Niklové kadmiové batérie

V druhej polovici dvadsiateho storočia boli najlepšími nabíjateľnými zdrojmi chemického prúdu nabíjateľné batérie vyrobené technológiou niklu a kadmia. Sú stále široko využívané v rôznych oblastiach kvôli svojej spoľahlivosti a nenáročnosti.

Čo je niklová kadmiová batéria

Nikel-kadmiové batérie sú galvanické nabíjateľné zdroje prúdu, ktoré vynašiel v roku 1899 vo Švédsku Waldmar Jungner. Až do roku 1932 bolo ich praktické použitie veľmi obmedzené z dôvodu vysokých nákladov na použité kovy v porovnaní s olovenými batériami.

Zlepšenie technológie ich výroby viedlo k významnému zlepšeniu ich prevádzkových charakteristík a umožnilo v roku 1947 vytvoriť utesnenú bezúdržbovú batériu s vynikajúcimi parametrami.

Princíp činnosti a prístroj Ni-Cd batéria

Tieto batérie produkujú elektrickú energiu v dôsledku reverzibilnej interakcie kadmia (Cd) s hydroxidom nikelnatým (NiOOH) a vodou, čo vedie k tvorbe hydroxidu nikelnatého Ni (OH) 2 a hydroxidu kadmia Cd (OH) 2, ktorý spôsobuje vznik elektromotorickej sily.

Ni-Cd batérie sa vyrábajú v uzavretých krytoch, ktoré obsahujú elektródy oddelené neutrálnym odlučovačom, ktoré obsahujú nikel a kadmium a ktoré sú v roztoku želé podobného alkalického elektrolytu (zvyčajne hydroxid draselný, KOH).

Pozitívna elektróda je oceľová sieťovina alebo fólia potiahnutá pastou z oxidu nikelnatého a hydroxidu zmiešaného s vodivým materiálom

Záporná elektróda je oceľová sieť (fólia) s lisovaným poréznym kadmiom.

Jeden nikel-kadmiový prvok je schopný dodávať napätie asi 1,2 V, a preto sa na zvýšenie napätia a výkonu batérií v ich konštrukcii používa veľa paralelných elektród, ktoré sú oddelené separátormi.

Špecifikácie a čo sú to Ni-Cd batérie

Ni-Cd batérie majú nasledujúce špecifikácie:

• vybíjacie napätie jedného prvku je asi 0,9 až 1 V;
• menovité napätie prvku je 1,2 V, na získanie napätia 12 V a 24 V sa používa sériové pripojenie niekoľkých prvkov;
• napätie pri plnom nabití - 1,5 - 1,8 V;
• pracovná teplota: od -50 do +40 stupňov;
• počet cyklov nabíjania a vybíjania: od 100 do 1000 (v najmodernejších batériách - do 2000), v závislosti od použitej technológie;
• úroveň samovybíjania: od 8 do 30% v prvom mesiaci po úplnom nabití;
• merná spotreba energie - do 65 W * hodina / kilogram;
• životnosť - asi 10 rokov.

Ni-Cd batérie sa vyrábajú v rôznych prípadoch štandardných veľkostí a neštandardných prevedení, vrátane diskových, hermetických.

Kde sa používajú nikel-kadmiové batérie?

Tieto batérie sa používajú v zariadeniach, ktoré spotrebúvajú vysoké prúdy a počas prevádzky sú vystavené veľkému zaťaženiu v nasledujúcich prípadoch:

• na trolejbusoch a električkách;
• na elektrické vozidlá;
• námornej a riečnej doprave;
• v helikoptérach a letúnoch;
• do elektrického náradia (skrutkovače, vŕtačky, elektrické skrutkovače a iné);
• elektrické holiace strojčeky;
• vo vojenskom vybavení;
• prenosné rozhlasové stanice;
• v hračkách v rádiu;
• vo svetlách na potápanie.

V súčasnosti je väčšina batérií obľúbených veľkostí (kvôli sprísneniu environmentálnych požiadaviek)AA, AAA a ďalšie) sa vyrába hydridom niklu a lítium-iónovými technológiami. Mnoho NiCd batérií rôznych veľkostí, vydaných pred niekoľkými rokmi, je však stále v prevádzke.

Ni-Cd články majú dlhú životnosť, ktorá niekedy presahuje 10 rokov, a preto sa tento typ batérie dá nájsť v mnohých elektronických zariadeniach, s výnimkou tých, ktoré sú uvedené vyššie.

