Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) на данный момент все ещё достаточно широко используются в народном хозяйстве. По своей конструкции они относятся к группе щелочных аккумуляторов. Эти батареи востребованы, несмотря на то, что их производство и применение ограничивается из соображений охраны окружающей среды (кадмий является ядовитым веществом). Но полностью отказаться от них не получается, поскольку эти аккумуляторные батареи используют в устройствах, где другие батареи работать не могут. В частности это эксплуатация с разрядными и зарядными токами большой величины. Это достаточно простые в обслуживании устройства с длительным сроком эксплуатации. Поэтому они заслуживают рассмотрения в отдельной статье.

Первый никель-кадмиевый аккумулятор создал Вальдмар Юнгнер ещё в 1899 году. Но тогда производство этих щелочных аккумуляторов обходилось значительно дороже, чем других видов батарей. Так, что об этом изобретении на некоторое время забыли. В 1932 году был разработан метод осаждения активного материала на пористый никелевый электрод. Это приблизило выпуск промышленных аккумуляторов Ni-Cd.

В 1947 году был проведен ряд работ, в ходе которых осуществили рекомбинацию газов, выделяющихся при заряде, без их отведения. В результате на свет появились герметичные Ni-Cd аккумуляторы, которые применяются до сих пор. Среди производителей никель-кадмиевых аккумуляторов можно назвать такие крупные компании, как GP Batteries, Самсунг, Варта, GAZ, Konnoc, Advanced Battery Factory, Панасоник, Metabo, Ansmann и другие.

Несмотря на широкое распространение в народном хозяйстве за последние десятилетия, никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно сужают область применения. Их постепенно теснят никель-металлогидридные, а также литиевые батареи.

В частности Ni-Cd батареи уступают им место портативной технике. Причиной тому является опасность кадмия для человека и окружающей среду. Для утилизации таких аккумуляторов требуется специальное оборудование для улавливания кадмия. для автомобиля проводится проще, быстрее и лучше отработана. Но до сих пор существует достаточно много направлений, где никель-кадмиевые батареи незаменимы.

Применение никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Никель-кадмиевые аккумуляторы с небольшими размерами применяются в технических устройствах, требующих для своей работы большой ток. В таких условиях Ni-Cd аккумуляторы выдают стабильную мощность и не перегреваются в отличие от других типов аккумуляторных батарей. Никель-кадмиевые аккумуляторы широко используются в троллейбусах, трамваях, в роли тяговых АКБ на электрических карах, встречаются промышленные аккумуляторы Ni-Cd. Кроме того, широкое применение они нашли на морском и речном транспорте.

Ni-Cd аккумуляторы можно встретить в вертолетах и самолетах в роли бортовых батарей, в портативных инструментах (шуруповёрт, перфоратор и т. п.). Однако в инструментах все чаще встречаются литиевыми батареями. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи пока не могут заменить в тех портативных устройствах, которые имеют потребление большой мощности. Хотя в некоторых устройствах их успешно заменяют , которые не имеют в своём составе вредного кадмия.

Широкое применение нашли Ni-Cd батареи в дисковом исполнении. Этот вариант широко использовался в качестве батареи для питания энергонезависимой памяти в первых персональных компьютерах. Они были распаяны на материнской плате. Впоследствии их заменили литиевыми аккумуляторами. Дисковые батарейки также широко применялись в фотоаппаратах, вспышках, калькуляторах, фонариках, радиоприёмниках, слуховых аппаратах и т. п.

Ni-Cd аккумуляторы могут долго храниться, просты в обслуживании, малочувствительны к низким температурам, имеют низкое внутреннее сопротивление и малый удельный вес. Все это пока перевешивает отрицательный момент, связанный с наличием в них ядовитого кадмия. Никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему доминируют при использовании в авиации, военной технике, устройствах мобильной радиосвязи. Дополнительно можете прочитать материал о том, как восстанавливаются Ni-Cd .

Устройство никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Конструкция Ni-Cd аккумуляторов

Конструктивно никель-кадмиевый аккумулятор представляет собой положительный и отрицательный электрод, разделенные сепаратором. Они погружены в щелочной электролит и все это закрыто в герметичном металлическом корпусе. Положительный электрод имеет в своем составе NiOOH (оксид-гидроксид никеля). В составе отрицательного присутствует кадмий (Cd) в компаунде. В роли электролита выступает раствор KOH (гидроксид калия). Это сильная щелочь, не имеющая запаха. Преимущества KOH в том, что вещество не взрывоопасное и не пожароопасное. Массовая доля KOH в электролите по ГОСТ Р 50711-94 должна составлять не меньше 85 процентов в твердом и не меньше 45 процентов в жидком виде.

Чтобы увеличить площадь поверхности электродов, их выпускают из фольги малой толщины. Сепаратор между электродами делается из нетканого материала, который не взаимодействует со щелочью. Сам электролит в процессе реакции не расходуется.

Один никель-кадмиевый элемент выдает напряжение около 1 вольта. Поэтому они объединяются в батареи с плотностью энергии примерно 60 Вт-ч на один килограмм.

На изображении ниже можно посмотреть основные элементы щелочного никель кадмиевого аккумулятора серии KL.

