Подробно о щелочных аккумуляторах

Щелочные аккумуляторы — важный элемент энергетического рынка, имеющий множество разновидностей и широкий спектр применения. В статье рассмотрим устройство и принцип работы щелочных аккумуляторов, а также основные виды и преимущества. Это поможет читателям лучше ориентироваться в выборе аккумуляторов и оценить их значимость в повседневной жизни и промышленности.

Устройство щелочных аккумуляторов

Наиболее распространёнными типами щелочных аккумуляторов являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные (иногда их называют никель-железными). В обоих случаях, когда аккумулятор находится в заряженном состоянии, активная масса положительного электрода состоит из NiOOH (гидроокись никеля) с добавлением окиси бария и графита. Графит используется для повышения электропроводности активной массы, а добавление окиси бария способствует увеличению срока службы щелочного аккумулятора.

Активная масса отрицательного электрода никель-металлогидридного аккумулятора включает порошковое железо (Fe) и его окислы, а также добавки сернистого железа и сернокислого никеля. В никель-кадмиевых батареях активная масса отрицательного электрода представляет собой смесь порошка кадмия (Cd) и железа. В качестве электролита для щелочных аккумуляторов используется водный раствор едкого калия (20%), в который добавляется моногидрат лития в количестве 20-30 граммов на литр. Эта добавка также увеличивает срок службы аккумуляторной батареи.

Рассмотрим конструкцию и устройство щелочного аккумулятора на примере моделей, применяемых в тепловозах и пассажирских вагонах. Здесь используются как никель-металлогидридные (Ni-MH), так и никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. На производственных предприятиях изготавливаются никель-железные и никель-кадмиевые батареи, в которых электроды выполнены в виде стальных рамок, покрытых никелем. В пазы этих рамок помещены ламели.

Ламель представляет собой пакет, заполненный активной массой, и изготавливается из никелированной жести с множеством отверстий, что позволяет электролиту свободно поступать к активной массе.

В никель-кадмиевых аккумуляторах (обозначение НК) отрицательная пластина располагается между двумя положительными. В никель-железных (обозначение НЖ) или никель-металлогидридных аккумуляторах имеется одна положительная пластина между двумя отрицательными. Для предотвращения короткого замыкания между пластинами устанавливаются сепараторы, которые могут быть выполнены из полихлорвиниловой сетки или эбонитового стержня.

На следующем изображении представлено устройство щелочного аккумулятора Ni-MH, где можно увидеть полублоки электродов и аккумулятор в сборе.

А на следующем рисунке показано устройство щелочного аккумулятора Ni-Cd.

В таких типах аккумуляторных батарей, как ТПНЖК и ТПНЖ, используются панцирные положительные пластины, которые помещаются в специальные чехлы или панцири. Электроды находятся в корпусе из никелированной жести, который имеет приваренную крышку с отверстиями для выводных штырей. Также предусмотрено отверстие для заправки электролитом и вывода газов. Чтобы обеспечить механическую прочность корпуса, его стенки делают гофрированными. Сверху корпус закрыт резиновым чехлом, который изолирует элементы от ящика, в котором установлена батарея. Теперь давайте немного подробнее рассмотрим, как функционирует щелочной аккумулятор.

Эксперты в области энергетических технологий отмечают, что щелочные аккумуляторы представляют собой важный шаг вперед в развитии накопителей энергии. Они отличаются высокой энергоемкостью и длительным сроком службы, что делает их привлекательными для использования в различных сферах, от бытовой электроники до электромобилей. По мнению специалистов, одним из ключевых преимуществ щелочных аккумуляторов является их устойчивость к низким температурам и способность сохранять работоспособность при экстремальных условиях. Однако, несмотря на положительные характеристики, эксперты подчеркивают необходимость дальнейших исследований для повышения их эффективности и снижения производственных затрат. В целом, щелочные аккумуляторы имеют потенциал стать важным элементом в переходе к более устойчивым источникам энергии.

https://youtube.com/watch?v=ZFaE8OiW_yg

Принцип работы щелочных аккумуляторов

Когда происходит разряд батареи, на положительном электроде идёт реакция гидроокиси никеля (NiOOH) с ионами электролита. В результате образуется гидрат закиси никеля Ni(OH)₂. На отрицательном электроде кадмий и железо превращаются в гидрат окиси кадмия (Cd(OН)₂) и железа (Fe(ОН)₂). Протекание тока по внешней и внутренней сети обеспечивает разность потенциалов (примерно 1,45 вольта) щелочного аккумулятора. Таким образом, обеспечивается работа щелочного аккумулятора.
Когда происходит заряд щелочной АКБ, то под воздействие тока активная масса положительных пластин окисляется. Гидрат закиси никеля Ni(ОН)₂ переходит в гидроокись никеля (NiOOH). В активной массе отрицательных электродов при заряде идёт восстановление с образованием кадмия и железа.

