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

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) остаются популярными в разных областях, несмотря на современные технологии. Они используются в электроинструментах, портативной электронике и медицинских устройствах благодаря надежности и долговечности. В статье рассмотрим характеристики NiCd, их эксплуатацию, а также плюсы и минусы, чтобы помочь вам понять, когда и как целесообразно использовать эту технологию.

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

Первый никель-кадмиевый аккумулятор был создан Вальдмаром Юнгнером в 1899 году. Однако в то время производство этих щелочных батарей было значительно дороже, чем других типов аккумуляторов, что привело к временному забвению этого изобретения. В 1932 году был разработан метод осаждения активного вещества на пористый никелевый электрод, что способствовало началу массового производства аккумуляторов Ni-Cd.

В 1947 году были проведены исследования, в ходе которых удалось осуществить рекомбинацию газов, выделяющихся при зарядке, без их отведения. Это привело к созданию герметичных Ni-Cd аккумуляторов, которые используются и по сей день. Среди компаний, производящих никель-кадмиевые аккумуляторы, можно выделить такие известные бренды, как GP Batteries, Samsung, Varta, GAZ, Konnoc, Advanced Battery Factory, Panasonic, Metabo, Ansmann и другие.

Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы получили широкое распространение в различных отраслях за последние десятилетия, их применение постепенно сокращается. На их место приходят никель-металлогидридные и литиевые батареи.

В частности, Ni-Cd аккумуляторы теряют популярность в портативной электронике. Это связано с опасностью, которую представляет кадмий для здоровья человека и окружающей среды. Утилизация таких аккумуляторов требует специального оборудования для безопасного извлечения кадмия.

Процесс утилизации автомобильных аккумуляторов организован проще и эффективнее. Тем не менее, существует множество областей, где никель-кадмиевые батареи по-прежнему остаются незаменимыми.

Эксперты отмечают, что никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) обладают рядом уникальных характеристик, которые делают их популярными в определенных областях. Они обеспечивают стабильную работу при низких температурах и имеют высокую токовую отдачу, что делает их идеальными для инструментов и оборудования, требующих мощного запуска. Однако, несмотря на свои преимущества, такие аккумуляторы имеют и недостатки. Одним из основных является эффект памяти, который может снижать емкость батареи при неправильной эксплуатации. Кроме того, кадмий является токсичным веществом, что вызывает экологические опасения при утилизации. В целом, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются востребованными благодаря своей надежности, но пользователям следует учитывать их особенности и ограничения.

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

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.

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 аккумуляторы для шуруповерта.

 

Характеристика/Аспект	Описание	Примечания
Тип аккумулятора	Никель-кадмиевый (NiCd)	Один из старейших типов перезаряжаемых аккумуляторов.
Номинальное напряжение элемента	1.2 В	Стандартное напряжение для одного элемента NiCd.
Энергетическая плотность	45-80 Вт·ч/кг	Относительно низкая по сравнению с современными типами.
Количество циклов заряд/разряд	500-1500	Высокая цикличность при правильной эксплуатации.
Эффект памяти	Выраженный	Требует полного разряда перед зарядкой для предотвращения снижения емкости.
Саморазряд	15-20% в месяц	Относительно высокий, теряют заряд при хранении.
Рабочий температурный диапазон	-20°C до +60°C	Хорошая производительность в широком диапазоне температур.
Скорость заряда	Быстрая	Могут заряжаться высокими токами (до 1C).
Ток разряда	Высокий	Способны отдавать большие токи, подходят для мощных устройств.
Экологичность	Содержит кадмий (токсичен)	Требует специальной утилизации, неэкологичен.
Стоимость	Низкая	Относительно дешевы в производстве.
Применение	Электроинструменты, рации, медицинское оборудование (старые модели)	Вытесняются более современными типами из-за эффекта памяти и токсичности.
Плюсы	Высокая токоотдача, устойчивость к низким температурам, долговечность (при правильной эксплуатации), быстрая зарядка.	Хорошо подходят для устройств с высоким потреблением тока.
Минусы	Эффект памяти, токсичность кадмия, высокий саморазряд, низкая энергетическая плотность.	Основные причины вытеснения с рынка.
Рекомендации по эксплуатации	Полный разряд перед зарядкой, избегать перезаряда, хранить в разряженном состоянии.	Помогает продлить срок службы и избежать эффекта памяти.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о никель-кадмиевых аккумуляторах:

1. Эффект памяти: Никель-кадмиевые аккумуляторы подвержены так называемому “эффекту памяти”. Это означает, что если аккумулятор не разряжать полностью перед зарядкой, он может “запомнить” уровень разряда и терять свою емкость. Это делает регулярное полное разряжение важным для поддержания их производительности.