Борн или токовывод предназначен для съем тока с аккумулятора и выступает в роли клеммы для соединения батарей. Через пробку обеспечивается заливка электролита, а также выход газа, образующегося в процессе зарядки. Соединение электродов вместе с контактными планками обеспечивает съём и подачу с электродов на борн. Контактные планки имеют сварное соединение с электродами.

Электрод представляет собой ламели, расположенные горизонтально. В них находится активное вещество в перфорированной ленте из стали. Ребро дает жесткость электрода и обеспечивает перетекание тока на контактную планку. Электроды разной полярности разделяются рамочным сепаратором, который не препятствует свободной циркуляции электролита.

Реакции, проходящие на электродах Ni-Cd аккумулятора

Процессы на положительном электроде

Основные электрохимические реакции, протекающие на положительном электроде никель-кадмиевой аккумуляторной батареи, можно описать следующими формулами:

В процессе заряда

Ni(OH) 2 + OH - ? NiOOH + H 2 O + e -

В процессе разряда

NiOOH + H 2 O + e - ? Ni(OH) 2 + OH -

Оксид-гидроксид никеля (NiOOH) на положительном электроде может быть в двух вариантах:

• ?- Ni(OH) 2 ;
• ?-Ni(OH) 2 .

Эти формы различаются по своей плотности и гидратации. Если батарея разряжена, то на положительном электроде есть обе эти формы гидроксида никеля. Когда Ni-Cd аккумулятор заряжается, то форма?-Ni(OH) 2 превращается в?-NiOOH. При этом кристаллическая решетка вещества несколько изменяется. На заключительной стадии зарядки происходит образование?-NiOOH. Количество фаз? и? гидроксида никеля будет зависеть от конкретных условий заряда.

Фаза? интенсивно образуется при большой скорости зарядки или при перезаряде. В результате образования?-NiOOH происходит коренная перестройка структуры оксидов. Для сравнения, плотность фазы? составляет 4,15, а фазы?-3,85 гр./см 3 . По этой причине при перезаряде Ni-Cd аккумулятора происходит изменение объем активной массы положительного электрода. Электрохимические свойства? и? также отличаются. Для формы?-NiOOH заряд проходит менее эффективно и коэффициент использования по току в этом случае меньше формы?. Форма? также имеет меньший разрядный потенциал и саморазряд в два раза меньший, чем для?.

Процессы на отрицательном электроде

На отрицательном электроде никель-кадмиевой батареи протекают следующие реакции:

При заряде

Cd(OH) 2 + 2e ? ? Cd + 2OH ?

При разряде

Cd + 2OH ? ? Cd(OH) 2 + 2e ?

Ёмкость кадмиевого электрода в никель-кадмиевых батареях превышает ёмкость положительного электрода примерно на 20-70 процентов. По этой причине считается, что потенциал отрицательного электрода при заряде-разряде, остается неизменным.

Общие процессы в Ni-Cd аккумуляторе

В никель-кадмиевой батарее протекают следующие реакции:

При заряде

2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 ? 2NiOOH + Cd + 2H 2 O

При разряде

2NiOOH + Cd + 2H 2 O ? 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2

В процессе перезаряда на положительном электроде протекает следующая реакция:

2OH ? ? 1/2O2 + H 2 O + 2e ?

То есть, выделяется кислород, который через сепаратор доходит до отрицательного электрода и там с его участием идет следующая реакция:

1/2O2 + Cd + H 2 O ? Cd(OH) 2

В результате происходит замкнутая реакция по кислороду. Это стабилизирует давление в никель-кадмиевом аккумуляторе при перезаряде. Величина давления в батарее в значительной степени зависит от скорости транспортировки кислорода между положительным и отрицательным электродами. В процессе перезаряда на отрицательном кадмиевом электроде может выделяться водород:

H 2 O + e ? ? OH ? + 1/2H 2

Затем он окисляется на положительном электроде. Реакция выглядит так:

NiOOH + 1/2H 2 ? Ni(OH) 2

Образование водорода в герметичном аккумуляторе – это опасный процесс. Если скорость его поглощения будет низкой, то это может привести к его накоплению. А это уже взрывоопасно. Поэтому в герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах емкость кадмиевого электрода делают значительно больше, чем положительного.

Ёмкость такой герметичной батареи определяется именно значением ёмкости оксидно-никелевого электрода.

Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Номинальное напряжение никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов составляет 1,2 вольта. Заряд током 1/10 от ёмкости происходит за 16 часов. Замер ёмкости Ni-Cd аккумулятора производится при разряде током 2/10 от номинальной ёмкости до напряжения один вольт.

На изображении ниже можно видеть разрядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при различных режимах разряда.

На графиках ниже можно посмотреть зависимость разрядной ёмкости от нагрузочного тока и температуры.

Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов зависит в основном от термодинамической неустойчивости электрода из оксида-гидроксида никеля. Влияние тока утечки между электродами на саморазряд небольшое. Но постепенно увеличивается со временем эксплуатации батареи. Тепловыделение в Ni-Cd аккумуляторах во многом зависит от степени заряженности. После того, как аккумулятор набрал 70 процентов емкости, активизируется процесс выделения кислорода. В результате из-за ионизации кислорода на отрицательных электродах происходит разогрев аккумулятора. По окончании зарядки температура в Ni-Cd аккумуляторе поднимается на 10-15 градусов Цельсия. Если заряд осуществляется в ускоренном режиме, то увеличение температуры может составлять 40-45 градусов Цельсия.

