Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd), являются довольно распространённым типом накопителей электроэнергии, который нашёл своё применение в разных областях. Естественно, как и другие разновидности АКБ, NiCd обладают своими положительными и отрицательными сторонами, которые делают их более или менее приемлемыми в тех или иных случаях. Они часто обслуживают бытовую технику, электрические приборы, транспорт и применяются даже в авиации. В этой теме мы подробно обсудим эти замечательные источники питания.
Содержание:
- История изобретения.
- Устройство и принцип действия.
- Технические характеристики.
- Преимущества и недостатки.
- Маркировка NiCd.
- Отличия никель-кадмия от литий-иона и никель-металлогидрида.
- Правила эксплуатации.
- Восстановление.
- Хранение.
- Где используются.
История изобретения
NiCd был изобретён в далёком 1899 году, шведом Вальдемаром Юнгнером. Плюсовой электрод изготовили из никеля, а минусовой — из кадмия. Спустя два года, внёс свою лепту в общее дело знаменитый изобретатель Томас Эдисон, предложив альтернативную схему. Учёный решил вместо кадмия применить железо. Никель-кадмиевая и никель-железная системы стоили скажем так не дёшево, поэтому их практическое применение было ограничено.
Технический прогресс на месте как говорится не стоит и после появления в 1932 году спрессованного анода, было произведено большое количество модернизаций. По итогу, разработчики получили повышенный ток нагрузки и более длительный срок эксплуатации. Довольно распространённый сегодня герметичный NiCd, стал реальностью после создания целиком герметичного элемента, а произошло это знаменательное событие в 1947 году.
Устройство и принцип действия
В Ni-Cd накопителе энергии имеются два электрода: никелевый и кадмиевый. Плюсовой электрод — это паста гидроксида никеля, соединённая с проводящим материалом и нанесённая на стальную сеточку, а минусовой электрод, исполнен в виде стальной сеточки с впрессованным в неё губчатым кадмием. Роль электролита играет высокоактивная щёлочь, не являющаяся взрывоопасной. Также, она ничем не пахнет. Всё это герметично запаковано в металлический либо пластиковый корпус, который может иметь плоскую, кубическую или цилиндрическую форму.
При производстве электродов применяется фольгирование металла, что позволяет увеличить площадь контакта. Сепараторы изготовлены из материала, который не растворяется в щёлочи. Они не мешают свободному перемещению электролита между электродами. Внутри NiCd электронакопителя протекает химический процесс в котором задействованы гидроксиды никеля, кадмия и воды. Данный процесс является обратимым.
Вверху батареи располагаются токосъёмные контакты, посредством которых можно соединять отдельные компоненты в блоки. В крышке имеется отверстие с пробкой, чтобы можно было добавлять щёлочь и кроме того, через это отверстие улетучиваются избыточные газы по ходу зарядки источника энергии.
По типу исполнения накопители с кадмиевым электродом разделяются на две разновидности:
- Призматические. Электроды изготовлены как пластины и укладываются друг на друга через сепаратор.
- Цилиндрические. Электроды изготавливаются как лента и сворачиваются в рулоны. Положительный и отрицательный электроды, также разделены сепаратором.
Технические характеристики
☑ Минимальное напряжение разряда — 0,9 V.
☑ Нормальное рабочее напряжение — 1,2 V. Если нужно организовать вольтаж 24 V и 12 V, отдельные компоненты собирают в блоки соединяя их последовательно.
☑ Напряжение в NiCd электронакопителе при 100% заряде — 1,5 V.
☑ NiCd могут функционировать в температурном диапазоне -50…+40 градусов, что безусловно выделяет такое оборудование среди конкурентов.
☑ В зависимости от условий, в которых эксплуатируется оборудование, Ni-Cd АКБ может выдержать до 2000 циклов.
☑ Саморазряд доходит до показателя 25% от стартовой ёмкости.
☑ Удельная энергетическая ёмкость до 65 Вт*ч/кг.
☑ Никель-кадмий служит до десяти лет. Но это ещё не всё: современные ламельные промышленные NiCd аккумуляторы могут протянуть 20-25 лет!
