Nickel-kadmiumbatterier

Under andra hälften av 1900-talet var en av de bästa laddningsbara kemiska strömkällorna laddningsbara batterier tillverkade med hjälp av nickel-kadmiumteknologi. De används fortfarande mycket inom olika områden på grund av deras tillförlitlighet och opretentiöshet.

Vad är nickelkadmiumbatteri

Nickel-kadmiumbatterier är galvaniska laddningsbara strömkällor, som uppfanns 1899 i Sverige av Waldmar Jungner. Fram till 1932 var deras praktiska användning mycket begränsad på grund av de höga kostnaderna för de använda metallerna i jämförelse med blybatterier.

Förbättring av deras produktionsteknologi ledde till en betydande förbättring av deras driftsegenskaper och tillät 1947 att skapa ett förseglat underhållsfritt batteri med utmärkta parametrar.

Funktionsprincipen och enhetens Ni-Cd-batteri

Dessa batterier producerar elektrisk energi på grund av den reversibla växelverkan av kadmium (Cd) med nickeloxid-hydroxid (NiOOH) och vatten, vilket resulterar i bildandet av nickelhydroxid Ni (OH) 2 och kadmiumhydroxid Cd (OH) 2, vilket orsakar uppkomsten av en elektromotorisk kraft.

Ni-Cd-batterier tillverkas i förseglade kapslingar som innehåller elektroder separerade med en neutral separator, som innehåller nickel och kadmium, som finns i en lösning av en geléliknande alkalisk elektrolyt (vanligtvis kaliumhydroxid, KOH).

Den positiva elektroden är ett stålnät eller folie belagt med en nickeloxid-hydroxidpasta blandad med ett ledande material

Den negativa elektroden är ett stålnät (folie) med pressat poröst kadmium.

Ett nickel-kadmiumelement är kapabelt att leverera en spänning på cirka 1,2 volt. Därför används många parallella elektroder, separerade av separatorer för att öka batteriernas spänning och effekt.

Specifikationer och vad är Ni-Cd-batterier

Ni-Cd-batterier har följande specifikationer:

• utloppsspänningen för ett element är cirka 0,9-1 volt;
• elementets nominella spänning är 1,2 v, för att erhålla spänningar på 12v och 24v används en serieanslutning av flera element;
• spänning på en full laddning - 1,5-1,8 volt;
• arbetstemperatur: från -50 till +40 grader;
• antal laddningsladdningscykler: från 100 till 1000 (i de modernaste batterierna - upp till 2000), beroende på vilken teknologi som används;
• självutladdningsnivå: från 8 till 30% under den första månaden efter en full laddning;
• specifik energiförbrukning - upp till 65 W * timme / kilogram;
• livslängd - cirka 10 år.

Ni-Cd-batterier tillverkas i olika fall av standardstorlekar och i icke-standard design, inklusive disk, hermetisk form.

Var används nickel-kadmiumbatterier?

Dessa batterier används i enheter som förbrukar höga strömmar och upplever också hög belastning under drift i följande fall:

• på vagnbussar och spårvagnar;
• på elbilar;
• på sjö- och flodtransport;
• i helikoptrar och flygplan;
• i elverktyg (skruvmejslar, borrar, elektriska skruvmejslar och andra);
• elektriska rakapparater;
• i militär utrustning;
• bärbara radiostationer;
• i leksaker på radio;
• i lamporna för dykning.

För närvarande beror de flesta batterier i populära storlekar på grund av stramningen av miljökraven (AA, AAA och andra) produceras av nickel-metallhydrid- och litiumjonteknologier. Men många Ni Cd-batterier i olika storlekar, släppta för flera år sedan, är fortfarande i drift.

Ni-Cd-celler har en lång livslängd, som ibland överstiger 10 år, och därför kan denna typ av batteri fortfarande hittas i många elektroniska enheter, utom de som anges ovan.