После отключения от заряда потенциал положительного (оксидно-никелевого) электрода уменьшается и происходит постепенное выравнивание заряда глубинного и поверхностного слоя. Через некоторое время интенсивность саморазряда снижается. У различных серий Ni-Cd аккумуляторов саморазряд и стабилизации остаточной емкости могут значительно различаться. Саморазряд, помимо снижения ёмкости, ещё приводит к понижению напряжения на 0,03-0,05 вольта. Это явление объясняется постепенным выравниванием заряда в глубине и на поверхности электрода. Кроме того, влияние оказывает частичная пассивация активной массы.

Хранение никель-кадмиевых аккумуляторов (равно, как и свинцово-кислотных) при низкой температуре снижает саморазряд. При 20 градусах Цельсия саморазряд в два раза больше, чем при 0.

На следующем изображении показан график изменения потери емкости для никель-кадмиевых аккумуляторов при различных температурах.

Чтобы компенсировать саморазряд при хранении аккумулятора, можно поставить его на подзарядку малым током. Обычно величина тока подзаряда составляет 0,03-0,05 от ёмкости. Но конкретное значение оговаривается производителем аккумулятора. Способность выдерживать длительный перезаряд у разная у никель-кадмиевых аккумуляторов различной конструкции. Дисковые щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, которые имеют ламельные электроды большой толщины, к перезаряду приспособлены меньше всего. Но есть и такие конструкции, которые способны без последствий выдержать перезаряд несколько месяцев.

Что касается энергетических характеристик Ni-Cd аккумуляторов, то они также различаются в зависимости от разновидностей батареи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы с 2 электродами имеют удельные энергетические характеристики 15-18 Вт-ч на килограмм и 35-45 Вт-ч на литр. Та же разновидность, но с 4 электродами имеет удельные энергетические характеристики в два раза больше. Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов эти величины составляют 45 Вт-ч на килограмм и 130 Вт-ч на литр.

Что влияет на разряд Ni-Cd аккумуляторов?

Разрядные характеристики конкретных моделей зависят от следующих характеристик:

• толщина, структура, внутреннее сопротивление электродов;
• плотность сборки групп электродов;
• характеристики сепаратора (толщина и структура);
• объем электролита;
• специфические особенности конструкции батареи.

Дисковые Ni-Cd аккумуляторы с прессованными электродами большой толщины используются в условиях продолжительного разряда. В этом случае происходит постепенное снижение ёмкости и напряжения до 1,1 вольта. При разряде до 1 вольта ёмкости остаётся около 5-10 процентов от номинала. Такие аккумуляторные батареи демонстрируют значительное снижение разрядного напряжения и теряемой емкости Ni-Cd аккумуляторов при возрастании тока разряда до величины 0,2*C. Объясняется это тем, что активная масса не имеет возможности равномерно разряжаться на разной глубине электродов.

Для аккумуляторных батарей, работающих в режиме разряда средней интенсивности, делаются электроды меньшей толщины, и увеличивается их число до 4. В результате ток разряда возрастает до 0,6 от ёмкости.

Есть еще, так называемые, короткоразрядные аккумуляторы. В них установлены металлокерамические электроды с малым внутренним сопротивлением. Эти модели имеют самые высокие энергетические показатели среди других разновидностей никель-кадмиевых аккумуляторов. У них напряжение при разряде держится выше 1,2 вольта до того момента, пока они не исчерпают 90 процентов ёмкости батареи. Эти аккумуляторы могут использоваться при разрядке большими значениями тока (3-5С).

Стоит отметить ещё цилиндрические батареи с рулонными электродами. Эти современные аккумуляторы могут разряжаться длительное время током 7-10С. На графиках разряда, представленных выше можно видеть, что температура ОС оказывает существенное влияние на характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов. Наибольшее значение ёмкости аккумулятор имеет при 20 градусах Цельсия. При повышении температуры она практически не меняется. Но при понижении до 0 градусов емкость падает тем быстрее, чем больше величина тока разряда. Это понижение ёмкости связано с уменьшением разрядного напряжения, которое вызвано ростом поляризационного и омического сопротивления. Сопротивление возрастает из-за малого объема электролита.

Так, что состав щелочи (электролита) и её концентрация существенно отражаются на характеристиках аккумулятора. От этого зависит температура образования солей, кристаллогидратов, льда и прочих элементов.

Если электролит замерз, то разряд вообще исключен. Нижнее значение рабочей температуры Ni-Cd аккумуляторов в большинстве случаев составляет минус 20 градусов Цельсия. Для некоторых видов батарей состав электролита корректируется, и нижняя граница температурного диапазона расширяется до минус 40 градусов Цельсия.

Что влияет на заряд Ni-Cd аккумуляторов?

При зарядке герметичного никель-кадмиевого аккумулятора важным является ограничение перезаряда. При перезарядке увеличивается давления внутри батареи из-за выделения кислорода. Так, что эффективность использования тока падает по мере приближения к 100-ной зарядке.

На изображении ниже можно посмотреть графики характеризующие зависимость ёмкости при разряде цилиндрического аккумулятора.