Преимущества и недостатки
Естественно, как и других источников питания, у никель-кадмия есть свои положительные и отрицательные стороны. В некоторых сферах такие накопители энергии трудно заменить чем-либо поэтому пока не выйдут в свет более совершенные технологии, NiCd будет ещё долго выполнять свои функции, ведь эксплуатационные характеристики у них вполне конкурентноспособные.
Плюсы
✅ Широкий диапазон рабочих температур (-50…+40 градусов, можно заряжать при температуре ниже нуля). Правда достоверных сведений, относительно того, как будет вести себя оборудование при столь низких температурных режимах — нет!
✅ Можно хранить продолжительное время в разряженном состоянии.
✅ Может выдержать много циклов разряда/заряда.
✅ Безопасность. Если брать в сравнение Li-ion, то NiCd при разгерметизации загореться не могут. Также они безопасны при транспортировке — без проблем принимаются авиакомпаниями в качестве груза.
✅ Низкое сопротивление. Именно по этой причине изделие не будет нагреваться в процессе зарядки даже в том случае, если применяется большой ток. Греться аккумулятор начинает тогда, когда «заправится» под завязку, что и является сигналом для окончания процесса подзарядки.
✅ Относительно стабильно функционирует при сильном минусе.
✅ «Гибкий» форм-фактор. Могут создаваться разных размеров для разных вариантов установки.
✅ Доступные по цене. Это самый дешёвый тип электронакопителей при пересчёте на цикл.
Минусы
⛔ Довольно высокий уровень самостоятельного разряда. NiCd источник питания может утратить до 10% ёмкости уже в первые сутки, а через один-два месяца, электронакопитель разрядится в ноль. Однако на рынке имеют место модели NiCd, потеря ёмкости у которых составляет всего 10-12% за месяц. Тут имеет значение ещё и то, насколько заряжена аккумуляторная батарея.
⛔ После продолжительного хранения без активности, Ni-Cd потребуется восстановить по специальной методике.
⛔ NiCd нужно в обязательном порядке доводить до полного разряда, так как у них присутствует отчётливо выраженный эффект памяти.
⛔ У никель-кадмия низкая энергетическая плотность.
⛔ Ni-Cd накопители энергии нуждаются в периодической «тренировке»: 3-4 заряда/разряда для восстановления.
⛔ Меньшая ёмкость при большей массе, если сравнивать с альтернативными типами источников энергии при тех же габаритах.
⛔ Низкое напряжение с понижением от 1,5 V (при первых 10%) до 1,2 V (потребуется большое количество элементов для создания высокого напряжения).
Вопрос эффекта памяти стоит обсудить более подробно, так как он является одной из особенностей NiCd батарей. Устройство запоминает напряжение, до которого оно разрядилось ранее и при очередном цикле будет отдавать энергию лишь до этого показателя. Если заряд АКБ был использован наполовину и агрегат установили на зарядку, то его ёмкость упадёт на 50 процентов. Данное обстоятельство придётся учитывать в обязательном порядке.
В минусы можно записать и токсичные материалы, присутствующие в никель-кадмиевых накопителях энергии. Такие аккумуляторы нельзя просто выбросить в мусорный бак! Кадмий является ядовитым металлом и именно по этой причине, NiCd батареи в некоторых странах вообще запрещено производить, но в то же время, их там дозволяется использовать. В принципе, если не подвергать такие АКБ разборке и если корпус не разрушится — они не опасны. Как бы там не было, Ni-Cd изделия должны утилизироваться по определённым правилам, а сама процедура утилизации никель-кадмия, весьма дорогостоящей является.
Маркировка NiCd
▶ Первые цифры указывают на число отдельных компонентов образующих аккумулятор, сколько их соединено в сумме.
▶ Буквы НК или К обозначают, что вы имеете дело с Ni-Cd электронакопителем.
▶ Латинские литеры L либо H указывают на режим разряда источника энергии. L — длительный разряд, H — кратковременный разряд.
▶ Последующее цифровое обозначение указывает на ёмкость аккумуляторной батареи.
▶ Литеры Р(П) дают нам понять, что корпус электронакопителя изготовлен из пластика.
▶ К — тип сборной конструкции источника энергии — каркасный.
Отличия никель-кадмия от литий-иона и никель-металлогидрида
☑ NiCd, в отличие от своих оппонентов, обладает сильно выраженным эффектом памяти и более скромной удельной ёмкостью при идентичных габаритах.
