- máy cạo râu điện;
- trong trang thiết bị quân sự;
- đài phát thanh di động;
- trong đồ chơi trên đài phát thanh;
- trong ánh đèn để lặn.
Hiện nay, do việc thắt chặt các yêu cầu về môi trường, hầu hết các loại pin có kích cỡ phổ biến (Ôi, AAA và những người khác) được sản xuất bởi công nghệ hydride kim loại niken và lithium-ion. Tuy nhiên, nhiều pin Ni Cd có kích cỡ khác nhau, được phát hành vài năm trước, vẫn đang hoạt động.
Các tế bào Ni-Cd có tuổi thọ dài, đôi khi vượt quá 10 năm và do đó loại pin này vẫn có thể được tìm thấy trong nhiều loại thiết bị điện tử, ngoại trừ những thiết bị được liệt kê ở trên.
Ưu và nhược điểm của pin Ni-Cd
Loại pin này có các đặc điểm tích cực sau:
- tuổi thọ dài và số chu kỳ phóng điện;
- tuổi thọ và lưu trữ lâu dài;
- khả năng sạc nhanh;
- khả năng chịu được tải nặng và nhiệt độ thấp;
- duy trì khả năng hoạt động trong các điều kiện hoạt động bất lợi nhất;
- chi phí thấp;
- khả năng lưu trữ các pin này trong điều kiện xả trong tối đa 5 năm;
- kháng quá tải trung bình.
Đồng thời, nguồn cung cấp niken-cadmium có một số nhược điểm:
- sự hiện diện của hiệu ứng bộ nhớ, biểu hiện ở việc mất dung lượng khi sạc pin, mà không cần chờ xả đầy;
- sự cần thiết của công tác phòng ngừa (một số chu kỳ xả phí) để đạt được công suất đầy đủ;
- phục hồi hoàn toàn pin sau khi lưu trữ lâu dài cần ba đến bốn chu kỳ xả đầy pin;
- tự xả lớn (khoảng 10% trong tháng đầu tiên lưu trữ), dẫn đến xả pin gần như đầy trong năm lưu trữ;
- mật độ năng lượng thấp so với các loại pin khác;
- độc tính cao của cadmium, do chúng bị cấm ở một số quốc gia, bao gồm cả EU, cần phải vứt bỏ pin như vậy trên các thiết bị đặc biệt;
- trọng lượng hơn pin hiện đại.
Sự khác biệt của Ni-Cd từ các nguồn Li-Ion hoặc Ni-Mh
Pin có thành phần hoạt động, bao gồm niken và cadmium, có một số điểm khác biệt so với các nguồn điện hydride lithium-ion và niken-kim loại hiện đại hơn:
- Các nguyên tố Ni-Cd, không giống như Li-ion và Ni-mh tùy chọn có hiệu ứng bộ nhớ, có dung lượng cụ thể thấp hơn ở cùng kích thước;
- Nguồn NiCd ít phô trương hơn, duy trì hiệu suất ở nhiệt độ rất thấp, có khả năng chống quá tải và xả mạnh hơn nhiều lần;
- Pin Li-Ion và Ni-Mh đắt hơn, sợ sạc quá mức và xả mạnh, nhưng ít tự xả;
- Tuổi thọ và lưu trữ của pin Li-Ion (2-3 năm) ngắn hơn nhiều lần so với các sản phẩm Ni Cd (8-10 năm);
- nguồn niken-cadmium nhanh chóng mất công suất khi được sử dụng ở chế độ đệm (ví dụ: trong UPS). Mặc dù sau đó chúng có thể được khôi phục hoàn toàn bằng cách xả sâu và sạc, tốt hơn là không sử dụng các sản phẩm Ni Cd trong các thiết bị mà chúng liên tục được sạc lại;
- cùng chế độ sạc của pin Ni-Cd và Ni-Mh cho phép bạn sử dụng cùng một bộ sạc, nhưng bạn phải tính đến thực tế là pin niken-cadmium có hiệu ứng bộ nhớ rõ rệt hơn.
Dựa trên sự khác biệt, không thể đưa ra kết luận rõ ràng về loại pin nào tốt hơn, vì tất cả các yếu tố đều có điểm mạnh và điểm yếu.
Điều khoản sử dụng
Trong quá trình vận hành trong các nguồn năng lượng Ni Cd, một số thay đổi xảy ra dẫn đến suy giảm hiệu suất dần dần và cuối cùng là mất hiệu suất:
- diện tích hiệu dụng và khối lượng điện cực giảm;
- thành phần và thể tích của chất điện phân thay đổi;
- phân hủy của chất phân tách và tạp chất hữu cơ;
- nước và oxy bị mất;
- Rò rỉ hiện tại xảy ra do sự phát triển của sợi nhánh cadmium trên các tấm.
Để giảm thiểu thiệt hại cho pin xảy ra trong quá trình vận hành và lưu trữ, cần tránh các tác động bất lợi cho pin, có liên quan đến các yếu tố sau:
- việc sạc pin không được sạc đầy dẫn đến mất khả năng đảo ngược do dung lượng của nó giảm do tổng diện tích của hoạt chất là kết quả của sự hình thành tinh thể;
- nạp lại mạnh thường xuyên, dẫn đến quá nhiệt, tăng sự hình thành khí, mất nước trong chất điện phân và phá hủy các điện cực (đặc biệt là cực dương) và thiết bị phân tách;
- sạc quá mức, dẫn đến cạn kiệt pin sớm;
- Hoạt động lâu dài ở nhiệt độ rất thấp dẫn đến thay đổi thành phần và thể tích của chất điện phân, điện trở trong của pin tăng và hiệu suất của nó giảm, đặc biệt là công suất giảm.