Зарядку Ni-Cd аккумуляторов допускается проводить в температурном диапазоне 0-40 градусов Цельсия. Рекомендуемый интервал 10-30 градусов. Поглощение кислорода на кадмиевом электроде замедляется при снижении температуры, что приводит к росту давления. Если температура выше рекомендуемой, то растёт потенциал и на положительном оксидно-никелевом электрода кислород начинает выделяться очень рано. При равной температуре кислород выделяется тем активнее, чем больше ток заряда. При это скорость поглощения кислорода почти не изменяется. У эта величина зависит от конструкции батареи, а точнее, от транспортировки кислорода от положительного к кадмиевому отрицательному электроду. На это влияет плотность компоновки, толщины, структура электродов, а также материала сепаратора и объема электролита.

Чем меньше толщина электродов и чем выше плотность их компоновки, тем эффективнее будет проходить процесс заряда. Цилиндрические аккумуляторы с рулонными электродами являются наиболее эффективными в этом плане. Для них эффективность заряда при изменении тока от 0,1 до 1С почти не меняется. Стандартным производители называют режим зарядки, в результате которого батарея с напряжением 1 вольт полностью заряжается за 16 часов током 0,1 от ёмкости. Некоторые модели при заряде в таком режиме требуют 14 часов. Конкретные показатели уже зависят от конструктивных особенностей и объема активной массы.

Все вышесказанное справедливо для гальваностатического заряда. Это заряд при постоянном значении силы тока. Но заряд может также вестись с плавным или ступенчатым снижением силы тока на заключительной стадии зарядки. Тогда на начальном этапе ток может устанавливаться гораздо выше стандартного значения 0,1 от ёмкости. Часто бывает реальная необходимость в увеличении скорости зарядки. Проблему решают с использованием аккумуляторов, характеристики которых позволяют эффективно принимать заряд током высокой плотности. Ток поддерживается постоянным на протяжении всего процесса зарядки. Также совершенствуются системы контроля, которые не допускают перезаряд батареи.

Цилиндрические никель-кадмиевые аккумуляторы обычно заряжаются в следующих режимах:

• 6-7 часов током 0,2 от ёмкости;
• 3-4 часа током 0,3 от ёмкости.

При ускорении не рекомендуется допускать перезаряд больше 120-140 процентов. Тогда будет обеспечена ёмкость не меньше номинала. Ni-Cd аккумуляторы для работы в ускоренных режимах заряжаются ещё быстрее (примерно около одного часа). Однако в последнем случае нужен контроль напряжения и температуры. Иначе, из-за быстрого роста давления, может начаться процесс деградации аккумуляторов.

После того, как заряд закончен в герметичном аккумуляторе еще продолжается выделение кислорода из-за окисления гидроксильных ионов на положительном электроде. За счет процесса саморазряда уменьшается потенциал, и процесс выделения кислорода постепенно уменьшается и становится равным поглощению его на кадмиевом электроде. Тогда давление уменьшается. О том, детально разобрано по указанной ссылке.

Эксплуатация никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Постепенно при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов в них происходят изменениями, оказывающие влияние на работоспособность. Эти изменения вызывают постепенное падение напряжения аккумулятора и снижение его разрядной емкости.

Какие факторы приводят к отказу в работе Ni-Cd аккумуляторов:

• Уменьшение рабочей поверхности электродов;
• потеря активной массы электродов;
• изменение состава и объема щелочного электролита, а также его перераспределение в батарее;
• возникновение утечек по проводникам, вызванные ростом дендритов кадмия;
• процессы, которые связаны с необратимым расходом воды и кислорода;
• распад органических веществ.

Изменения в положительном электроде (оксидно-никелевый)

После определенного, достаточно большого, количества циклов происходит изменение плотности активной массы положительного электрода. Возникает, так называемое, набухание оксидно-никелевого электрода. Кроме того, уменьшается его прочность. В результате снижается качество контакта активной массы с основой электрода. Как следствие, падает электрическая проводимость электрода и уменьшается ёмкость аккумулятора.

Уменьшение прочности положительного электрода вызывается в основном из-за регулярном перезаряда. Как говорилось выше, это сопровождается выделением кислорода в герметичном корпусе аккумулятора. В батареях с электродами из металлокерамики эти изменения наблюдаются в значительно меньшей степени. При эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов наблюдается увеличение кристаллов активной массы. Это приводит к уменьшению рабочей поверхности электродов и падению ёмкости.

Изменения в отрицательном электроде (кадмиевый)

На кадмиевом электроде основным процессом, вызывающим его деградацию, является миграция активной массы. У отработавшего длительное время Ni-Cd аккумулятора активную массу отрицательного электрода можно найти как в сепараторе, так и на положительном электроде. В результате наблюдается потеря активной массы, а также блокировка поверхностного слоя отрицательного электрода.

Это ухудшает доступ щелочного электролита вглубь электрода. В результате растет внутреннее сопротивление аккумулятора. Миграция активной массы и нарастание дендритов сквозь сепаратор до положительного электрода вызывает короткие замыкания и нарастание саморазряда. Как и в оксидно-никелевом электроде, так и в кадмиевом укрупняются кристаллы, и набухает активная масса.

Срок службы никель-кадмиевого аккумулятора сокращают и другие необратимые процессы. В частности, из-за высокого окислительного потенциала положительного электрода, на нём окисляются органические примеси. Это специальные стабилизирующие и активирующие добавки в этом типе аккумуляторов. Металлокерамическая основа электрода при своем окислении потребляет воду и выделяет гидроксид никеля (Ni(OH) 2).