Fördelar och nackdelar med Ni-Cd-batteri

Denna typ av batteri har följande positiva egenskaper:

• lång livslängd och antalet laddningsladdningscykler;
• lång livslängd och lagring;
• förmågan att snabbt ladda;
• förmåga att motstå tunga belastningar och låga temperaturer;
• bibehålla driftskompatibilitet under de mest ogynnsamma driftsförhållandena;
• låg kostnad;
• förmågan att förvara dessa batterier i urladdat skick i upp till 5 år;
• medium överladdningsmotstånd.

Samtidigt har nickel-kadmiumkraftförsörjningar flera nackdelar:

• närvaron av en minneseffekt, som manifesteras i kapacitetsförlust vid laddning av batteriet, utan att vänta på full urladdning;
• behovet av förebyggande arbete (flera laddningsladdningscykler) för att uppnå full kapacitet;
• full återställning av batteriet efter långvarig lagring kräver tre till fyra cykler med full laddningsladdning;
• stor självurladdning (cirka 10% under den första lagringsmånaden), vilket leder till nästan full batteriladdning under lagringsåret;
• låg energitäthet jämfört med andra batterier;
• kadmiums höga toxicitet, på grund av vilken de är förbjudna i ett antal länder, inklusive EU, behovet av att kassera sådana batterier på specialutrustning.
• mer vikt än moderna batterier.

Skillnad mellan Ni-Cd från Li-Ion eller Ni-Mh-källor

Batterier med aktiva komponenter, inklusive nickel och kadmium, har ett antal skillnader från mer moderna litiumjon- och nickel-metallhydridkällor:

• Ni-Cd-element, till skillnad från Li-Ion och Ni-MH alternativ har en minneseffekt, har en lägre specifik kapacitet i samma storlek;
• NiCd-källor är mer opretentiösa, upprätthåller prestanda vid mycket låga temperaturer, är många gånger mer motståndskraftiga mot överladdning och stark urladdning;
• Li-Ion- och Ni-Mh-batterier är dyrare, rädda för överladdning och stark urladdning, men har mindre självurladdning;
• livslängden och lagringen av Li-Ion-batterier (2-3 år) är flera gånger kortare än Ni Cd-produkter (8-10 år);
• nickel-kadmiumkällor förlorar snabbt kapaciteten när de används i buffertläge (till exempel i UPS). Även om de sedan kan återställas helt genom djup urladdning och laddning, är det bättre att inte använda Ni Cd-produkter i enheter där de ständigt laddas;
• Med samma laddningsläge för Ni-Cd- och Ni-Mh-batterier kan du använda samma laddare, men du måste ta hänsyn till det faktum att nickel-kadmiumbatterier har en mer uttalad minneeffekt.

Baserat på skillnaderna är det omöjligt att dra en entydig slutsats om vilka batterier som är bättre eftersom alla element har styrkor och svagheter.

Användarvillkor

Under drift i Ni Cd-kraftkällor inträffar ett antal förändringar som leder till en gradvis försämring av prestandan och i slutändan till förlust av prestanda:

• effektiv area och massa av elektroder minskar;
• sammansättningen och volymen av elektrolytförändringarna;
• sönderdelning av separatorn och organiska föroreningar;
• vatten och syre går förlorade;
• Nuvarande läckor uppstår på grund av tillväxten av kadmiumdendriter på plattorna.

För att minimera skador på batteriet som uppstår under drift och lagring är det nödvändigt att undvika negativa effekter på batteriet, som är förknippade med följande faktorer:

• laddningen av ett ofullständigt laddat batteri leder till en reversibel förlust av dess kapacitet på grund av en minskning av det totala området för den aktiva substansen som ett resultat av kristallbildning;
• regelbundet stark laddning, vilket leder till överhettning, ökad gasbildning, vattenförlust i elektrolyten och förstör elektroderna (särskilt anoden) och separatorn;
• underladdning, vilket leder till för tidigt uttömning av batteriet;
• långvarig drift vid mycket låga temperaturer leder till en förändring i elektrolytens sammansättning och volym, batteriets inre motstånd ökar och dess prestanda försämras, i synnerhet minskar kapaciteten.