☑ Ni-Cd батареи менее прихотливы, стабильно работают при довольно низких температурах, намного более устойчивы к перезаряду и переразряду.
☑ Li-Ion и Ni-Mh стоят дороже, но имеют меньшую степень саморазряда.
☑ Литий-ионные изделия могут служить и храниться два-три года, а это в разы меньше по сравнению с NiCd, которые могут порадовать своих обладателей сроком службы до десяти лет.
☑ Никель-кадмиевые аккумуляторы утрачивают ёмкость быстрыми темпами при функционировании в буферном режиме. В принципе, после таких недоразумений их можно полностью привести в себя посредством глубокого разряда и заряда. Самым лучшим вариантом будет не применять Ni-Cd электронакопители в девайсах, где происходит их постоянная подзарядка.
☑ Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи идентичны по режиму заряда, что даёт возможность применять одно и то же зарядное оборудование. Однако при этом нужно учитывать тот факт, что у Ni-Cd напокопителей энергии значительно больше выражен эффект запоминания.
Как видим, никель-кадмиевые АКБ в чём то переигрывают своих конкурентов, но в то же время, чем то и уступают им. В связи с этим, нельзя однозначно сказать какая разновидность аккумуляторов лучше — они все по своему хороши.
Правила эксплуатации
По ходу эксплуатации NiCd батарей, в них происходят некоторые изменения, влекущие за собой постепенное ухудшение рабочих характеристик, что в конечном итоге приводит к потере работоспособности.
Вот перечень этих негативных преобразований:
- сокращается полезная площадь и масса электродов;
- меняется объём электролита и его состав;
- распадаются сепараторы и органические примеси;
- теряется вода и кислород;
- проявляют себя утечки, завязанные на рост дендритов кадмия на пластинах.
Для того чтобы в максимальной степени снизить негативные последствия для никель-кадмиевого накопителя возникающие в процессе его хранения и эксплуатации, нужно нейтрализовать неблагоприятные воздействия на аккумулятор:
⛔ если на регулярной основе подвергать АКБ сильному перезаряду, то можно ожидать таких неприятностей: перегрев, повышенное газообразование, утрата воды в электролите, разрушение электродов, особенно анода, разрушение сепараторов;
⛔ недозаряд, приводящий к ускоренной выработке аккумулятора;
⛔ продолжительная эксплуатация при очень низких отрицательных температурах, влечёт за собой изменение состава и объёма электролита, повышение внутреннего сопротивления накопителя, снижение его эксплуатационных характеристик, конкретно, уменьшается ёмкость.
Быстрая зарядка высоким током и значительная деградация кадмиевого катода, приводят к существенному возрастанию давления внутри аккумулятора. По итогу, в электронакопителе может выделяться избыточный водород, что влечёт за собой дополнительное резкое поднятие давления, которое может деформировать корпус никель-кадмиевой АКБ, нарушить плотность сборки, повысить внутреннее сопротивление и снизить рабочее напряжение.
В экземплярах оснащённых аварийным клапаном сброса давления, риск деформации можно свести к нулю, однако необратимых изменений химсостава источника энергии избежать не удастся.
Заряжать никель-кадмий можно током 10% от величины его ёмкости на протяжении 14-16 часов. Самым оптимальным вариантом разряда, будет использование тока равного 20% от ёмкости электронакопителя.
Восстановление
Ni-Cd в случае утраты ёмкости можно восстановить практически полностью. Потребуется организовать полный разряд (до 1 V на элемент) и последующий заряд в стандартном режиме. Эту процедуру можно проделать несколько раз, так будет обеспечена наиболее полная регенерация ёмкости.
Восстановление можно осуществить и посредством воздействия короткими токовыми импульсами на протяжении нескольких секунд. Их величина должна быть в десятки раз больше ёмкости восстанавливаемого накопителя. Подобные манипуляции устранят внутреннее замыкание в компонентах аккумулятора, образующееся по причине нарастания дендритов. Есть специальные промышленные активаторы, осуществляющие описанное воздействие.
Стопроцентное восстановление изначальной ёмкости никель-кадмиевых АКБ невозможно, так как происходят необратимые изменения состава и свойств электролита, а также деградация пластин. Зато можно продлить срок эксплуатации данного оборудования.
