Кадмиевые батарейки. Что нужно знать про никель-кадмиевые аккумуляторы

/ 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.

Электроинструмент, работающий на аккумуляторах, сейчас пользуется небывалым спросом, так как дает возможность работать автономно от сети электропитания довольно длительный срок. Такое оборудование при эксплуатации не требует дополнительной прокладки питающих удлинителей и сетевых фильтров по всему помещению, которые постоянно мешают рабочему процессу.

Многие задаются вопросом о том, какие аккумуляторы лучше подходят для аккумуляторного инструмента. Ответить на него можно, лишь сравнив достоинства и недостатки каждого типа АКБ.

Виды аккумуляторов

Аккумулятор для шуруповерта (АКБ) – это элемент устройства, в котором аккумулируется энергетический запас, необходимый для его работы. Правильный выбор этого важного компонента влияет на будущие эксплуатационные и технические свойства оборудования.

Сегодня аккумуляторные изделия применяются повсеместно: от детских игрушек и приборов для гигиены до ноутбуков и автомобилей.

Аккумуляторы бывают различных типов и подтипов, но в комплектации электроинструмента нашли широкое применение только нижеследующие:

никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd);
никель-металлгидридные элементы (Ni-MH);
литий-ионные АКБ (Li-Ion);
литий-полимерные аккумулирующие элементы (Li-Pol).

Каждый из этих видов АКБ имеет свои отрицательные и положительные стороны, основываясь на которых нужно выбирать электроинструмент.

Важно! При первом использовании и в дальнейшей эксплуатации важные технические характеристики аккумуляторной батареи можно измерять универсальным прибором – мультиметром.

Никель-кадмиевые аккумулирующие элементы

Никель-кадмиевые батареи – самый популярный вид АКБ в шуруповертах, разработанный более века назад. Широкое распространение получил из-за достаточной энергетической емкости и высокой надежности при низкой цене.

Никель кадмиевые аккумуляторы для шуруповерта выделяются от других видов нижеследующими достоинствами:

Верная эксплуатация АКБ позволяет увеличить срок ее службы до 3-4 лет;
Ni-Cd аккумуляторная батарея может эксплуатироваться при низком температурном фоне без существенной потери его заряда, что дает возможность работать с инструментом на открытом воздухе зимой;
Неприхотливость даже к самым экстремальным условиям работы, надежность;
АКБ может разряжаться и вновь заряжаться до 1000 раз;
Отличная нагрузочная способность;
Вышедшие из строя компоненты можно реанимировать целым комплексом мероприятий;
Такой элемент питания может довольно долгое время находиться в разряженном состоянии без потери своих основных свойств. Инструментом с таким аккумулятором можно работать вплоть до полного разряда и только после этого ставить на подзарядку – емкость АКБ не изменится в сторону уменьшения.

Имея в своем запасе немало положительных сторон, никель-кадмиевые АКБ не лишены и слабых мест, а именно:

высокая токсичность веществ, которыми наполнены составляющие батареи (банки), что вызывает проблемы с утилизацией отработанных элементов;
достаточно большой вес в сравнении с другими типами аккумуляторов;
высокий показатель саморазряда, который ведет к утрате емкостных качеств и общему уменьшению напряжения;
эффект памяти – явление, возникающее при неполной разрядке аккумуляторного элемента, когда аккумулятор запоминает это значение при включении в сеть для зарядки и при дальнейшей эксплуатации будет отключаться именно при этой отметке, а не до полного разряда.

Из-за эффекта памяти в никель-кадмиевых аккумуляторах требуется регулярно проводить реанимационные мероприятия по его устранению, которые называются «прошивка памяти».

Суть этого мероприятия заключается в воздействии на аккумулирующие компоненты высокого напряжения большего от номинального показателя. Такими процедурами удается внести коррективы в эффект памяти и увеличить потерянную емкость батареи.

Интересно знать. Многие европейские государства запретили применение никель-кадмиевых аккумуляторов в различном оборудовании и приборах в целях поддержания экологии на своих территориях.

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Ni-MH батареи были созданы с целью устранения существенных недостатков никель-кадмиевых АКБ и обладают следующими преимуществами:

слабо выраженный эффект памяти;
практически нетоксичны;
высокие емкостные свойства;
небольшой вес и габариты;
компоненты аккумуляторной батареи поддаются восстановительным процедурам;
высокая устойчивость к повреждениям механического характера.