2. Долговечность и циклы зарядки: Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют относительно долгий срок службы и могут выдерживать большое количество циклов зарядки и разрядки (до 1000 циклов). Это делает их популярными в приложениях, где требуется высокая надежность и долговечность, например, в инструментах и портативных устройствах.

3. Экологические аспекты: Хотя никель-кадмиевые аккумуляторы обладают хорошими характеристиками, они содержат кадмий, который является токсичным металлом. Это создает проблемы с утилизацией, и в некоторых странах использование таких аккумуляторов ограничено или запрещено. Однако, благодаря своей способности к переработке, они могут быть переработаны для извлечения никеля и кадмия, что снижает их экологический след.

https://youtube.com/watch?v=PclUX_E1hX0

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.

 

https://youtube.com/watch?v=8dzZ2x1vmX0

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 + H₂O + e^—

В процессе разряда

NiOOH + H₂O + e^— ⇒ Ni(OH)₂ + OH^—

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./см³. 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 аккумуляторной батареи происходят следующие химические реакции:

Во время зарядки

Cd(OH)2 + 2e− ⇒ Cd + 2OH−

Во время разрядки

Cd + 2OH− ⇒ Cd(OH)2 + 2e−

Ёмкость кадмиевого электрода в никель-кадмиевых аккумуляторах превышает ёмкость положительного электрода примерно на 20─70 процентов. Поэтому считается, что потенциал отрицательного электрода во время процессов зарядки и разрядки остается стабильным.

Общие процессы в Ni-Cd аккумуляторе

В никель-кадмиевой батарее протекают следующие реакции:

При заряде

2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ ⇒ 2NiOOH + Cd + 2H₂O

При разряде

2NiOOH + Cd + 2H₂O ⇒ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

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:

1/2O2 + Cd + H₂O ⇒ 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:

H₂O + e⁻ ⇒ OH⁻ + 1/2H₂

Затем он окисляется на положительном электроде. Реакция выглядит так:

NiOOH + 1/2H₂ ⇒ 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 герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов составляет 1,2 вольта. Процесс зарядки током, равным одной десятой от ёмкости, занимает 16 часов. Определение ёмкости Ni-Cd аккумулятора осуществляется при разряде током, равным двум десятым от номинальной ёмкости, до достижения напряжения в один вольт.

На представленном ниже изображении можно увидеть характеристики разряда никель-кадмиевых аккумуляторов в различных режимах.

Графики ниже демонстрируют зависимость разрядной ёмкости от величины нагрузочного тока и температуры.

Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов в значительной степени обусловлен термодинамической неустойчивостью электрода, состоящего из оксида-гидроксида никеля. Влияние тока утечки между электродами на саморазряд незначительно, однако со временем эксплуатации батареи оно постепенно увеличивается. Тепловыделение в Ni-Cd аккумуляторах во многом зависит от уровня заряженности. Когда аккумулятор достигает 70 процентов ёмкости, начинается активный процесс выделения кислорода. Это приводит к разогреву аккумулятора из-за ионизации кислорода на отрицательных электродах. После завершения зарядки температура в Ni-Cd аккумуляторе может повыситься на 10─15 градусов Цельсия. При быстром заряде температура может возрасти на 40─45 градусов Цельсия.

После отключения от зарядного устройства потенциал положительного (оксидно-никелевого) электрода снижается, и происходит выравнивание заряда между глубоким и поверхностным слоями. Со временем интенсивность саморазряда уменьшается. У различных серий Ni-Cd аккумуляторов показатели саморазряда и стабилизации остаточной ёмкости могут значительно варьироваться. Саморазряд, помимо снижения ёмкости, также приводит к уменьшению напряжения на 0,03─0,05 вольта. Это связано с выравниванием заряда в глубине и на поверхности электрода, а также частичной пассивацией активной массы.