Với sự gia tăng mạnh áp suất bên trong pin do sạc nhanh với dòng điện cực lớn và suy giảm mạnh của catốt cadmium, hydro dư thừa có thể được giải phóng vào pin, dẫn đến tăng áp suất mạnh, có thể làm biến dạng vỏ, vi phạm mật độ lắp ráp, tăng điện trở bên trong.
Trong các pin được trang bị van giảm áp khẩn cấp, có thể tránh được nguy cơ biến dạng, nhưng không thể tránh được những thay đổi không thể đảo ngược trong thành phần hóa học của pin.
Việc sạc pin Ni Cd phải được thực hiện với dòng điện 10% (nếu cần thiết, sạc nhanh bằng pin đặc biệt với dòng điện lên tới 100% trong 1 giờ) (ví dụ: 100 mA với dung lượng 1000 mAh) trong 14-16 giờ. Chế độ xả tốt nhất của chúng là dòng điện bằng 20% dung lượng pin.
Cách phục hồi pin Ni Cd
Trong trường hợp mất công suất, nguồn cung cấp năng lượng niken-cadmium có thể được phục hồi gần như hoàn toàn bằng cách sử dụng mức xả đầy đủ (tối đa 1 volt mỗi tế bào) và sạc tiếp theo trong chế độ tiêu chuẩn. Việc đào tạo pin này có thể được lặp đi lặp lại nhiều lần để phục hồi hoàn toàn nhất công suất của chúng.
Nếu không thể khôi phục pin bằng cách xả và sạc, bạn có thể thử khôi phục pin bằng cách áp dụng các xung dòng ngắn (lớn hơn hàng chục lần so với công suất của phần tử được khôi phục) trong vài giây. Hiệu ứng này giúp loại bỏ mạch bên trong các tế bào pin xảy ra do sự phát triển của đuôi gai bằng cách đốt cháy chúng với dòng điện mạnh. Có những chất kích hoạt công nghiệp đặc biệt thực hiện hiệu ứng này.
Việc khôi phục hoàn toàn công suất ban đầu của các loại pin này là không thể do những thay đổi không thể đảo ngược về thành phần và tính chất của chất điện phân, cũng như sự xuống cấp của các tấm, nhưng có thể kéo dài tuổi thọ của pin.
Phương pháp phục hồi tại nhà là thực hiện các hành động sau:
- một dây có tiết diện tối thiểu 1,5 mm vuông được kết nối trừ đi tế bào được phục hồi với cực âm của pin mạnh, chẳng hạn như xe hơi hoặc UPS;
- dây thứ hai được gắn chắc chắn vào cực dương (cộng) của một trong các pin;
- trong 3-4 giây, đầu tự do của dây thứ hai nhanh chóng chạm vào đầu cực cộng miễn phí (với tần số 2-3 tiếp điểm mỗi giây). Trong trường hợp này, cần phải ngăn chặn hàn dây tại ngã ba;
- với một vôn kế, điện áp tại nguồn được khôi phục được kiểm tra, trong trường hợp không có, một chu kỳ phục hồi khác được thực hiện ;;
- khi một lực điện động xuất hiện trên pin, nó sẽ được sạc;
Ngoài ra, bạn có thể cố gắng phá hủy các sợi nhánh trong pin bằng cách đóng băng chúng trong 2-3 giờ, sau đó là một cú chạm mạnh. Khi bị đóng băng, đuôi gai trở nên giòn và bị phá hủy do sốc, về mặt lý thuyết có thể giúp loại bỏ chúng.
Có nhiều phương pháp phục hồi cực đoan hơn liên quan đến việc bổ sung nước cất vào các phần tử cũ bằng cách khoan cơ thể của chúng. Nhưng việc cung cấp đầy đủ sự chặt chẽ của các yếu tố như vậy trong tương lai là rất có vấn đề. Do đó, bạn không nên tiết kiệm và phơi bày sức khỏe của mình trước nguy cơ ngộ độc với các hợp chất cadmium do đạt được một số chu kỳ làm việc.
Lưu trữ và xử lý
Tốt hơn là lưu trữ pin niken cadmium ở trạng thái xả ở nhiệt độ thấp ở nơi khô ráo. Nhiệt độ lưu trữ của pin như vậy càng thấp, chúng càng ít tự xả. Các mô hình chất lượng cao có thể được lưu trữ lên đến 5 năm mà không làm hỏng đáng kể các đặc tính kỹ thuật. Để đưa chúng vào hoạt động, nó là đủ để tính phí cho họ.
Các chất có hại có trong một pin AA có thể gây ô nhiễm khoảng 20 mét vuông lãnh thổ. Để xử lý an toàn pin Ni Cd, chúng phải được đưa đến các điểm tái chế, từ nơi chúng được gửi đến các nhà máy, nơi chúng phải được tiêu hủy trong các lò kín đặc biệt được trang bị các bộ lọc thu giữ các chất độc hại.