Однако наряду со многими плюсами выделяются и существенные минусы никель-металлгидридных аккумулирующих энергию элементов:

долгий заряд до полной отметки;
инструмент с такими элементами питания не рекомендуется эксплуатировать при минусовых температурах окружающей среды;
довольно высокая цена;
уменьшенное количество зарядных циклов (около 500-600);
более низкий срок службы в сравнении с другими типами батареек для шуруповертов;
могут быстро разряжаться;
батарею нельзя полностью разряжать.

На основе сравнения батарей такого типа с никель-кадмиевыми АКБ можно сделать вывод, что по эксплуатационным характеристикам последние значительно лучше.

Литий-ионные батареи

Аккумуляторы, элементы которых содержат такой химический элемент, как литий, называются литий-ионными. Этот тип элементов питания обладает огромным количеством преимуществ перед прочими типами аккумуляторов.

Плюсы Li-Ion элементов питания:

быстро заряжаются;
практически отсутствует эффект памяти;
почти нулевой саморазряд;
не утрачивают показатель емкости при процессе зарядке на любой стадии разряда АКБ;
не содержат в своем составе токсичных веществ и их примесей;
хороший срок службы – 4-7 лет;
небольшие размеры и вес.

Минусы литий-ионных элементов питания:

низкая устойчивость к повреждениям механического типа (возможен взрыв от сильного удара);
достаточно высокая стоимость;
быстро выходит из строя при глубоком разряде;
со временем происходит процесс разложения лития, что ведет к выходу из строя некоторых составных частей аккумуляторной системы;
не подлежат реанимационным мероприятиям – при выходе из строя какого-либо элемента его можно только заменить на новый;
быстрая разрядка при отрицательных температурах.

Важно! Литий-ионные АКБ бывают различных видов, отличаясь друг от друга габаритами, емкостью и прочими характеристиками. За свои отличные показатели емкости широкое применение получили литий-ионные аккумуляторы 18650, которые чаще всего используют при переделке Ni Cd батарей в литий-ионные.

Литий-полимерные АКБ

Li-Pol аккумуляторы – элементы питания последнего поколения, разработанные на базе литий-ионной технологии. Главное отличие таких АКБ от литий-ионных аккумуляторов заключается в замене жидкого электролита на полимерное гелеобразное вещество. Результатом изготовителю таких аккумуляторов удалось значительно увеличить их емкостные характеристики, уменьшить вес и габаритные размеры, тем самым создавая ультратонкие элементы питания.

Также стоит отметить, что такие Li-Pol аккумулирующие изделия стали менее взрывоопасны, чем их предшественники.

Явными минусами литий-полимерных АКБ для шуруповертов являются:

низкий срок службы – всего 2-3 года;
малое количество циклов заряд-разряд – всего 500;
дороговизна;
высокие требования к условиям работы.

Обратите внимание! Дрели и шуруповерты на базе литий-полимерных батарей встречаются достаточно редко из-за стоимости этой технологии. Как правило, они могут внедряться производителями в свою премиальную линейку электроинструмента.

Сравнительный рейтинг аккумуляторов

Если сравнить все типы аккумуляторов между собой по основным характеристикам, выставляя оценки от 1 до 5, то получится нижеследующая рейтинговая таблица.

Сравнительная таблица аккумуляторов по видам на 12в

Параметр	Никель-кадмиевый	Литий-ионный	Литий-полимерный	Никель-металлгидридный
Цена	5	2	1	3
Боязнь отрицательных температур	4	2	5	2
Емкость	2	4	5	3
Эффект памяти элемента	1	5	5	3
Саморазряд	2	4	5	3
Число циклов разряда-заряда	3	4	2	1
Токсичность	1	5	5	3
Боязнь глубокого разряда	5	2	3	3
Габариты	1	4	5	3
Итого баллов	24	32	36	24

Получить однозначный ответ на вопрос о том, какой аккумулятор лучше для шуруповерта, нельзя, так как каждый тип батарей имеет свои отличительные черты и подходит для различных эксплуатационных условий.

Так никель-кадмиевые батареи в шуруповерте за свою неприхотливость могут использоваться при любой температуре окружающей среды, а из-за своей низкой стоимости и возможности находиться долгое время без зарядки этот вариант электроинструмента идеален для нечастой эксплуатации в домашних условиях.