Хранение никель-кадмиевых аккумуляторов (как и свинцово-кислотных) при низких температурах способствует снижению саморазряда. При 20 градусах Цельсия саморазряд в два раза выше, чем при 0 градусах.

На следующем изображении представлен график изменения потери ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторов при различных температурах.

Чтобы компенсировать саморазряд во время хранения аккумулятора, его можно подзарядить малым током. Обычно величина тока подзарядки составляет 0,03-0,05 от ёмкости, однако конкретное значение определяется производителем аккумулятора. Способность к длительному перезаряду у никель-кадмиевых аккумуляторов может различаться в зависимости от конструкции. Дисковые щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы с ламельными электродами большой толщины менее всего подходят для перезаряда. В то же время существуют конструкции, которые могут без последствий выдерживать перезаряд в течение нескольких месяцев.

Что касается энергетических характеристик Ni-Cd аккумуляторов, то они также варьируются в зависимости от типа батареи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы с двумя электродами обладают удельными энергетическими характеристиками в диапазоне 15─18 Вт-ч на килограмм и 35─45 Вт-ч на литр. Аналогичные аккумуляторы с четырьмя электродами имеют удельные энергетические характеристики в два раза выше. Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов эти показатели 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 крайне важно контролировать процесс перезаряда. Избыточная зарядка приводит к повышению давления внутри батареи из-за выделения кислорода, что, в свою очередь, снижает эффективность использования тока по мере достижения 100% зарядки.

На представленном ниже графике можно увидеть зависимость ёмкости от разряда цилиндрического аккумулятора.

Зарядка Ni-Cd аккумуляторов допускается в температурном диапазоне от 0 до 40 градусов Цельсия, при этом оптимальным считается интервал от 10 до 30 градусов. При понижении температуры замедляется процесс поглощения кислорода на кадмиевом электроде, что приводит к увеличению давления. Если температура превышает рекомендуемые значения, то потенциал на положительном оксидно-никелевом электроде возрастает, и кислород начинает выделяться значительно раньше. При одинаковой температуре выделение кислорода происходит тем активнее, чем выше ток зарядки, в то время как скорость поглощения кислорода остается практически неизменной.

Для щелочных аккумуляторов эта величина зависит от конструкции батареи, а именно от транспортировки кислорода от положительного электрода к кадмиевому отрицательному. На это влияют плотность компоновки, толщина и структура электродов, а также материалы сепаратора и объем электролита.

Чем меньше толщина электродов и выше их плотность, тем более эффективно проходит процесс зарядки. Цилиндрические аккумуляторы с рулонными электродами являются наиболее эффективными в этом аспекте. Для них эффективность зарядки при изменении тока от 0,1 до 1С остается практически неизменной. Стандартным режимом зарядки считается такой, при котором батарея с напряжением 1 вольт полностью заряжается за 16 часов током, равным 0,1 от ёмкости. Некоторые модели могут требовать 14 часов в этом режиме. Конкретные показатели зависят от конструктивных особенностей и объема активной массы.

Все вышесказанное относится к гальваностатическому заряду, который осуществляется при постоянной силе тока. Однако зарядка может также проводиться с плавным или ступенчатым снижением силы тока на завершающем этапе. На начальном этапе ток может быть установлен значительно выше стандартного значения 0,1 от ёмкости. Часто возникает необходимость в ускоренной зарядке, и эту задачу решают с помощью аккумуляторов, которые способны эффективно принимать заряд током высокой плотности. Ток поддерживается постоянным на протяжении всего процесса зарядки, а системы контроля совершенствуются, чтобы предотвратить 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 ускоренной зарядке не рекомендуется превышать уровень перезаряда более 120─140 процентов, чтобы обеспечить ёмкость не ниже номинала. Ni-Cd аккумуляторы, предназначенные для работы в ускоренных режимах, могут заряжаться еще быстрее (примерно за один час). Однако в этом случае необходим контроль напряжения и температуры, так как из-за быстрого роста давления может начаться процесс деградации аккумуляторов.