Увеличение давления в никель-кадмиевом аккумуляторе также оказывает пагубное влияние на состояние аккумулятора. Когда снижается ёмкость кадмиевого электрода, то меняется баланс ёмкостей положительных и отрицательных пластин. В результате создаются условия для выделения водорода. При малой скорости рекомбинации водород начинает скапливаться и возникает угроза резкого увеличения давления. Такая картина часто наблюдается при быстром заряде. У призматических и дисковых моделей Ni-Cd аккумуляторов при повышенном давлении корпус может деформироваться. Герметичность может сохраниться, но плотности сборки нарушается, растет внутреннее сопротивление батареи и снижается разрядное напряжение.

Стоит помнить, что водород также скапливается при постоянной разрядке батареи до 0 вольт. Кроме того, внутри аккумулятора есть азот, попадающий туда при герметизации. Так, что внутри еще происходит восстановление нитратов, находящихся в электролите. Это также вызывает увеличение давления. У щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов имеется аварийный клапан, чтобы сбросить давление. Но делается это однократно, поскольку при этом происходит необратимые изменения в химическом элементе.

Свой вклад в падение работоспособности Ni-Cd аккумулятора вносит и щелочной электролит. Точнее изменение его состава и объема. В результате изменения структуры и набухания электродов происходит отбор электролита. В результате растет внутреннее сопротивление батареи. Состав электролита постепенно меняется. По сравнению с первоначальным состоянием может значительно увеличится объем карбонатов. Электропроводность электролита падает, и параметры батареи при разряде ухудшаются. Особенно это становится заметно при низких температурах.

Как влияет эксплуатация и температура на процесс деградации

Одним из наиболее важных факторов, оказывающих воздействие на процесс деградации никель-кадмиевого аккумулятора является температура. При повышении температуры на каждые десять градусов химические процессы ускоряются в два-четыре раза.

Влияние температуры становится еще более заметным при увеличении тока заряда, поскольку это приводит к нагреву батареи при перезаряде. Уменьшение ёмкости кадмиевого электролита при низкой температуре будет превышать снижение ёмкости положительного электрода. Это накладывает некоторые ограничения на использование аккумуляторов в северных регионах. В такой ситуации при заряде растёт скорость выделения водорода.

На процесс деградации никель-кадмиевых аккумуляторов большое влияние оказывает характер эксплуатации. Что сюда входит:

• глубина и режим разряда;
• режим зарядки;
• временной интервал м/у зарядом и разрядом (если циклирование непрерывное);
• периоды хранения и эксплуатации.

На графике ниже можно видеть длительность работы аккумулятора в циклах в зависимости от глубины разряда.

Нужно отметить, что Ni-Cd аккумуляторы имеют достаточно высокую стойкость к случайному перезаряду. Если переразряд происходит нечасто, то водород легко рекомбинируется. При устранении поляризации напряжение батареи восстанавливается.

При постоянной подзарядке никель-кадмиевых аккумуляторов нужно обеспечить ток, равный 0,03-0,05 от номинальной ёмкости. Если батарея постоянно эксплуатируется в таком режиме, то помимо величины тока влияет и температура ОС. Когда температура повышается, то увеличивается образование кислорода. Это ускоряет деградацию аккумулятора. С целью функционирования с непрерывной подзарядкой (температура 50-55 градусов Цельсия) были созданы специальные модели цилиндрических аккумуляторов. Они имеют электроды рулонного типа со сроком эксплуатации, как минимум, 4 года. В этих батареях скорректированный состав электролита и проделана подготовка для ускорения поглощения газов.

Если разряжать Ni-Cd аккумулятор после длительного подзаряда, то его ёмкость будет немного ниже, чем у аккумуляторов, заряженных с нуля. Но это явление временное и ёмкость придёт в норму после нескольких циклов заряд-разряд.

Маркировка щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Маркировка Ni-Cd аккумуляторов может выглядеть следующим образом:

40 НК, K, L, H; 250 P(П), K

Символы обозначают следующее:

• 40 - число аккумуляторов в батарее или блоке батареи;
• НК, К — никель-кадмиевый тип аккумулятора (обозначение НК соответствует ТУ 16-90 ИЛВЕ.563330.001ТУ, обозначение К соответствует МЭК 623, ГОСТ Р МЭК 60623-2002);
• L, H — тип Ni-Cd аккумулятора в зависимости от режима разряда (L - длительный режим разряда, Н - короткий режим разряда);
• 250 – значение номинальной емкости (ампер-часы);
• Р(П) – пластиковое исполнение бака аккумуляторной батареи;
• К - каркасное исполнение блока аккумуляторов.

Плюсы и минусы никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

В заключение кратко напомним преимущества и недостатки никель кадмиевых аккумуляторов.

Плюсы Ni-Cd аккумуляторов

• Большое число циклов заряд-разряд (больше 1000);
• Длительной срок хранения вне зависимости от степени заряженности;
• Быстрый и простой способ заряда;
• Выдерживают серьёзную нагрузку;
• Есть возможность работы при низких температурах;
• Хорошо подходят для жестких условий эксплуатации;
• Сохраняют ёмкость при низких температурах;
• Стоят недорого.