Ниже представлены реакции, происходящие в процессе разряда-заряда, представлены следующими уравнениями:

Щелочная АКБ Ni─MH:

2Ni(OOH) + 2KOH + Fe ⇒ 2Ni(OH)₂ + 2KOH + Fe(OH)₂

Щелочная АКБ Ni─Cd:

2Ni(OOH) + 2KOH + Cd ⇒ 2Ni(OH)₂ + 2KOH + Cd(OH)₂

Работа щелочного аккумулятора такова, что номинальное значение разрядного тока составляет 0,2*С. Величина «С» обозначает номинальную ёмкость аккумуляторной батареи. Максимальный разрядный ток, к примеру, при запуске дизельного двигателя, составляет до 4*С. Штатный ток заряда щелочных АКБ равен 0,25*С.

Стоит отметить, что вещества, которые образуются во время работы щелочного аккумулятора и протекания электрохимических реакций, почти не растворяются в электролите и не реагируют друг с другом. За счёт того, что электролит для щелочного аккумулятора с ними не взаимодействует, отсутствует его расход и плотность не меняется. В результате требуется меньший объём, чем в кислотной батарее.

Чтобы отрицательный электрод (состоит из губчатого железа) никель─железной батареи работал правильно, его вес должен быть больше положительного. Эти объясняется большее количество отрицательных пластин в этом типе АКБ. Сборный блок в этом типе щелочных батарей по краям имеет отрицательные пластины. Эти пластины имеют электрическое соединение с корпусом. В Ni─Cd батареях все наоборот. Там активная масса положительного электрода должна иметь больший объем, чем отрицательного. У них блоки имеют по краям положительные пластины, которые имеют соединение с корпусом.

Напряжение щелочного аккумулятора при полной зарядке составляет примерно 1,45 вольта. Из-за существенного внутреннего сопротивления этого типа батарей, напряжение щелочного аккумулятора существенного меньше номинала при разряде и существенно больше при заряде.

Когда выводам батареи подключается нагрузка и начинается разряд, то напряжение быстро снижается до 1,3 вольта, а затем медленно уменьшается до одного вольта. При достижении этой отметки разряд нужно останавливать. Среднее значение расчётного напряжения при разряде равно 1,25 вольта. Ниже напряжения 1 вольт разряжать щелочной элемент не рекомендуется. Это может приводить к потере ёмкости и уменьшению срока эксплуатации.

Когда ведётся зарядка, то напряжение щелочного аккумулятора довольно быстро возрастает с 1,55 до 1,75 вольта, а потом достаточно медленно идёт до 1,8 вольта. Заряд герметичного щелочного аккумулятора ведут до того момента, пока ему не будет передано определённое число А-ч в соответствии с его паспортными характеристиками. Ток заряда герметичного щелочного аккумулятора устанавливается, как 0,25*С (номинальная ёмкость). В процессе заряда батарее передаётся 150 процентов ёмкости. Для дополнительной информации, читайте статьи о

зарядке

и

восстановлении

Ni─Cd аккумуляторов.

Кислотные и щелочные аккумуляторы схожи в том, что при зарядке у обоих типов батарей выделяется газ. Однако в случае герметичных щелочных аккумуляторов газовыделение не является признаком окончания зарядки. Но здесь также рекомендуется снижать ток, если выделение газов идёт слишком бурно.

Можно сказать, что герметичные щелочные аккумуляторы лучше перезарядить, чем они будут незаряженными. Неполный заряд для них сокращает срок эксплуатации. В то же время излишний заряд также не допустим. В процессе заряда растёт их температура. При значениях выше 45 градусов Цельсия начинает разрушаться активная масса электродов. Для дополнительной информации, читайте о

зарядке Ni─MH аккумуляторов

.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о щелочных аккумуляторах:

1. Долговечность и стабильность: Щелочные аккумуляторы, такие как NiMH (никель-металлгидридные) и NiCd (никель-кадмиевые), известны своей долговечностью. Они могут выдерживать множество циклов зарядки и разрядки, что делает их идеальными для использования в устройствах, требующих надежного источника питания, таких как электроинструменты и фотоаппараты.