Výhody a nevýhody Ni-Cd batérie

Tento typ batérie má nasledujúce pozitívne vlastnosti:

• dlhá životnosť a počet cyklov vybíjania a vybitia;
• dlhá životnosť a skladovanie;
• schopnosť rýchleho nabíjania;
• schopnosť vydržať ťažké bremená a nízke teploty;
• udržiavanie funkčnosti v najnepriaznivejších prevádzkových podmienkach;
• nízke náklady;
• schopnosť skladovať tieto batérie vo vybitom stave až 5 rokov;
• stredná odolnosť proti prebitiu.

Zdroje niklu a kadmia majú súčasne niekoľko nevýhod:

• prítomnosť pamäťového efektu, ktorý sa prejavuje stratou kapacity pri nabíjaní batérie, bez čakania na úplné vybitie;
• potreba preventívnej práce (niekoľko cyklov vybíjania) na dosiahnutie plnej kapacity;
• úplná obnova batérie po dlhodobom skladovaní vyžaduje tri až štyri cykly úplného vybitia;
• veľké samovybíjanie (približne 10% v prvom mesiaci skladovania), čo vedie k takmer úplnému vybitiu batérie počas roka skladovania;
• nízka hustota energie v porovnaní s inými batériami;
• vysoká toxicita kadmia, kvôli ktorej je vo viacerých krajinách vrátane EÚ zakázaná, potreba likvidovať takéto batérie na špeciálnom zariadení;
• väčšiu váhu ako moderné batérie.

Rozdiel medzi Ni-Cd a zdrojmi Li-Ion alebo Ni-Mh

Batérie s aktívnymi zložkami, vrátane niklu a kadmia, majú množstvo odlišností od modernejších zdrojov lítium-iónových a nikel-metal hydridových zdrojov:

• Na rozdiel od prvkov Ni-Cd Li-Ion a Ni-Mh možnosti majú pamäťový efekt, majú nižšiu špecifickú kapacitu v rovnakej veľkosti;
• Zdroje NiCd sú nenáročné, udržiavajú výkon pri veľmi nízkych teplotách, sú mnohokrát odolnejšie voči prebitiu a silnému vybitiu;
• Lítium-iónové a Ni-Mh batérie sú drahšie, obávajú sa prebíjania a silného vybitia, ale majú menšie samovybíjanie;
• životnosť a skladovanie lítium-iónových batérií (2 až 3 roky) je niekoľkokrát kratšia ako výrobky z NiCd (8 až 10 rokov);
• zdroje niklu-kadmia rýchlo strácajú kapacitu, keď sa používajú vo vyrovnávacom režime (napríklad v UPS). Aj keď sa potom dajú úplne obnoviť hlbokým vybitím a nabíjaním, je lepšie nepoužívať výrobky Ni Cd v zariadeniach, kde sa neustále nabíjajú;
• rovnaký režim nabíjania Ni-Cd a Ni-Mh batérií umožňuje používať rovnaké nabíjačky, musíte však vziať do úvahy skutočnosť, že nikel-kadmiové batérie majú výraznejší pamäťový efekt.

Na základe existujúcich rozdielov nie je možné vyvodiť jednoznačný záver o tom, ktoré batérie sú lepšie, pretože všetky prvky majú silné a slabé stránky.

Podmienky používania

Počas prevádzky v napájacích zdrojoch Ni Cd dochádza k viacerým zmenám, ktoré vedú k postupnému zhoršovaniu výkonu av konečnom dôsledku k strate výkonu:

• efektívna plocha a hmotnosť elektród klesá;
• zloženie a objem elektrolytu sa mení;
• rozklad separátora a organických nečistôt;
• voda a kyslík sa strácajú;
• K súčasným netesnostiam dochádza v dôsledku rastu dendritov kadmia na doskách.

Aby sa minimalizovalo poškodenie batérie, ktoré sa vyskytne počas jej prevádzky a skladovania, je potrebné zabrániť nepriaznivým účinkom na batériu, ktoré súvisia s nasledujúcimi faktormi:

• nabitie neúplne nabitej batérie vedie k reverzibilnej strate jej kapacity v dôsledku zníženia celkovej plochy účinnej látky v dôsledku tvorby kryštálov;
• pravidelné silné nabíjanie, ktoré vedie k prehrievaniu, zvýšenej tvorbe plynov, strate vody v elektrolyte a ničí elektródy (najmä anódu) a separátor;
• nedostatočné nabitie, ktoré vedie k predčasnému vybitiu batérie;
• dlhodobá prevádzka pri veľmi nízkych teplotách vedie k zmene zloženia a objemu elektrolytu, zvyšuje sa vnútorný odpor batérie a zhoršuje sa jej výkon, najmä klesá kapacita.