Минусы Ni-Cd аккумуляторов

• Эффект памяти и необходимость работ по его устранению;
• Достаточно высокая степень саморазряда;
• Низкая энергетическая плотность по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей;
• Токсичность материалов. Особенно это касается кадмия. В ряде стран запрещено производство и использование таких батарей. Требуется специальное оборудование и технология для их утилизации.

Вот и всё, что на этот момент хотелось рассказать про никель-кадмиевые аккумуляторы. Если у вас есть вопросы или дополнения по теме, то оставляйте их в комментариях.

Сегодня одним из самых популярных видов пополнения энергии бытовой техники являются никель-кадмиевые аккумуляторы. Это довольно простое в эксплуатации устройство, которое при правильном обращении прослужит достаточно длительный промежуток времени. Как правильно обращаться с никель-кадмиевыми аккумуляторами, следует рассмотреть подробнее.

Общая характеристика

Никель-кадмиевый аккумулятор устроен так, что при низком внутреннем сопротивлении он может отдавать достаточно большой ток. Такие аккумуляторы выдерживают даже короткое замыкание.

Аккумуляторы представленного типа легко выдерживают длительные нагрузки. При понижении температуры окружающей среды их работоспособность практически не меняется.

Никель-кадмиевые аккумуляторы уступают другим видам в емкости. Однако их высокая отдача делает батареи одними из самых популярных и востребованных в области портативной техники.

Для приборов с электродвигателями, которые потребляют большие токи, применение таких зарядных устройств, как аккумуляторы никель-кадмиевого типа, просто незаменимо.

Разрядные токи, на которых они используются, находятся в диапазоне 20-40 А. Предельная нагрузка для NiCd-аккумуляторов составляет 70 А.

Преимущества

Представленные устройства обладают рядом преимуществ. Они способны работать в широком диапазоне токов разряда и заряда, а также температуры.

Заряжать аккумуляторы никель-кадмиевого типа можно при низких температурах, что объясняется высокой нагрузочной способностью. Они не требовательны к типу затяжного устройства. Это существенное преимущество. Оно выделяет устройство из массы других разновидностей, так как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор можно в любых условиях. Он устойчив к механическим нагрузкам, пожаробезопасен. Аккумуляторы никель-кадмиевой разновидности имеют более 1000 циклов зарядки и обладают способностью восстановления после понижения емкости.

Низкая стоимость вместе с перечисленными преимуществами делают NiCd-аккумуляторы очень популярными.

Недостатки

Устройство никель-кадмиевого аккумулятора имеет и ряд недостатков. Основным из них является "эффект памяти".

В течение нескольких циклов зарядки-разрядки происходит изменение структуры поверхности электродов. При этом в сепараторе образовываются химические соединения, которые впоследствии будут мешать разрядке малыми токами. Это приводит к запоминанию источником своего неполного разряда.

Заряд никель-кадмиевых аккумуляторов чем дальше, тем больше будет терять свою эффективность. Источник будет иметь всё меньшую емкость.

Недостатком также является высокий саморазряд в течение первых суток до 10 % после зарядки. Минусом можно считать также большие габариты.

Зарядка

Чтобы разобраться, как заряжать никель-кадмиевые аккумуляторы, следует учесть ряд особенностей этого процесса.

Быстрый режим зарядки для представленных источников питания предпочтительнее, чем медленный. Импульсное пополнение емкости для них лучше, чем постоянный ток.

Рекомендуется выполнять восстановление устройства. Этого требуют никель-кадмиевые аккумуляторы. Как заряжать их подобным методом, учли производители соответствующих устройств. Реверсивный заряд ускоряет процесс благодаря рекомбинации газов, выделяющихся во время его проведения.

Представленная техника осуществления восстановления подобных батарей позволяет увеличить срок эксплуатации до 15 %. Как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор? Существует целая технология. Некоторые пользователи для увеличения отдачи применяют быструю зарядку с последующей дозаправкой слабыми токами. Это позволяет более плотно наполнить аккумулятор.

Хранение и утилизация

Хранить представленные батареи следует в разряженном состоянии. Существуют зарядные устройства, в которых предусмотрена функция разряда. Если же таковой не имеется, перед хранением никель-кадмиевые аккумуляторы опустошают при помощи лампы накаливания с допустимым током 3-20 А. Батарею подключают к ней и ждут, пока спираль не начнет краснеть.

Такая процедура позволит хранить устройство довольно длительное время. Причем условия окружающей среды, перепады температуры не будут иметь воздействия на устройство.

Если требуется утилизировать представленную разновидность батарей, следует отдать их на особый пункт приема подобных устройств. Во всех развитых странах они есть. Это связано с наличием в аккумуляторе кадмия. По своей токсичности он сопоставим с ртутью.

Понимая технологию того, как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор, хранить его и утилизировать, можно не сомневаться в безопасности и долговечности этого источника питания. Он не навредит экологии и здоровью человека при ответственной утилизации батарей.

Восстановление

Аккумуляторы никель-кадмиевого типа являются единственной разновидностью подобных устройств, которые нуждаются в восстановлении.

Периодическое проведение цикла разряд-заряд позволит увеличить срок эксплуатации батарей. Этого не следует делать слишком часто, но время от времени это просто необходимо.