Для проведения восстановительных мероприятий в домашних условиях, потребуется осуществить следующие действия:
1. Берём провод сечением не менее 1,5 мм2 и соединяем «-» восстанавливаемого девайса с катодом мощного электронакопителя. К примеру можно взять АКБ из машины либо из UPS.
2. К «+» одного из аккумуляторов присоединяем второй провод.
3. На протяжении 3-4 секунд свободным концом второго проводка быстро касаемся свободной «+» клеммы. Частота касаний — 2-3 в секунду. По ходу всего действа не допускайте «приваривания» проводков в местах соединения.
4. Вольтметром замеряем напряжение на восстанавливаемой батарее, при его отсутствии, производится ещё один восстановительный цикл.
5. Когда на аккумуляторе появляется электродвижущая сила, его устанавливают на зарядку.
Ещё, можно попытаться организовать разрушение дендритов в электронакопителе прибегнув к их заморозке на два-три часа. Далее нужно осуществить интенсивное обстукивание. В процессе заморозки дендриты приобретают хрупкость и разрушаются при ударных воздействиях. Предположительно, это поможет избавиться от них.
Имеются и более экстремальные методы восстановления NiCd АКБ. К примеру, высверливаем корпус (только внешнюю оболочку) старого элемента и воспользовавшись шприцем добавляем туда дистиллированную воду, которая постепенно заполнит пустоты. Однако по итогу, мы будем иметь большие проблемы с полноценной герметичностью источника питания. Поэтому к таким способам восстановления нужно прибегать только в самых крайних случаях, иначе есть шанс попросту отравиться ядовитыми веществами ради выигрыша нескольких «бонусных» циклов работы.
Где используются
Основные сферы применения Ni-Cd — оборудование, имеющее повышенные разрядные токи. Такой электротехнике NiCd накопители могут обеспечить стабильную мощность. Также они не перегреваются в процессе работы при максимальном токе.
Ni-Cd обслуживают разнообразный транспорт: троллейбусы, небольшие водные средства передвижения, электрокары.
До выхода на рынок литиевых источников энергии, кадмиевые АКБ широко использовались для обслуживания переносного инструмента, а также, в плоском исполнении внедрялись в ПК для питания независимой памяти. Нашёл своё место NiCd и в фотоаппаратах, фонариках, калькуляторах, устройствах для улучшения слуха.
Никель-кадмий способен длительное время храниться в разряженном состоянии и он не подвержен пагубному влиянию отрицательных температур. Низкое внутреннее сопротивление и низкая удельная масса, делают никель-кадмий весьма подходящим вариантом для питания бортовой сети летательных аппаратов и для обслуживания переносных радиостанций.
Сейчас, по причине ужесточения экологических требований большинство электробатарей популярных типоразмеров, таких как AA, AAA и других, производятся по Li-Ion и Ni-Mh технологиям. Но в то же время, довольно большое количество никель-кадмиевых АКБ различных типоразмеров выпущенных несколько лет назад, благополучно эксплуатируются и по сей день. Естественно, сейчас их также можно приобрести, причём, за довольно привлекательную сумму.
Хранение
Как и любой другой источник питания, никель-кадмиевые электронакопители также должны храниться при определённых условиях, чтобы подольше сохранять свои рабочие характеристики.
Итак, храним:
☑ В прохладном сухом месте. Если держать при высоких температурных режимах, самостоятельный разряд будет более интенсивным.
☑ С любым промежуточным процентом заряда. Полный разряд и полный заряд — исключены. Оптимальным уровнем считается показатель 40-60%.
☑ По ходу хранения, один раз в 90 дней организовывайте дозарядку девайса, иначе саморазряд будет сокращать процент заряда.
☑ Хранить никель-кадмий нужно не больше пяти лет.
☑ Перед тем как вводить устройство в эксплуатацию после продолжительного хранения, полностью разрядите и зарядите его.
Заключение
Безусловно, данная разновидность накопителей электроэнергии заслуживает внимания. Весьма широкий диапазон рабочих температур, большое количество циклов разряда/заряда, финансовая доступность, продолжительный срок эксплуатации и хранения — вот что выгодно выделяет Ni-Cd среди аналогов. Так что, если вам нужен добротный источник питания за небольшие деньги — никель-кадмий, ваш выбор!
Почти способен синтезировать обратный захват серотонина.
