Никель-металлогидридные (Ni-Mh) аккумуляторы
Никель-металлогидридные (Ni-Mh) аккумуляторы — что это, каковы их особенности, чем они привлекают пользователей и чем могут не понравиться? Именно о них и будет эта тема, но заранее скажу, отличается данная разновидность источников энергии достойными характеристиками, которые дают возможность использовать их практически повсеместно.
Содержание:
- История создания и развитие Ni-Mh накопителей.
- Устройство и принцип работы.
- Разновидности Ni-Mh и технические характеристики.
- Положительные и отрицательные стороны.
- Где применяются.
- Что предпочесть — Ni-Mh или Ni-Cd?
- Особенности эксплуатации.
- Нужна ли раскачка Ni-Mh?
- Хранение и утилизация.
- Какие NiMh самые лучшие?
История создания и развитие Ni-Mh накопителей
Ni-Mh появились ещё в середине прошлого столетия. Изобретены они были как наследники никель-кадмиевых АКБ, с целью нивелировать недочёты, которыми те обладали.
Проводимые учёными исследования позволили изобрести никель-водородные АКБ, используемые в космической технике. Профессора сумели вывести новый метод накопления водорода: в этом типе электронакопителей водород скапливался в сплавах. Такие материалы имели возможность накапливать объём водорода, в тысячу раз превосходящий их личный объём.
Сплав состоял минимум из 2-х металлов. Один из них отвечал за накапливание водорода, другой был катализатором, обеспечивающим переход водородных атомов в металлическую решётку. Применяться может разнообразное сочетание металлов, что позволяет изменять свойства сплава. Специально было налажено производство сплавов, функционирующих при комнатной температуре и пониженном давлении водорода.
Новые сплавы разрабатываются и сегодня, также полным ходом идёт модернизация производства Ni-Mh. Успехи скажет так есть: некоторые девайсы данного типа выдерживают до 2000 циклов. Стоит отметить, что при этом, ёмкость «-» электрода падает не более чем на 30%. Разработчикам удаётся достичь подобного результата благодаря применению сплавов никеля с разными редкоземельными металлами.
1975 год ознаменовался получением патента на сплав LaNi5. Материал применялся в Ni-Mh электронакопителе как активное вещество. Если брать во внимание более ранние версии аккумуляторов с другими металл-гидридными сплавами, то они не обеспечивали приемлемую ёмкость.
Промышленный выпуск обсуждаемых электронакопителей стартовал в середине 80-х годов, когда учёные получили сплав La-Ni-Co. Материал давал возможность осуществлять обратимое абсорбирование водорода более сотни циклов. В дальнейшем, все модернизации никель-металлогидрида были направлены на наращивание энергетической плотности.
По ходу усовершенствований, замене подвергся минусовой электрод, что увеличило активную массу электрода «+» в 1,3-2 раза. Собственно от положительного электрода имеет зависимость ёмкость никель-металлогидридного устройства. Такая разновидность предлагает более солидные удельные энергетические показатели, если сравнивать с никель-кадмием.
В состав никель-металлогидридных источников энергии входят нетоксичные материалы, что облегчает эксплуатацию аппаратуры и её утилизацию. Эти положительные стороны помогли Ni-Mh завоевать популярность у широких масс.
Приблизительно до середины 1990-х годов, в отрасли портативной электроники преобладали никель-кадмиевые источники питания. Однако из-за ужесточающихся норм экологии, промышленники стали отдавать предпочтение никель-металлогидридным исполнениям.
Устройство и принцип работы
Ni-Mh накопители принадлежат к группе щелочных, роль положительного элемента в них играет водородный металл-гидридный электрод, а за катод отвечает оксид никеля. В качестве электролита идёт щёлочь KOH. По конструкции, Ni-Mh идентичны своим предшественникам, никель-кадмиевым накопителям энергии, а по происходящим в них процессам, они схожи с никель-водородными структурами. Однако Ni-Mh обыгрывают перечисленных оппонентов по удельной энергоёмкости.