2. Экологические аспекты: Хотя щелочные аккумуляторы, особенно NiCd, содержат токсичные материалы, такие как кадмий, современные технологии позволяют перерабатывать их и минимизировать вредное воздействие на окружающую среду. Кроме того, NiMH аккумуляторы, которые не содержат кадмия, становятся все более популярными благодаря своей экологической безопасности.

3. Эффект памяти: Одной из особенностей NiCd аккумуляторов является “эффект памяти”. Если аккумулятор регулярно разряжается до определенного уровня перед зарядкой, он может “запомнить” этот уровень и терять емкость, что приводит к снижению времени работы устройства. Это явление стало причиной перехода на более современные технологии, такие как NiMH и литий-ионные аккумуляторы, которые не подвержены этому эффекту.

https://youtube.com/watch?v=XK9JFfKN-2E

Особенности эксплуатации и срок службы щелочных аккумуляторов

Уход за щелочными аккумуляторными батареями в целом схож с обслуживанием кислотных. Необходимо периодически проверять уровень электролита и осуществлять зарядку аккумулятора. Герметичные щелочные аккумуляторы требуют регулярной подзарядки и поддержания чистоты.

Эти аккумуляторы могут храниться в полузаряженном или разряженном состоянии на протяжении длительного времени. Также стоит отметить, что щелочные батареи менее подвержены влиянию низких температур. Кроме того, герметичные щелочные аккумуляторы способны работать при больших токах разряда, что свидетельствует о их высокой перегрузочной способности.

Благодаря высокому внутреннему сопротивлению, герметичные щелочные аккумуляторы не страдают от сильных разрядов и кратковременных коротких замыканий. Они также устойчивы к вибрациям, ударам и тряске благодаря своей прочности. В сравнении с кислотными, щелочные аккумуляторы обладают большей удельной энергией, более длительным сроком службы и могут храниться дольше.

Саморазряд герметичных щелочных аккумуляторов при разомкнутой цепи составляет 20 процентов ёмкости за 9 месяцев, что значительно меньше, чем у кислотных батарей, у которых такой уровень саморазряда достигается за месяц. Важно отметить, что при использовании герметичных щелочных аккумуляторов не происходит выделения вредных газов, и они отличаются высокой надёжностью.

Тем не менее, щелочные батареи имеют свои недостатки и неудобства в эксплуатации. Напряжение при разряде у них примерно на 40 процентов ниже, чем у кислотных. Это означает, что для достижения одного и того же напряжения требуется большее количество элементов в аккумуляторе. В случае герметичного щелочного аккумулятора количество таких элементов будет значительно выше. Из-за высокого внутреннего сопротивления напряжение при интенсивном разряде у щелочных батарей снижается быстрее, чем у кислотных.

Виды щелочных аккумуляторов и области их применения

Ламельные щелочные АКБ, конструкция которых была рассмотрена выше, широко используются в качестве тяговых щелочных аккумуляторов. Кроме того, они используются и в качестве стартерных. Ниже приведены области применения таких аккумуляторных батарей:

• локомотивы и пассажирские вагоны;
• сигнализации и системы аварийного энергоснабжения;
• рудничные электровозы;
• всевозможная напольная электротехника (различные погрузчики на складах и производствах. Например, щелочной аккумулятор ТНЖ);
• для запуска двигателей внутреннего сгорания.

Щелочные АКБ встречаются в телефонах, фотоаппаратах, трамваях, троллейбусах и т. п.

Батареи щелочного типа получили широкое использование в различной портативной технике и электроинструменте.

Там используются батареи цилиндрической формы с электродами рулонного типа. Они имеют номинальное напряжение 1,2─1,3 вольта. Такие элементы набираются в аккумулятор и используются, к примеру, в шуруповёртах. Подробнее об их использовании читайте в статье «

Ni-Cd аккумуляторы для шуруповёрта

».