Med en stark ökning av trycket inuti batteriet till följd av en snabb laddning med stor ström och stark nedbrytning av kadmiumkatoden kan överskott av väte släppas in i batteriet, vilket leder till en kraftig ökning av trycket, vilket kan deformera fallet, bryter monteringsdensiteten, ökar det inre motståndet och minskar driftspänningen.

I batterier utrustade med en nödtrycksavlastningsventil kan risken för deformation förhindras, men irreversibla förändringar i batteriets kemiska sammansättning kan inte undvikas.

Laddning av Ni Cd-batterier måste utföras med en ström på 10% (vid behov en snabb laddning i specialbatterier med en ström på upp till 100% per 1 timme) av sin kapacitet (till exempel 100 mA vid en kapacitet av 1000 mAh) under 14-16 timmar. Det bästa sättet för urladdning är en ström som är lika med 20% av batterikapaciteten.

Hur man återställer Ni Cd-batteri

Vid kapacitetsförlust kan nickel-kadmiumkraftförsörjningar nästan helt återställas med en fullständig urladdning (upp till 1 volt per cell) och efterföljande laddning i standardläge. Denna utbildning av batterier kan upprepas flera gånger för att få den mest kompletta återställningen av deras kapacitet.

Om det inte är möjligt att återställa batteriet genom urladdning och laddning kan du försöka återställa dem genom att applicera kortströmspulser (tiotals gånger större än kapaciteten för det återställda elementet) i flera sekunder. Denna effekt eliminerar den inre kretsen i battericellerna som uppstår på grund av tillväxten av dendriter genom att bränna dem med en stark ström. Det finns speciella industriella aktivatorer som gör denna effekt.

Fullständig återställning av den ursprungliga kapaciteten för sådana batterier är omöjlig på grund av irreversibla förändringar i elektrolytens sammansättning och egenskaper såväl som nedbrytningen av plattorna, men gör det möjligt att förlänga batteriets livslängd.

Metoden för återhämtning hemma är att utföra följande åtgärder:

• en tråd med ett tvärsnitt på minst 1,5 kvadratmillimeter är ansluten minus den återställda cellen med katoden i ett kraftfullt batteri, såsom en bil eller UPS;
• den andra ledningen är ordentligt ansluten till anoden (plus) på ett av batterierna;
• under 3-4 sekunder berör den andra ledningens fria ände snabbt den fria plusplinten (med en frekvens av 2-3 kontakter per sekund). I detta fall är det nödvändigt att förhindra svetsning av trådar i korsningen;
• med en voltmeter kontrolleras spänningen vid källan som återställs; i dess frånvaro görs en annan återhämtningscykel;
• när en elektromotorisk kraft visas på batteriet, sätts den på laddning;

Dessutom kan du försöka förstöra dendriter i batteriet genom att frysa dem i 2-3 timmar, följt av en skarp kran. När frusna blir dendriter spröda och förstörs av chock, vilket teoretiskt kan hjälpa till att bli av med dem.

Det finns mer extrema återvinningsmetoder förknippade med tillsats av destillerat vatten till gamla element genom borrning av deras kroppar. Men det är mycket problematiskt att tillhandahålla sådana inslag i framtiden. Därför bör du inte spara och utsätta din hälsa för risken för förgiftning med kadmiumföreningar på grund av ökningen av flera arbetscykler.

Förvaring och bortskaffande

Det är bättre att förvara nickel-kadmiumbatterier i urladdat tillstånd vid låg temperatur på en torr plats. Ju lägre lagringstemperatur för sådana batterier, desto mindre självutladdning har de. Modeller av hög kvalitet kan lagras i upp till 5 år utan betydande skador på de tekniska egenskaperna. För att sätta dem i drift räcker det att ladda dem.

Skadliga ämnen i ett AA-batteri kan förorena cirka 20 kvadratmeter territorium. För säker avfallshantering av Ni Cd-batterier måste de föras till återvinningsställen, varifrån de skickas till fabriker, där de måste förstöras i speciella tätade ugnar utrustade med filter som fångar giftiga ämnen.