Положительный электрод может брать большой объём водорода. В среднем, это значение превосходит объём электрода в тысячу раз. Чтобы достигнуть абсолютной стабилизации, разработчики внедряют в сплав литий либо латан.
Материал катодов Ni-Mh накопителей, обеспечивает качественный заряд между «+» и «-» электродами. Самый продолжительный срок службы и самый высокий показатель ёмкости обеспечивают пеноникелевые, а также металловойлочные катоды.
Конструкция батареи может отличаться, однако чаще всего, это рулонообразные анод и катод разделённые сепаратором. Встречаются вариации, в которых пластины выстроены поочерёдно и переложены сепаратором. Также в конструкции присутствует предохранительный клапан, активирующийся при опасном увеличении давления (до 2-4 МПа) внутри накопителя.
Разновидности Ni-Mh и технические характеристики
Ni-Mh электронакопители изготавливаются разных форм и видов, чтобы быть максимально пригодными для выполнения различных задач.
Современные девайсы обслуживаются такими основными типами Ni-Mh электроаккумуляторов:
AA. Пальчиковые источники энергии. Их ёмкость варьируется в пределах 1700-2900 mAh.
AAA. Мизинчиковые накопители. Можно рассчитывать на ёмкость 800-1000 mAh.
C. Среднеразмерные АКБ. Ёмкость — 4500-6000 mAh.
D. Самый мощный тип аккумуляторов. В этом случае в распоряжении пользователя окажется весьма серьёзный показатель ёмкости — 9000-11500 mAh.
Вся приведённая выше аппаратура предлагает напряжение 1,5 В, но на рынке присутствуют и модели с показателем напряжения 1,2 В. Если соединить десяток 1,2-вольтовых АКБ, то можно получить напряжение равное 12 В.
При снижении температуры окружающей среды и возрастании нагрузки, никель-металл-гидрид теряет в ёмкости по графику приведённому ниже:
Номинальное напряжение разряда (Uр), обычно, пребывает в диапазоне 1,2-1,25 V при разрядном токе (Iр). Как можно наблюдать на графике приведённом далее, напряжение снижается при увеличении нагрузки:
Напряжение разомкнутой цепи вычислить довольно проблематично. Причина — равновесный потенциал оксидно-никелевого электрода сильно зависящий от уровня окисленности никеля.
Большое значение имеет и равновесный потенциал минусового электрода, определяемый уровнем скопления водорода. По прошествии суток после заряда накопителя, напряжение разомкнутой цепи никель-металл-гидрида пребывает на уровне 1,3-1,35 V.
Положительные и отрицательные стороны
Как говорилось выше, никель-металлогидридная технология пришла на смену никель-кадмиевой. Здесь стоит сделать акцент на возрастании удельных энергетических характеристик и отказе от применения токсичного кадмия. Подобное решение дало возможность производителям наносить меньше вреда окружающей среде при изготовлении Ni-Mh. Также существенно была упрощена технология утилизации электробатарей пришедших в негодность.
Плюсы
✅ Эффект памяти хоть и присутствует, но в отличие от никель-кадмия, он всё-таки значительно ниже.
✅ В структуре нет токсичных материалов.
✅ Увеличенный показатель удельной ёмкости по сравнению с конкурентами. Превосходство доходит до 40% от стандартной ёмкости никель-кадмия и при этом Ni-Mh меньше весит.
✅ Безопасная транспортировка — авиакомпании без проблем берут как груз.
Минусы
⛔ В процессе зарядки никель-металл-гидрид греется больше чем предшественник, из-за этого появляется надобность внедрения реле температуры либо предохранителей. Разработчики устанавливают данные компоненты на стенке по центру электронакопителя.
⛔ Риск переполюсовки и перегрева составляющих возрастает с увеличением срока службы и числа циклов. Поэтому инженеры устанавливают в такие аккумуляторные блоки не больше 10 элементов.
