Niķeļa un kadmija baterijas

Divdesmitā gadsimta otrajā pusē viens no labākajiem uzlādējamiem ķīmisko strāvas avotiem bija uzlādējamās baterijas, kas izgatavotas, izmantojot niķeļa-kadmija tehnoloģiju. To uzticamības un nepretenciozitātes dēļ tos joprojām plaši izmanto dažādās jomās.

Kas ir niķeļa kadmija akumulators

Niķeļa-kadmija akumulatori ir galvaniski uzlādējami strāvas avoti, kurus 1899. gadā Zviedrijā izgudroja Valmārs Jungners. Līdz 1932. gadam to praktiskais pielietojums bija ļoti ierobežots, ņemot vērā izmantoto metālu augstās izmaksas salīdzinājumā ar svina-skābes akumulatoriem.

To ražošanas tehnoloģijas uzlabošana ļāva ievērojami uzlabot to darbības raksturlielumus, un 1947. gadā ļāva izveidot aizzīmogotu bez apkopes akumulatoru ar izciliem parametriem.

Darbības princips un ierīces Ni-Cd akumulators

Šīs baterijas rada elektrisko enerģiju kadmija (Cd) atgriezeniskas mijiedarbības dēļ ar niķeļa oksīda hidroksīdu (NiOOH) un ūdeni, kā rezultātā veidojas niķeļa hidroksīds Ni (OH) 2 un kadmija hidroksīds Cd (OH) 2, kas izraisa elektromotora spēka parādīšanos.

Ni-Cd baterijas tiek ražotas noslēgtos apvalkos, kuros ir ar neitrālu atdalītāju atdalīti elektrodi, kas satur niķeli un kadmiju, kas atrodas želejā līdzīga sārma elektrolīta (parasti kālija hidroksīda, KOH) šķīdumā.

Pozitīvais elektrods ir tērauda siets vai folija, kas pārklāta ar niķeļa oksīda-hidroksīda pastu, kas sajaukta ar vadošu materiālu

Negatīvs elektrods ir tērauda siets (folija) ar presētu porainu kadmiju.

Viens niķeļa-kadmija elements spēj piegādāt aptuveni 1,2 voltu spriegumu, tāpēc, lai palielinātu to konstrukcijā esošo bateriju spriegumu un jaudu, tiek izmantoti daudzi paralēli elektrodi, atdalīti ar separatoriem.

Specifikācijas un kas ir Ni-Cd baterijas

Ni-Cd akumulatoriem ir šādas specifikācijas:

• viena elementa izlādes spriegums ir aptuveni 0,9-1 volti;
• elementa nominālais spriegums ir 1,2 v, lai iegūtu spriegumus 12v un 24v, tiek izmantots vairāku elementu virknes savienojums;
• pilnas uzlādes spriegums - 1,5-1,8 volti;
• darba temperatūra: no -50 līdz +40 grādiem;
• uzlādes-izlādes ciklu skaits: no 100 līdz 1000 (modernākajās baterijās - līdz 2000), atkarībā no izmantotās tehnoloģijas;
• pašizlādes līmenis: no 8 līdz 30% pirmajā mēnesī pēc pilnīgas uzlādes;
• īpatnējais enerģijas patēriņš - līdz 65 W * stundā / kilograms;
• kalpošanas laiks - apmēram 10 gadi.

Ni-Cd baterijas tiek ražotas dažādos gadījumos ar standarta izmēriem un nestandarta dizainu, ieskaitot disku, hermētisku formu.

Kur tiek izmantotas niķeļa un kadmija baterijas?

Šīs baterijas izmanto ierīcēs, kuras patērē lielu strāvu, un darbības laikā tās arī piedzīvo lielas slodzes šādos gadījumos:

• trolejbusos un tramvajos;
• uz elektromobiļiem;
• jūras un upju transportā;
• helikopteros un lidmašīnās;
• elektroinstrumentos (skrūvgrieži, urbji, elektriskie skrūvgrieži un citi);
• elektriskie skuvekļi;
• militārajā aprīkojumā;
• pārnēsājamas radiostacijas;
• rotaļlietās radio;
• niršanas gaismās.

Pašlaik, ņemot vērā stingrākas vides prasības, vairumam populāru izmēru akumulatoru (AA, AAA un citi) tiek ražoti ar niķeļa-metālu hidrīdu un litija jonu tehnoloģijām. Tomēr joprojām darbojas daudzas dažāda izmēra Ni Cd baterijas, kas izlaistas pirms vairākiem gadiem.

Ni-Cd šūnām ir ilgs kalpošanas laiks, kas dažreiz pārsniedz 10 gadus, un tāpēc šāda veida akumulatorus joprojām var atrast daudzās elektroniskās ierīcēs, izņemot iepriekš uzskaitītās.