Pri silnom zvýšení tlaku vo vnútri batérie v dôsledku rýchleho nabíjania veľkým prúdom a silnej degradácie katódy kadmia sa môže do batérie uvoľniť prebytok vodíka, čo vedie k prudkému zvýšeniu tlaku, ktorý môže deformovať puzdro, narúša montážnu hustotu, zvyšuje vnútorný odpor a znižuje prevádzkové napätie.

V batériách vybavených núdzovým tlakovým poistným ventilom sa dá zabrániť riziku deformácie, nedá sa však vyhnúť nezvratným zmenám v chemickom zložení batérie.

Nabíjanie Ni Cd batérií sa musí vykonávať pri prúde 10% (v prípade potreby rýchlym nabíjaním špeciálnych batérií s prúdom do 100% za 1 hodinu) ich kapacity (napríklad 100 mA pri kapacite 1000 mAh) po dobu 14-16 hodín. Najlepším režimom ich vybíjania je prúd rovnajúci sa 20% kapacity batérie.

Ako obnoviť NiCd batériu

V prípade straty kapacity je možné zdroje niklu a kadmia takmer úplne obnoviť úplným vybitím (až 1 volt na bunku) a následným nabíjaním v štandardnom režime. Toto školenie batérií sa môže niekoľkokrát opakovať, aby sa úplne obnovila ich kapacita.

Ak nie je možné obnoviť batériu vybitím a nabitím, môžete sa pokúsiť obnoviť ich krátkodobými impulzmi (desiatky krát väčšími ako kapacita obnoveného prvku) na niekoľko sekúnd. Tento efekt eliminuje vnútorný obvod v článkoch batérie, ktorý sa vyskytuje v dôsledku rastu dendritov ich spálením silným prúdom. Tento účinok vykonávajú špeciálne priemyselné aktivátory.

Úplná obnova pôvodnej kapacity takýchto batérií nie je možná kvôli nezvratným zmenám v zložení a vlastnostiach elektrolytu, ako aj degradácii dosiek, ale umožňuje predĺžiť životnosť batérie.

Technika zotavenia doma má vykonávať tieto činnosti:

• drôt s prierezom najmenej 1,5 štvorcových milimetrov je spojený mínus obnovená bunka s katódou výkonnej batérie, ako je auto alebo UPS;
• druhý vodič je bezpečne pripojený k anóde (plus) jednej z batérií;
• počas 3-4 sekúnd sa voľný koniec druhého vodiča rýchlo dotkne terminálu free plus (s frekvenciou 2 až 3 kontaktov za sekundu). V tomto prípade je potrebné zabrániť zváraniu drôtov na križovatke;
• pomocou voltmetra sa kontroluje napätie na obnovovanom zdroji, v jeho neprítomnosti sa vykonáva ďalší regeneračný cyklus;
• keď sa na batérii objaví elektromotorická sila, nabije sa;

Okrem toho sa môžete pokúsiť zničiť dendrity v batérii zmrazením na 2 až 3 hodiny a následným ostrým poklepaním. Po zamrznutí sa dendrity stávajú krehkými a sú zničené šokom, ktorý ich teoreticky môže pomôcť zbaviť.

S pridaním destilovanej vody k starým prvkom pomocou vŕtania ich telies existujú extrémnejšie spôsoby regenerácie. Úplné zabezpečenie tesnosti týchto prvkov v budúcnosti je však veľmi problematické. Preto by ste nemali šetriť a vystavovať svoje zdravie riziku otravy zlúčeninami kadmia v dôsledku získania niekoľkých pracovných cyklov.

Skladovanie a likvidácia

Je lepšie skladovať nikel-kadmiové batérie vo vybitom stave pri nízkej teplote na suchom mieste. Čím je teplota takýchto batérií nižšia, tým menšie je samovybíjanie. Vysoko kvalitné modely je možné skladovať až 5 rokov bez výrazného poškodenia technických vlastností. Na ich uvedenie do prevádzky stačí ich nabiť.

Škodlivé látky obsiahnuté v jednej batérii typu AA môžu kontaminovať územie s rozlohou asi 20 metrov štvorcových. Na bezpečné zneškodnenie batérií Ni Cd sa musia odovzdať na recyklačné miesta, odkiaľ sa odosielajú do tovární, kde sa musia zničiť v špeciálnych uzavretých peciach vybavených filtrami, ktoré zachytávajú toxické látky.