⛔ Ni-Mh имеет весьма заметный самостоятельный разряд. Он в пару раз выше чем у Ni-Cd (20% в течении первых суток и дальше идёт рост на 10% каждый месяц). Подобное недоразумение присутствует по причине реакции оксидно-никелевого электрода с водородом электролита. В нынешних вариациях Ni-Mh данную проблему решают путём изменения сплавов минусовых электродов. Результат получается конечно не идеальный, но достаточно приемлемый.
⛔ Ni-Mh могут нормально функционировать в более узком диапазоне температур. При показателе за бортом в -10 градусов, такие устройства теряют свою работоспособность. Отказ работать можно наблюдать и при температуре выше +40 градусов. Однако на рынке есть линейки Ni-Mh, для которых производитель расширяет диапазон рабочих температур посредством внедрения легирующих добавок.
⛔ АКБ безвозвратно теряют ёмкость минусового электрода, когда разряжаются на 100%. Поэтому, никель-металл-гидридные источники питания более требовательны к процессу разряда, чем их старшие братья — Ni-Cd. Сами разработчики советуют разряжать элемент до 1 V в накопителях с низким напряжением или до 1,1 V в аккумуляторах состоящих из 7-10 элементов.
⛔ Служат относительно не долго — до 600-800 полных циклов, но и эта цифра может сократиться в значительной степени если постоянно доводить устройство до глубокого разряда.
⛔ Снижение ёмкости уже через 250-300 циклов.
⛔ Ni-Mh более дорогие в изготовлении чем Ni-Cd.
⛔ Требуется специальное ЗУ со стадийным алгоритмом и отслеживанием перезаряда.
⛔ Усложнённый алгоритм зарядного процесса. Он более длительный и вдобавок Ni-Mh аппаратура восприимчива к перезаряду.
Где применяются
Ni-Mh могут работать там же, где и Ni-Cd, но отсутствие в их структуре токсичных материалов, позволяет расширить область применения.
По ёмкости, Ni-Mh можно распределить по двум большим группам:
- 1500-3000 mAh;
- 300-1000 mAh.
1-я группа обслуживает устройства, потребляющие солидный объём энергии за не продолжительное время. К таким девайсам относятся модели на радиоуправлении, фотоаппаратура, плееры и др.
Вторая группа, с более скромным показателем ёмкости, подходит для аппаратуры, где энергия начинает потребляться после некоторого временного интервала. Осветительные приборы, игрушки, рации, GPS-навигаторы и другие девайсы с умеренным потреблением электричества, длительное время пребывающие в автономном режиме.
Что предпочесть — Ni-Mh или Ni-Cd?
Возьмём к примеру оборудование, которое будет работать при низких температурах, зимой на улице либо в не отапливаемом помещении. Чему отдать предпочтение в таких ситуациях? Никель-кадмию — его возможности окажутся более подходящими. Ni-Cd эффективнее функционируют на морозе, также их дозволяется заряжать при минусе.
А вот если равняться по работе в стандартных тепличных условиях, то никель-металлогидрид объективно переигрывает по свойствам своего древнего конкурента, который может разочаровать пользователя меньшей ёмкостью и присутствием эффекта запоминания.
Особенности эксплуатации
Условия использования во многом определяют, сколько рабочих циклов выдержит АКБ и насколько долго она будет находиться в строю. Два этих показателя идут на спад при ускорении разряда и возрастании его глубины. Напрямую влияют также быстрота заряда и контроль завершения процедуры подзарядки.
Ni-Mh бывают разных типов и в зависимости от этого, а также от условий функционирования, девайс может обеспечить 500-1000 рабочих циклов. По времени — это три-пять лет. Такие показатели актуальны при 80-процентной глубине разряда.
Чтобы обеспечить никель-металлогидридному накопителю надёжное функционирование на протяжении всего срока его жизни, пользователь должен придерживаться всех рекомендаций разработчиков. Особое внимание нужно уделять температурному режиму, также, нельзя доводить аппаратуру до значительного разряда (меньше 1 В). Кроме того, недопустимо и короткое замыкание. Нельзя эксплуатировать новые Ni-Mh совместно с использованными. Нельзя припаивать к батареям проводки и другие приспособления.