Ni-Cd akumulatora plusi un mīnusi

Šim akumulatora tipam ir šādas pozitīvas īpašības:

• ilgs kalpošanas laiks un lādēšanas-izlādes ciklu skaits;
• ilgs kalpošanas laiks un glabāšana;
• spēja ātri uzlādēt;
• spēja izturēt smagas kravas un zemu temperatūru;
• darbības saglabāšana visnelabvēlīgākajos darba apstākļos;
• zemas izmaksas;
• spēja uzglabāt šīs baterijas izlādētā stāvoklī līdz 5 gadiem;
• vidēja pretestība pārkaršanai.

Tajā pašā laikā niķeļa un kadmija barošanas avotiem ir vairāki trūkumi:

• atmiņas efekta klātbūtne, kas izpaužas kā jaudas zudums, uzlādējot akumulatoru, negaidot pilnīgu izlādi;
• profilaktiska darba nepieciešamība (vairāki uzlādes izlādes cikli), lai sasniegtu pilnu jaudu;
• akumulatora pilnīgai atjaunošanai pēc ilgstošas ​​glabāšanas nepieciešami trīs līdz četri pilnīgas uzlādes un izlādes cikli;
• liela pašizlāde (apmēram 10% pirmajā uzglabāšanas mēnesī), kā rezultātā akumulators gandrīz pilnībā izlādējas uzglabāšanas gadā;
• zems enerģijas blīvums salīdzinājumā ar citām baterijām;
• kadmija augstā toksicitāte, kura dēļ tie ir aizliegti vairākās valstīs, tostarp ES, nepieciešamība atbrīvoties no šādām baterijām uz īpaša aprīkojuma;
• vairāk svara nekā mūsdienu baterijas.

Ni-Cd atšķirība no Li-Ion vai Ni-Mh avotiem

Baterijām ar aktīviem komponentiem, ieskaitot niķeli un kadmiju, ir daudz atšķirību no mūsdienīgākiem litija jonu un niķeļa-metālu hidrīdu avotiem:

• Ni-Cd elementi, atšķirībā no Li-jonu un Ni-mh opcijām ir atmiņas efekts, tām ir mazāka īpatnējā ietilpība tādā pašā izmērā;
• NiCd avoti ir nepretenciozāki, saglabā veiktspēju ļoti zemā temperatūrā, daudzkārt ir izturīgāki pret pārmērīgu uzlādi un spēcīgu izlādi;
• Li-jonu un Ni-Mh baterijas ir dārgākas, baidās no pārmērīgas uzlādes un spēcīgas izlādes, bet tām ir mazāk pašizlādes;
• Li-Ion bateriju kalpošanas laiks un glabāšana (2–3 gadi) ir vairākas reizes īsākas nekā Ni Cd izstrādājumiem (8–10 gadi);
• niķeļa-kadmija avoti ātri zaudē ietilpību, ja tos izmanto bufera režīmā (piemēram, UPS). Lai gan pēc tam tos var pilnībā atjaunot ar dziļu izlādi un uzlādi, Ni Cd produktus labāk nelietot ierīcēs, kur tos pastāvīgi uzlādē;
• tas pats Ni-Cd un Ni-Mh akumulatoru uzlādes režīms ļauj izmantot vienus un tos pašus lādētājus, taču jāņem vērā fakts, ka niķeļa-kadmija akumulatoriem ir izteiktāks atmiņas efekts.

Balstoties uz esošajām atšķirībām, nav iespējams izdarīt nepārprotamu secinājumu par to, kuras baterijas ir labākas, jo visiem elementiem ir stiprās un vājās puses.

Lietošanas noteikumi

Darbības laikā Ni Cd enerģijas avotos notiek vairākas izmaiņas, kas izraisa pakāpenisku veiktspējas pasliktināšanos un, visbeidzot, veiktspējas zudumu:

• samazinās elektrodu efektīvais laukums un masa;
• mainās elektrolīta sastāvs un tilpums;
• separatora un organisko piemaisījumu sadalīšanās;
• tiek zaudēts ūdens un skābeklis;
• Pašreizējās noplūdes rodas kadmija dendrītu augšanas dēļ uz plāksnēm.

Lai samazinātu akumulatora bojājumus, kas rodas tā darbības un glabāšanas laikā, ir jāizvairās no negatīvas ietekmes uz akumulatoru, kas saistīta ar šādiem faktoriem:

• nepilnīgi uzlādēta akumulatora uzlādēšana noved pie tā kapacitātes atgriezeniska zuduma, jo kristāla veidošanās rezultātā samazinās aktīvās vielas kopējais laukums;
• regulāra spēcīga uzlāde, kas izraisa pārkaršanu, palielinātu gāzes veidošanos, ūdens zudumu elektrolītā un iznīcina elektrodus (īpaši anodu) un separatoru;
• nepietiekama uzlāde, kas izraisa priekšlaicīgu akumulatora iztukšošanos;
• ilgstoša darbība ļoti zemā temperatūrā noved pie elektrolīta sastāva un tilpuma izmaiņām, palielinās akumulatora iekšējā pretestība un pasliktinās tā veiktspēja, jo īpaši, jauda samazinās.