Для проведения восстановления существует два типа устройств. Первое называется реверсивно-импульсным зарядным устройством с разным временем продолжительности. Это очень эффективное устройство, но сложное и дорогостоящее. Восстановление никель-кадмиевых аккумуляторов можно выполнять более простым устройством. Оно совершает цикл разряда-заряда автоматически. Такое устройство дешевле, удобнее и позволяет заряжать сразу 2-4 батареи.

Для проведения процесса необходимо вставить аккумуляторы в кассету оборудования. При помощи переключателя задается число аккумуляторов. Включение прибора в сеть приведет в действие индикатор. Красный цвет соответствует зарядке, а желтый - разрядке. Зеленый свет индикатора оповещения о прекращении процесса. Разряжать батареи следует принудительно. Для этого на приборе необходимо переключить определенный рычаг. После окончания разрядки устройство продолжит процесс зарядки автоматически.

Ознакомившись с основными характеристиками такого источника питания, как никель-кадмиевые аккумуляторы, можно правильно их эксплуатировать. Придерживаясь инструкции производителя, регулярно выполняя восстановление батарей, можно значительно продлить их срок службы. Правильно утилизируя представленное устройство, достаточно просто будет обезопасить себя, других людей и экологию в целом от токсического воздействия кадмия.

/ Никель-кадмиевые аккумуляторы в электроинструментах

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) в электроинструментах

В настоящее время на рынке ручных строительных инструментов с каждым годом увеличивается доля, приходящаяся на инструменты с питанием от аккумуляторной батареи. Аккумуляторные блоки питания (АКБ) электроинструментов бывают нескольких типов: никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и литий-ионные . На сегодняшний день наиболее распространены АКБ на основе никеля. В этой статье будут подробно рассмотрены характеристики никель-кадмиевой батареи.

Корпус никель-кадмиевых аккумуляторных элементов (NiCd) выполнен из никелированной листовой стали, которая одновременно является отрицательным полюсом. Сами электроды изготовлены в виде фольги из никель-кадмиевых соединений согласно технологии агломерации. Такая фольга размещается как обмотка вместе с изолирующим слоем (сепаратором), через который просачивается электролит. Сам электролит имеет пастообразную консистенцию и состоит в основном из воды и гидроксида калия (калийного щелока).

Аккумуляторный элемент представляет собой замкнутую систему, которая изолирована от внешней среды. Благодаря этому электролит не может просочиться наружу. При обычной зарядке и разрядке газообмен происходит внутри электролита. При нестандартных рабочих состояниях, например коротком замыкании или слишком высоком значении зарядного тока, в аккумуляторном элементе в результате происходящего тепловыделения может образоваться избыточное давление. Чтобы предотвратить разрушение аккумуляторного элемента, высококачественные аккумуляторные элементы снабжаются предохранительным клапаном, который снижает давление. В заряженном статическом состоянии напряжение аккумуляторного элемента между отрицательным и положительным полюсами составляет 1,2 В.

Техническое обслуживание:

Никель-кадмиевые аккумуляторы, используемые в электроинструментах, не нуждаются в техобслуживании. Они могут храниться как в заряженном, так и незаряженном состоянии. После того как аккумулятор разрядился, нет необходимости его немедленно заряжать. В этом заключается существенное отличие данных аккумуляторов от свинцово-кислотных. Никель-кадмиевые батареи следует по возможности разряжать полностью, но не до глубокого разряда. Говорить о полном разряде аккумулятора в электроинструменте можно уже тогда, когда мощность прибора заметно снижена. Разряд до полной остановки двигателя или полный разряд электрического карманного фонарика, когда уже не светится лампочка, вызывает глубокий разряд и способен повредить сам аккумулятор.

Вольт-амперная характеристика:

Вольт-амперная характеристика никель-кадмиевых аккумуляторов зависит от их размера (емкости) и конструкции. Чем больше аккумуляторный элемент оптимизирован к сопротивлению тока большой силы, тем стабильнее напряжение при разряде. Если сравнить аккумуляторные батареи одной конструкции, но разной емкости, то зачастую аккумулятор повышенной емкости имеет большее сопротивление тока большой силы. В результате многочисленных проверок и испытаний производители высококачественных электроинструментов нашли оптимальный баланс между энергоемкостью и сопротивлением тока большой силой.

Эффект памяти:

Пользуясь никель-кадмиевыми аккумуляторами, их необходимо всегда и полностью разряжать и только после этого снова заряжать. При несоблюдении данного правила может возникнуть так называемый эффект памяти. Подобные частичные разряды и следующие за ними частичные заряды способны привести к образованию кристаллов на отрицательном электроде, из-за чего уменьшается первоначальная емкость аккумулятора и падает напряжение при разряде. При подключении электронного прибора в сеть функция стабилизации напряжения срабатывает в результате преждевременного отключения прибора. Приборы с двигателем, например электроинструменты, реагируют на это снижением скорости вращения. Не слишком ярко выраженный эффект памяти является обратимым. Для этого необходимо повторить несколько "обычных" циклов разряда-заряда, во время которых следует использовать так называемые быстрозарядные устройства с высоким зарядным током.

Саморазряд:

В процессе хранения никель-кадмиевые аккумуляторы разряжаются сами. Процесс саморазряда главным образом зависит от температуры и качества аккумуляторного элемента. Хранение при высоких температурах и некачественно изготовленные аккумуляторные элементы способствуют саморазряду. При комнатной температуре время разряда составляет примерно 3-4 мес.

