Срок службы кадмиевых аккумуляторов

Никель-Кадмиевые аккумуляторы

Во второй половине двадцатого века одними из лучших перезаряжаемых химических источников тока были аккумуляторные батареи, изготовленные по никель-кадмиевой технологии. Они до сих пор широко применяются в различных сферах благодаря своей надежности и непритязательности.

Что такое никель кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевые батареи являются гальваническими перезаряжаемыми источниками тока, которые были изобретены в 1899 году в Швеции Вальдмаром Юнгнером. До 1932 года их практическое использование было очень ограниченным из-за дороговизны используемых металлов в сравнении со свинцово-кислотными АКБ.

Усовершенствование технологии их производства привело к значительному улучшению их эксплуатационных характеристик и позволило в 1947 году создать герметичный необслуживаемый АКБ с отличными параметрами.

Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора

Электрическую энергию эти АКБ производят благодаря обратимому процессу взаимодействия кадмия (Cd) с оксидом-гидроксидом никеля (NiOOH) и водой, в результате которого образуется гидроксид никеля Ni(OH)2 и гидроксид кадмия Cd(OH)2, обуславливающий появление электродвижущей силы.

Ni-Cd АКБ выпускаются в герметичных корпусах, в которых размещены электроды, разделенные нейтральным сепаратором, содержащие никель и кадмий, находящиеся в растворе желеобразного щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, KOH).

Положительный электрод представляет собой стальную сетку или фольгу, покрытую пастой оксид-гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом

Отрицательный электрод — это стальная сетка (фольга) с впрессованным пористым кадмием.

Один никель кадмиевый элемент способен выдавать напряжение около 1,2 вольта, поэтому для увеличения напряжения и мощности батарей в их конструкции применяется множество параллельно соединенных электродов, разделенных сепараторами.

Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ

Ni-Cd батареи имеют следующие технические характеристики:

• напряжение разряда одного элемента – около 0,9-1 вольт;
• номинальное напряжение элемента – 1,2 v, для получения напряжений 12v и 24v применяют последовательное соединение нескольких элементов;
• напряжение полного заряда – 1,5-1,8 вольт;
• рабочая температура: от -50 до +40 градусов;
• количество циклов заряда-разряда: от 100 до 1000 (в самых современных батареях – до 2000), в зависимости от используемой технологии;
• уровень саморазряда: от 8 до 30% в первый месяц после полного заряда;
• удельная энергоемкость – до 65 Вт*час/килограмм;
• срок эксплуатации – около 10 лет.

Ni-Cd АКБ выпускают в различных корпусах стандартных типоразмеров и в нестандартном исполнении, в том числе в дисковом, герметическом виде.

Где используются никель кадмиевые АКБ

Эти батареи применяются в устройствах, которые потребляют большой ток, а также испытывают высокие нагрузки при эксплуатации в следующих случаях:

• на троллейбусах и трамваях;
• на электрокарах;
• на морском и речном транспорте;
• в вертолетах и самолетах;
• в электроинструментах (шуруповерты, дрели, электроотвертки и прочие);
• электробритвы;
• в военной технике;
• переносных радиостанциях;
• в игрушках на радиоуправлении;
• в фонарях для дайвинга.

В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров (AA, AAA и другие) выпускается по никель-металлогидридной и литий-ионной технологиям. Вместе с тем, в эксплуатации еще находится множество Ni Cd АКБ различных типоразмеров, выпущенных несколько лет назад.

Ni-Cd элементы имеют продолжительный срок эксплуатации, который порой превышает 10 лет и поэтому еще можно встретить этот вид батарей во множестве электронных устройств, кроме тех, которые перечислены выше.

Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора

Этот вид элементов питания имеет следующие положительные характеристики:

• большой срок эксплуатации и число циклов заряда-разряда;
• продолжительный срок службы и хранения;
• возможность быстрой зарядки;
• способность выдерживать большие нагрузки и низкие температуры;
• сохранение работоспособности в самых неблагоприятных условиях эксплуатации;
• невысокая стоимость;
• возможность хранить эти батареи в разряженном состоянии до 5 лет;
• средняя устойчивость к перезаряду.

В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:

• наличие эффекта памяти, проявляющийся в потере емкости при зарядке АКБ, не дожидаясь полного разряда;
• необходимость профилактических работ (несколько циклов заряда-разряда) по набору полной емкости;
• полное восстановление АКБ после долговременного хранения требует трех-четырех циклов полного заряда-разряда;
• большой саморазряд (около 10% в первый месяц хранения), приводящий к практически полному разряду батареи за год хранения;
• невысокая энергетическая плотность по сравнению с другими элементами питания;
• высокая токсичность кадмия, из-за которой они запрещены в ряде стран, в том числе в ЕС, необходимость проводить утилизацию таких АКБ на специальном оборудовании;
• больший вес по сравнению с современными батареями.

Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников

Батареи с активными компонентами, включающими никель и кадмий, имеют ряд отличий от более современных литий-ионных и никель-металлогидридных источников электроэнергии:

• Ni-Cd элементы, в отличие от Li-Ion и Ni-Mh вариантов, имеют эффект памяти, обладают меньшей удельной емкостью при одинаковых размерах;
• NiCd источники более неприхотливы, сохраняют работоспособность при очень низких температурах, во много раз более устойчивы к перезаряду и сильному разряду;
• Li-Ion и Ni-Mh аккумуляторы стоят дороже, бояться перезаряда и сильного разряда, но имеют меньший саморазряд;
• срок эксплуатации и хранения Li-Ion аккумуляторов (2-3 года) в разы меньше, чем Ni Cd изделий (8-10 лет);
• никель-кадмиевые источники быстро теряют емкость при использовании в буферном режиме (например, в UPS). Хотя их можно после этого полностью восстановить путем глубокого разряда и заряда, лучше не использовать Ni Cd изделия в устройствах, где осуществляется их постоянная подзарядка;
• одинаковость режима заряда Ni-Cd и Ni-Mh батарей позволяет использовать одни и те же зарядные устройства, но при этом нужно учитывать тот факт, что у никель-кадмиевых АКБ более выражен эффект памяти.