Профессионалы отдают выбор шуруповёрту на основе литий-ионных АКБ, так как такие батареи имеют высокую емкость, быстро заряжаются, не имеют саморазряда, что дает возможность эксплуатировать его длительное время без долгих зарядок.

Важно! Есть возможность переделки одного типа аккумулятора в другой, если соблюдать определенные правила и инструкции, например, из никель-кадмиевого АКБ можно сделать литий-ионный аккумулятор, закупив необходимые компоненты, новую зарядку и прочие материалы.

Выбор шуруповерта, дрели и аккумулятора для него – дело непростое, но важное, так как именно от этого элемента зависит, справится ли инструмент с возложенными на него задачами. Рекомендуется делать свой выбор, основываясь на целях использования приборов, а также оценке достоинств и недостатков каждого типа АКБ.

Видео

Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы с этого года запрещены к производству в странах Евросоюза, эти неустанные труженики до сих пор используются во многих недорогих и мощных автономных устройствах (шуруповерты, электробритвы, фонари).

Даже если в инструкции по эксплуатации о типе аккумулятора устройства ничего не сказано, определить то, что именно никель-кадмиевый аккумулятор служит источником тока достаточно просто - чаще всего время зарядки указывается в диапазоне 5-12 часов и присутствует указание на необходимость самостоятельного отключение зарядного по истечению времени заряда.

Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для мощных автономных устройств. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузке без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристаллы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

Никель-кадмиевые аккумуляторы являются самыми «дуракоустойчивыми» из современных массовых аккумуляторов - для их использования не требуется даже системы мониторирования параметров аккумулятора, что определяет их использование в недорогих и мощных устройствах.

Зарядка малыми токами за 5-12 часов позволяет обойтись без каких-либо предосторожностей в виде систем контроля заряда-разряда. При перезаряде аккумулятор просто медленно будет терять емкость (на радость производителя). Необходимо помнить об этом при использовании «bad-boy» зарядных устройств (зарядных без механизма автоматического контроля заряда). Поэтому, лучше всего заряжать полностью разряженный аккумулятор и строго соблюдать время зарядки, что позволит сохранить емкость NiCd аккумулятора достаточно долгое время.

При использовании «быстрой» зарядки (со временем заряда менее 5 часов) желательно иметь зарядное устройство с температурным датчиком, поскольку при заряде повышается температура аккумулятора, вместе с температурой растет емкость, с ростом емкости зарядный прибор может перезарядить батарею свыше необходимого уровня, что приводит к еще большему росту температуры (явление «терморазгона» аккумулятора) и, как минимум, к ухудшению параметров батареи. Подобная ситуация существует и при заряде батареи при низких температурах. Температурный датчик позволяет сдвинуть параметры заряда в зависимости от температуры аккумулятора, а также отключить батарею от заряда при превышении скорости роста температуры выше 1 градуса Цельсия в минуту или по достижении температуры батареи в 60 градусов Цельсия что позволяет избежать трагических последствий терморазгона.

В качестве иллюстрации необходимости термодатчика в зарядном могу привести пример двухлетней давности заряда никель-кадмиевой батареи для профессионального шуруповерта на зарядном без термодатчика (на фото - это самое зарядное устройство), позволяющего заряжать батарею ускоренным темпом – за час. В то время была температура в квартире около 30°C, зарядное автоматически должно заряжать аккумулятор до достижения целевого напряжения и автоматически отключаться, что английским по-белому было сказано в инструкции в разделе безопасность. Утром первый аккумулятор из комплекта был заряжен без всяких эксцессов – через 50 минут зарядное отключилось, ближе к вечеру второй аккумулятор при заряде преподнес сюрприз: из-за отсутствия термодатчика в зарядном, батарея вошла в режим терморазгона. Так как заряд был ускоренным проблема была замечена поздно – когда аккумулятор пошел дымом и стал разбрызгивать горячий электролит. Быстро отключенный от сети зарядник удалось спасти. Аккумулятор же еще долго сопел в агонии, пытаясь причинить как можно больше вреда при отходе в мир иной, однако ему это не удалось и вред ограничился стоимостью самого аккумулятора – 15USD. С тех пор зарядное подключается к сети через таймер.

Несмотря на свои недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы до сих пор существуют среди нас. Надеюсь, немного теории и практического опыта, изложенного в статье, позволят читателю получить от никель-кадмиевого аккумулятора своего устройства максимум того, на что он способен.

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.

Опубликовано в