Никель-металлогидрид гораздо более восприимчив к перезаряду, чем никель-кадмий. В перовом случае, можно ожидать теплового разгона. Чаще всего, Ni-Mh «заправляют» током 0,1 С на протяжении 15 ч. Если применяется компенсационная подзарядка, то величина тока будет составлять 0,01-0,03 C, а время затрачиваемое на данную процедуру — 30 часов.
Заряжать источник энергии можно ещё в ускоренном и быстром режимах. Первый вариант предусматривает 4-5 часов времени, второй — всего час. Такие скоростные процедуры годятся для Ni-Mh оснащённых высокоактивными электродами. Если в ход идут скоростные режимы, то пользователю придётся тщательно отслеживать процесс, по переменам напряжения, температуры и некоторых других параметров.
Производители советуют пользоваться быстрым зарядом в три этапа:
1. Ток 1 С и выше.
2. Ток 0,1 С. Время от 30 до 60 минут.
3. Ток 0,05-0,02 C. Это компенсационный подзаряд.
Информация о зарядке АКБ, находится, как правило, в инструкции по эксплуатации, прилагающейся к накопителю. Показатель рекомендуемого тока зарядки можно отыскать на корпусе накопителя. Если брать общий случай, то напряжение заряда при зарядном токе 0,3-1 С пребывает в пределах 1,4-1,5 V.
Нужна ли раскачка Ni-Mh?
Раскачка электроаккумулятора — это важный этап его эксплуатации и никель-металлогидрид исключением из правил не является. Особенно такое мероприятие актуально после долгого хранения. Проводится оно для восстановления ёмкости и максимального напряжения. Что конкретно нужно делать? Разряжаем батарею током до нуля, по итогу у вас должно получиться минимальное напряжение.
Пользуясь такой не хитрой методикой, можно реанимировать электронакопитель и никакая давность, в разумных пределах естественно, ему не помеха. Но здесь нужно помнить, что чем дольше хранился накопитель, тем больше подходов ему потребуется. Как правило, достаточно будет от двух до пяти циклов, чтобы сопротивление и ёмкость были приведены в норму.
Хранение и утилизация
Сохраняйте девайс при температуре близкой к нулю — это оптимальные условия. Кроме того, учитывайте, что хранить источник энергии разумно только пока он годен. Срок годности можно посмотреть на упаковке, однако маркировка разных производителей часто расшифровывается по-разному.
Когда Ni Mh отработали своё, их желательно не выбрасывать, а сдавать на вторпереработку.
Какие NiMh самые лучшие?
Если вас смущает значительный саморазряд никель-металлогидридных источников энергии, то можно отдать предпочтение модернизированной разновидности LSD Ni-Mh. Это электронакопитель с низким уровнем самостоятельного разряда, а аббревиатура LSD расшифровывается как Low Self-Discharge.
LSD-элементы при хранении утрачивают от силы 10-20% ёмкости в год, вдобавок при экстремальных температурных режимах они функционируют практически с такой же эффективностью, как Ni-Cd. Денег конечно за них придётся отдать больше, но LSD эти вложения оправдают в условиях, когда между зарядкой и непосредственно эксплуатацией проходит много времени.
Продвинутые изделия впервые заявили о себе ещё в 2005 году, над ними работала фирма Sanyo. Однако сегодня производством LSD занимается большое количество других компаний. Они замедляют саморазряд посредством более качественного разделения положительного и отрицательного электродов с помощью полиолефинового сепаратора.
Заключение
Как видим, наследник никель-кадмия имеет немало преимуществ над ним, но в то же время, присутствуют и недостатки. Если говорить коротко и ясно, то электроаккумуляторы на основе Ni-Cd доступны широким массам по цене, служат продолжительное время, но капризны в зарядке. А вот Ni-Mh обладает большей ёмкостью и эффективностью, однако он не радует ресурсом и своей себестоимостью. В принципе, как ни крути, а Ni-Mh всё-таки ещё нужно доводить до ума, ужи слишком он капризный за такие деньги.
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