Температурная характеристика:

Как почти любой химический процесс, химическая реакция при низких температурах протекает медленнее, чем при высоких. В первую очередь это относится к густым электролитам никель-кадмиевых аккумуляторов. Таким образом, при низкой температуре они дают менее высокий ток разряда, чем при комнатной температуре. Кроме того, их нельзя заряжать током большой силы при низкой температуре. Нижняя предельная температура равна примерно -15С.

Экологическая безопасность:

Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат как никелевые, так и кадмиевые соединения. Кадмиевые соединения являются высокотоксичными. При ненадлежащей утилизации кадмий из аккумуляторов способен образовывать очень ядовитые соединения, потенциально опасные для окружающей среды. Следовательно, по окончании срока службы никель-кадмиевые аккумуляторы следует утилизировать надлежащим образом и отправить их на вторичную переработку, как это предусмотрено соответствующими законодательными нормами. При надлежащей утилизации процент пригодных к вторичной переработке никель-кадмиевых аккумуляторов является самым высоким по сравнению с другими аккумуляторными системами. Благодаря вторичной переработке никель-кадмиевые батареи не наносят ущерба окружающей среде. Поэтому производители высококачественных электроинструментов предоставляют специальные услуги по вторичной переработке NiCd-аккумуляторов.

Никель-кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) - вторичный , в котором катодом является гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 с графитовым порошком (около 5-8 %) , электролитом - гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), анодом - гидрат закиси кадмия Cd(OH) 2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45-65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных аккумуляторов (Ni-MH), которые нужно хранить полностью заряженными и от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора.

История изобретения

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч /кг .
• Удельная энергоёмкость: 45-65 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоплотность: 50-150 Вт·ч/дм ³.
• Удельная мощность: 150..500 Вт/кг.
• ЭДС = 1,37 .
• Рабочее напряжение = 1,35..1,0 В.
• Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С - емкость.
• Саморазряд: 10 % в месяц.
• Рабочая температура: −50…+40 °C .

В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только там, где использование других систем невозможно, а именно, в устройствах, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Типичный аккумулятор для летающей модели можно зарядить за полчаса, а разрядить за 5 минут. Благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению аккумулятор не нагревается даже при зарядке большим током. Только когда аккумулятор полностью зарядится, начинается заметный разогрев, что и используется большинством зарядных устройств как сигнал окончания зарядки. Конструктивно все никель-кадмиевые аккумуляторы оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает внутреннее давление газов в тяжелых условиях эксплуатации.

Цикл разряда начинается от 1,35 В и заканчивается на 1,0 В (соответственно 100 % емкости и 1 % оставшейся емкости)

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды более технологичны, дешевле в производстве и обладают более высокими показателями рабочей ёмкости, в связи с чем все аккумуляторы бытового назначения имеют прессованные электроды. Однако прессованные системы подвержены так называемому «эффекту памяти ». Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электрохимической системе аккумулятора появляется «лишний» двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1 В. Типичный контроллер устройства, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как полный разряд батареи и сообщает, что батарея «плохая». Реального снижения энергоёмкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, «убивает» батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от «эффекта памяти» прессованных электродов, сколько от «эффекта беспамятства» недорогих контроллеров.

Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизора), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет ёмкость, хотя его напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумуляторов с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде, тогда после первой же зарядки аккумуляторы будут полностью готовы к использованию. Лучше всего подключить цепочку из диода и резистора на каждую банку, чтобы ограничить напряжение на уровне 0,5-0,7 В на элемент. Это также способствует выравниванию характеристик элементов, из которых состоит батарея. После длительного хранения батареи необходимо провести 2-3 цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной емкости (1C), чтобы она вошла в рабочий режим и работала с полной отдачей.

Области применения

Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на один-два порядка ниже, чем у обычных марганец-цинковых и марганец-воздушных батарей, мощность выдаётся стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Несмотря на развитие других электрохимических систем и ужесточение экологических требований, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются основным выбором для высоконадёжных устройств, потребляющих большую мощность, например, фонарей для дайвинга .

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы

В СССР для питания электронных устройств были распространены герметичные (взрываются) дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы.

Производители

Ni-Cd аккумуляторы производят множество фирм, в том числе крупные интернациональные фирмы, такие как GP Batteries Int. Ltd., VARTA, GAZ, KONNOC, METABO, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, ANSMANN и другие. Среди отечественных производителей можно назвать НИАИ (создан на базе Центральной аккумуляторной лаборатории, 1946 г.), КОСМОС и ЗАО "Опытный завод НИИХИТ".

Безопасная утилизация

Плавка продуктов утилизации NiCd аккумуляторов происходит в печах при высоких температурах, кадмий в этих условиях становится чрезвычайно летучим, и в случае, если печь не оборудована специальным улавливающим фильтром, токсичные вещества (например, пары кадмия) выбрасываются во внешнюю среду, отравляя окружающие территории. Вследствие этого оборудование для утилизации является более дорогим, чем для утилизации свинцовых батарей.

См. также

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
• Федотов Г. А. Электрические и электронные устройства для фотографии. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
• ГОСТ 15596-82 . Источники тока химические. Термины и определения.

Примечания