Исходя из имеющихся отличий, нельзя сделать однозначный вывод о том, какие АКБ лучше, поскольку у всех элементов есть и сильные и слабые стороны.

Правила эксплуатации

В ходе эксплуатации в Ni Cd источниках питания происходит ряд изменений, которые приводят к постепенному ухудшению характеристик и, в конечном итоге, к утрате работоспособности:

• уменьшается полезная площадь и масса электродов;
• изменяется состав и объем электролита;
• происходит распад сепаратора и органических примесей;
• утрачивается вода и кислород;
• появляются утечки тока, связанные с ростом дендритов кадмия на пластинах.

Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:

• заряд не полностью заряженной батареи приводит к обратимой утрате ее емкости из-за уменьшения общей площади активного вещества в результате кристаллообразования;
• регулярный сильный перезаряд, который приводит к перегреву, увеличенному газообразованию, утрате воды в электролите и разрушает электроды (особенно анод) и сепаратор;
• недозаряд, приводящий к преждевременному истощению батареи;
• долговременная эксплуатация при очень низких температурах приводит к изменению состава и объема электролита, увеличивается внутреннее сопротивление АКБ и ухудшаются ее эксплуатационные характеристики, в частности падает емкость.

При сильном увеличении давления внутри батареи в результате быстрого заряда большим током и сильной деградации кадмиевого катода в АКБ может выделяться избыточный водород, что приводит к резкому увеличению давления, которое может деформировать корпус, нарушает плотность сборки, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.

В АКБ, оборудованных аварийным клапаном сброса давления, опасность деформации можно предотвратить, но необратимых изменений химического состава батареи избежать невозможно.

Зарядку Ni Cd аккумуляторов нужно производить током 10% (при необходимости быстрого заряда в специальных АКБ – током до 100% за 1 час) величины их емкости (например, 100 мА при емкости 1000 mAh) в течение 14-16 часов. Самый лучший режим их разряда – током, равным 20% от емкости батареи.

Как восстановить Ni Cd аккумулятор

Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.

В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.

Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.

Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:

• проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
• к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
• на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
• вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
• при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;

Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.

Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.

Хранение и утилизация

Хранить никель кадмиевые батареи лучше в разряженном состоянии при низкой температуре в сухом месте. Чем меньше температура хранения таких АКБ, тем меньше у них саморазряд. Качественные модели могут храниться до 5 лет без существенного ущерба техническим характеристикам. Для ввода их в эксплуатацию достаточно провести их зарядку.

Вредные вещества, содержащиеся в одной батарее АА, способны загрязнить около 20 квадратных метров территории. Для безопасной утилизации Ni Cd аккумуляторов, их нужно сдавать в пункты переработки, откуда их переправляют на заводы, где их должны разрушать в специальных герметизированных печах, оборудованных фильтрами, улавливающими токсичные вещества.

Источник

Все о никель-кадмиевых аккумуляторах: характеристики, эксплуатация, плюсы и минусы

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.

Возникновение и развитие никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

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.

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 Ni─MH аккумуляторы, которые не имеют в своём составе вредного кадмия.

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 аккумуляторы для шуруповерта.
Вернуться к содержанию

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.

Конструкция никель-кадмиевого аккумулятора

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.
Вернуться к содержанию

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

В процессе разряда

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

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 β-Ni(OH)₂ превращается в β-NiOOH. При этом кристаллическая решетка вещества несколько изменяется. На заключительной стадии зарядки происходит образование γ-NiOOH. Количество фаз β и γ гидроксида никеля будет зависеть от конкретных условий заряда.

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

Заряд никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется вести с небольшой перезарядкой, чтобы образовывался β-NiOOH. Эта форма дает незначительные изменения объема активной массы электрода при циклических заряде-разряде.

Процессы на отрицательном электроде

На отрицательном электроде никель-кадмиевой батареи протекают следующие реакции:

Cd(OH)₂ + 2e − ⇒ Cd + 2OH −

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:

В процессе перезаряда на положительном электроде протекает следующая реакция:

2OH − ⇒ 1/2O2 + H₂O + 2e −

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

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:

Затем он окисляется на положительном электроде. Реакция выглядит так:

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.
Вернуться к содержанию

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.

Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора в зависимости от величины тока разряда

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от температуры

Зависимость разрядной ёмкости никель-кадмиевого аккумулятора от нагрузочного тока

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.

Саморазряд герметичного никель-кадмиевого аккумулятора при различных температурах хранения

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.
Вернуться к содержанию

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.

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.
Вернуться к содержанию

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.

Эффективность заряда никель-кадмиевого аккумулятора при различной скорости заряда

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, как заряжать Ni-Cd аккумуляторы детально разобрано по указанной ссылке.
Вернуться к содержанию

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.
Вернуться к содержанию

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.

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.
Вернуться к содержанию

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.

Наработка герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при разной глубине заряда

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.

Источник