Strauji palielinoties spiedienam akumulatora iekšpusē straujas uzlādes rezultātā ar lielu strāvu un spēcīgi kadmija katoda degradācijai, akumulatorā var izdalīties lieko ūdeņradi, kas noved pie strauja spiediena palielināšanās, kas var deformēt lietu, pārkāpj montāžas blīvumu, palielina iekšējo pretestību un samazina darba spriegumu.

Akumulatoros, kas aprīkoti ar avārijas spiediena samazināšanas vārstu, var novērst deformācijas risku, taču nevar izvairīties no neatgriezeniskām izmaiņām akumulatora ķīmiskajā sastāvā.

Ni Cd akumulatoru lādēšana jāveic ar strāvas stiprumu 10% (ja nepieciešams, ar ātru uzlādi īpašās baterijās ar strāvu līdz 100% stundā) no to jaudas (piemēram, 100 mA ar jaudu 1000 mAh) 14-16 stundas. Labākais to izlādes režīms ir strāva, kas vienāda ar 20% no akumulatora jaudas.

Kā atgūt Ni Cd akumulatoru

Jauda tiek zaudēta, niķeļa-kadmija barošanas avotus var gandrīz pilnībā atjaunot, izmantojot pilnīgu izlādi (līdz 1 voltam uz elementu) un turpmāko uzlādi standarta režīmā. Šo bateriju apmācību var atkārtot vairākas reizes, lai pilnībā atjaunotu to ietilpību.

Ja akumulatoru nav iespējams atjaunot, izlādējoties un uzlādējoties, varat mēģināt tos atjaunot, uz dažām sekundēm izmantojot īss strāvas impulsus (desmitiem reižu lielāks par atjaunotā elementa ietilpību). Šis efekts novērš iekšējo ķēdi akumulatora elementos, kas rodas dendrītu augšanas dēļ, tos sadedzinot ar spēcīgu strāvu. Ir īpaši rūpnieciskie aktivatori, kas veic šo efektu.

Pilnīga šādu akumulatoru sākotnējās ietilpības atjaunošana nav iespējama neatgriezenisku elektrolīta sastāva un īpašību izmaiņu, kā arī plākšņu bojāšanās dēļ, taču tas ļauj pagarināt akumulatora kalpošanas laiku.

Atveseļošanās metode mājās ir šāda:

• vads, kura šķērsgriezums ir vismaz 1,5 kvadrātmilimetri, ir savienots, atskaitot atjaunoto kameru ar jaudīga akumulatora, piemēram, automašīnas vai UPS, katodu;
• otrais vads ir droši piestiprināts pie vienas no baterijām anoda (plus);
• 3-4 sekundes otrā stieples brīvais gals ātri pieskaras brīvā plus spailei (ar frekvenci 2-3 kontakti sekundē). Šajā gadījumā ir jānovērš vadu metināšana krustojumā;
• ar voltmetru tiek pārbaudīts spriegums pie atjaunojamā avota; tā neesamības gadījumā tiek veikts vēl viens atkopšanas cikls;
• kad uz akumulatora parādās elektromotora spēks, tas tiek uzlādēts;

Turklāt jūs varat mēģināt iznīcināt akumulatorā esošos dendrītus, sasaldējot tos 2-3 stundas, pēc tam veicot asu krānu. Sasalstot, dendrīti kļūst trausli un tiek iznīcināti trieciena dēļ, kas teorētiski var palīdzēt no tiem atbrīvoties.

Ir ekstrēmākas reģenerācijas metodes, kas saistītas ar destilēta ūdens pievienošanu veciem elementiem, urbjot to ķermeņus. Bet pilnīga šādu elementu necaurlaidības nodrošināšana nākotnē ir ļoti problemātiska. Tāpēc nevajadzētu ietaupīt un pakļaut savu veselību saindēšanās ar kadmija savienojumiem riskam vairāku darba ciklu ieguvuma dēļ.

Uzglabāšana un iznīcināšana

Niķeļa kadmija baterijas ir labāk uzglabāt izlādētā stāvoklī zemā temperatūrā sausā vietā. Jo zemāka ir šādu bateriju uzglabāšanas temperatūra, jo mazāk tām ir pašizlādes. Augstas kvalitātes modeļus var uzglabāt līdz 5 gadiem, būtiski nebojājot tehniskos parametrus. Lai tos nodotu ekspluatācijā, pietiek ar to uzlādi.

Kaitīgās vielas, kas atrodas vienā AA akumulatorā, var piesārņot apmēram 20 kvadrātmetrus teritorijas. Lai droši iznīcinātu Ni Cd baterijas, tās jānogādā pārstrādes punktos, no kurienes tās tiek nosūtītas uz rūpnīcām, kur tās jāiznīcina īpašās aizzīmogotās krāsnīs, kas aprīkotas ar filtriem, kas uztver toksiskas vielas.