Кроме того, щелочные аккумуляторные батареи можно встретить в роли стартерных на автомобилях. Правда, выпускаются они в основном только для некоторых грузовых автомобилей, а также для военной техники. На легковых автомобилях они встречаются редко. Но, в принципе, ничего не мешает некоторым автовладельцам устанавливать щелочной аккумулятор 12В на своих «железных коней». И отзывы об их использовании положительные.

https://youtube.com/watch?v=b_qgxP3s4eQ

Маркировка щелочных аккумуляторов

Давайте рассмотрим маркировку тяговых аккумуляторов, произведенных в России. В нашей стране основными производителями таких батарей являются Великолукский завод щелочных аккумуляторов и Курский завод «Аккумулятор». При продаже своей продукции на внутреннем рынке они используют следующую систему маркировки (буквы и цифры интерпретируются слева направо):

• Если перед цифрами стоят буквы, это указывает на количество элементов в батарее;
• Далее следуют буквы, обозначающие сферу применения (Т – тяговый, ТП – тепловозный, В – вагонный);
• Затем идут буквы, которые указывают на тип. Например, НЖ обозначает никель-железную аккумуляторную батарею;
• Если в маркировке присутствует буква К, это свидетельствует о комбинированной конструкции блока электродов (положительный электрод имеет ламельную структуру, а отрицательный – безламельную);
• Буква Ш указывает на аккумуляторы, предназначенные для шахтных электровозов;
• Если после букв идут цифры, это обозначает номинальную ёмкость батареи в ампер-часах (А-ч);
• После значения ёмкости могут следовать буквы: П (пластиковый корпус), В (высокий вариант), М (модернизированный), У (для умеренного климата), Т (для тропического климата);
• Далее идут цифры, которые обозначают категорию размещения согласно ГОСТ 15150-69 (2 – размещение над землей, 5 – под землей).

В международной системе маркировка щелочных аккумуляторов выглядит следующим образом:

• Цифры перед буквами указывают на количество элементов в батарее;
• Буква F обозначает никель-железный аккумулятор;
• Затем идут буквы, которые указывают на токи в режиме разряда (L – до 0,5С, M – (0,5–3,5)С, H – (3,5–7)С, X – более 7С);
• Следующие цифры показывают ёмкость батареи в ампер-часах;
• Далее идут буквы, обозначающие материал корпуса (например, Р – пластик). Затем ставится дефис, после которого указываются различные особенности конструкции аккумулятора по системе обозначений производителя. Еще через дефис могут быть указаны категория размещения и климатическое исполнение согласно ГОСТ 16150-69.

Сдача и утилизация щелочных аккумуляторов

В последние годы повсюду появились пункты приёма свинцово─кислотных автомобильных аккумуляторов. Это стало очень выгодно, поскольку производители АКБ платят за них хорошие деньги и забирают аккумуляторы на утилизацию. В большинстве таких пунктов приёма можно сдать и щелочные батареи. Но ещё не везде. Дело в том, что у населения таких АКБ меньше и пунктам приёма приходится долго их накапливать, чтобы сдать на предприятие.

Помните, что нельзя просто так выкидывать щелочные АКБ на помойку. В их составе присутствуют опасные вещества. Это едкий калий и натрий, соединения щелочных металлов и другие вещества, которые необходимо грамотно обезвреживать. Просто складировать их дома или в гараже то же небезопасно.

Поэтому нужно обязательно сдавать их в пункты приёма, откуда их заберут на утилизацию по всем правилам. И что самое важное. Вы избавляетесь от старого нерабочей щелочной батареи и получаете за это деньги.

Плюсы и минусы щелочных аккумуляторов

Плюсы

• Длительный срок службы при правильной эксплуатации;
• Возможность глубокого разряда;
• Работа при отрицательных температурах без потери свойств;
• Небольшой саморазряд;
• Небольшой удельный вес.

При снижении температуры с 25 градусов Цельсия ёмкость щелочного аккумулятора понижается с каждым градусом на 0,5 процента. Показатель лучше, чем у свинцово-кислотных практически в два раза. Но стоит отметить, что при низкой температуре возрастает и скорость уменьшения ёмкости.

Минусы

• Эффект памяти, который приводит к снижению ёмкости, возникает, если щелочной аккумулятор не разряжать полностью;
• Значительный разброс рабочего напряжения элементов (от 1 до 1,75 вольта). Для аккумуляторного набора на 12В этот разброс увеличивается до 10─17,5 вольта. Для безопасной работы в таком диапазоне напряжений требуется специализированное зарядное устройство;
• Коэффициент полезного действия (КПД) зарядки щелочных аккумуляторов составляет всего 55%. Для кислотных аккумуляторов этот показатель достигает 80%;
• Обслуживание щелочных аккумуляторов должно проводиться квалифицированным специалистом, так как периодически требуется замена электролита.

Рекомендуем ознакомиться с материалом о том,

как восстановить Ni─MH аккумуляторы.

Сравнение щелочных аккумуляторов с другими типами аккумуляторов

Щелочные аккумуляторы, также известные как никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлгидридные (NiMH), имеют свои уникальные характеристики, которые отличают их от других типов аккумуляторов, таких как свинцово-кислотные и литий-ионные. В этом разделе мы рассмотрим основные различия между щелочными аккумуляторами и другими популярными типами, а также их преимущества и недостатки.

1. Энергетическая плотность

Литий-ионные аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью, что позволяет им хранить больше энергии в меньшем объеме и весе. В то время как щелочные аккумуляторы, такие как NiCd и NiMH, имеют меньшую энергетическую плотность, что делает их менее эффективными в приложениях, где важен вес и размер. Например, литий-ионные аккумуляторы часто используются в мобильных устройствах и электромобилях, тогда как щелочные аккумуляторы чаще встречаются в инструментах и бытовой электронике.

2. Циклы зарядки и разрядки

Щелочные аккумуляторы, особенно NiCd, имеют хорошую устойчивость к циклам зарядки и разрядки, что позволяет им выдерживать множество циклов без значительного ухудшения производительности. Однако, они подвержены эффекту памяти, что может снизить их емкость, если их не разряжать полностью перед зарядкой. Литий-ионные аккумуляторы, с другой стороны, не имеют эффекта памяти, но их срок службы может сократиться при частых глубоких разрядах.

3. Температурные характеристики

Щелочные аккумуляторы работают в более широком диапазоне температур по сравнению с литий-ионными. NiCd и NiMH могут функционировать при низких температурах, что делает их подходящими для использования в экстремальных условиях. Литий-ионные аккумуляторы, как правило, теряют свою эффективность при низких температурах и могут быть подвержены перегреву при высоких температурах.

4. Экологические аспекты

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аккумуляторы содержат токсичные материалы, такие как свинец и кадмий, что делает их переработку и утилизацию более сложными и вредными для окружающей среды. В отличие от них, литий-ионные аккумуляторы менее токсичны, но их переработка также требует специальных технологий. Щелочные аккумуляторы, особенно NiMH, считаются более экологически чистыми, так как они не содержат тяжелых металлов.

5. Стоимость

Щелочные аккумуляторы, как правило, дешевле в производстве по сравнению с литий-ионными, что делает их более доступными для потребителей. Однако, с учетом их меньшей энергетической плотности и срока службы, общая стоимость владения может оказаться выше для щелочных аккумуляторов в долгосрочной перспективе.

В заключение, выбор между щелочными аккумуляторами и другими типами аккумуляторов зависит от конкретных требований применения. Щелочные аккумуляторы могут быть предпочтительными в ситуациях, где важна высокая устойчивость к циклам зарядки и разрядки, а также работа в экстремальных температурах. Однако для мобильных устройств и электромобилей, где критически важны компактность и высокая энергетическая плотность, литий-ионные аккумуляторы остаются более оптимальным выбором.

Вопрос-ответ

Как работает щелочной аккумулятор?

Как устроен и работает щелочной аккумулятор? Разряд аккумулятора провоцирует контакт электролита с катодом. В результате происходит образование гидрата закиси никеля. На отрицательных пластинах образуются гидраты окиси кадмия и железа.

Как долго служит щелочной аккумулятор?

Срок службы щелочного тягового аккумулятора (4 тысячи циклов, до 25 лет работы) значительно превышает показатели службы кислотных тяговых батарей. Благодаря высокому внутреннему сопротивлению щелочной тяговый аккумулятор более устойчив к короткому замыканию.

Какие факты известны о щелочных батареях?

Обычно щелочная батарейка может прослужить до семи лет, а иногда и дольше, не будучи использованной, и при этом потеряет всего пять процентов своей энергии. А когда вы её снова используете, она будет питать ваши устройства месяцами, даже при регулярном использовании.

Советы

СОВЕТ №1

Перед покупкой щелочных аккумуляторов обязательно ознакомьтесь с их характеристиками, такими как емкость, напряжение и срок службы. Это поможет вам выбрать наиболее подходящий вариант для ваших нужд.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на условия хранения и эксплуатации щелочных аккумуляторов. Они чувствительны к температурным колебаниям, поэтому храните их в сухом и прохладном месте, вдали от источников тепла.

СОВЕТ №3

Регулярно проверяйте уровень заряда ваших щелочных аккумуляторов и избегайте их полного разряда. Это поможет продлить срок службы аккумуляторов и сохранить их эффективность.

СОВЕТ №4

При утилизации щелочных аккумуляторов следуйте местным правилам и рекомендациям. Эти аккумуляторы содержат химические вещества, которые могут быть вредны для окружающей среды, поэтому важно утилизировать их правильно.