После завершения зарядки в герметичном аккумуляторе продолжает происходить выделение кислорода из-за окисления гидроксильных ионов на положительном электроде. В результате саморазряда потенциал уменьшается, и процесс выделения кислорода постепенно снижается, достигая равновесия с поглощением на кадмиевом электроде. В этот момент давление начинает снижаться. Подробная информация о том, как правильно заряжать Ni-Cd аккумуляторы, представлена 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 значительного числа циклов происходит изменение плотности активной массы положительного электрода. Это приводит к явлению, известному как набухание оксидно-никелевого электрода. Кроме того, наблюдается снижение его прочности. В результате ухудшается качество контакта активной массы с основой электрода. Как следствие, снижается электрическая проводимость электрода и уменьшается ёмкость аккумулятора.

Снижение прочности положительного электрода в основном связано с частыми перезарядами. Как уже упоминалось, это сопровождается выделением кислорода в герметичном корпусе аккумулятора. В батареях с электродами из металлокерамики такие изменения проявляются в значительно меньшей степени. При использовании никель-кадмиевых аккумуляторов наблюдается увеличение размеров кристаллов активной массы. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению рабочей поверхности электродов и снижению 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 ключевых факторов, влияющих на деградацию никель-кадмиевых аккумуляторов, является температура. При увеличении температуры на каждые десять градусов химические реакции ускоряются в два-четыре раза.

Эффект температуры становится особенно заметным при повышении тока заряда, так как это приводит к нагреву аккумулятора во время перезарядки. Снижение ёмкости кадмиевого электролита при низких температурах будет превышать уменьшение ёмкости положительного электрода. Это создает определенные ограничения для использования аккумуляторов в северных регионах. В таких условиях во время зарядки увеличивается скорость выделения водорода.

На деградацию никель-кадмиевых аккумуляторов также существенно влияет способ их эксплуатации. В это понятие входят:

• глубина и режим разряда;
• режим зарядки;
• временной промежуток между зарядом и разрядом (если циклы происходят непрерывно);
• периоды хранения и использования.

На графике ниже представлена продолжительность работы аккумулятора в циклах в зависимости от глубины разряда.

Стоит отметить, что Ni-Cd аккумуляторы обладают высокой устойчивостью к случайному перезаряду. Если переразряд происходит нечасто, водород легко рекомбинируется. При устранении поляризации напряжение батареи восстанавливается.

При постоянной подзарядке никель-кадмиевых аккумуляторов необходимо обеспечить ток, равный 0,03─0,05 от номинальной ёмкости. Если батарея постоянно работает в таком режиме, то помимо величины тока важна и температура окружающей среды. При повышении температуры увеличивается образование кислорода, что ускоряет деградацию аккумулятора. Для работы с непрерывной подзарядкой (при температуре 50─55 градусов Цельсия) были разработаны специальные модели цилиндрических аккумуляторов. Они оснащены рулонными электродами и имеют срок службы не менее 4 лет. В этих батареях был скорректирован состав электролита и проведена подготовка для улучшения поглощения газов.

Если разряжать Ni-Cd аккумулятор после длительного подзаряда, его ёмкость будет немного ниже, чем у аккумуляторов, заряженных с нуля. Однако это временное явление, и ёмкость восстановится 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 завершение подведем итоги, выделив основные плюсы и минусы 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

• Влияние эффекта памяти и необходимость его устранения;
• Значительный уровень саморазряда;
• Низкая энергетическая плотность по сравнению с альтернативными типами аккумуляторов;
• Токсичность используемых материалов, особенно кадмия. В некоторых странах производство и применение таких батарей под запретом. Для их утилизации требуется специализированное оборудование и технологии.

Перспективы и альтернативы никель-кадмиевым аккумуляторам (Ni-Cd)

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) долгое время использовались в различных областях благодаря своей надежности и долговечности. Однако с развитием технологий и увеличением требований к экологической безопасности, их популярность начала снижаться. В этом контексте важно рассмотреть перспективы Ni-Cd аккумуляторов, а также альтернативные технологии, которые могут их заменить.

Одной из основных проблем никель-кадмиевых аккумуляторов является содержание кадмия, токсичного металла, который может негативно влиять на окружающую среду. В связи с этим многие страны начали вводить ограничения на использование таких аккумуляторов, что создает необходимость в поиске более безопасных и экологически чистых альтернатив.

Среди наиболее перспективных альтернатив можно выделить никель-металлгидридные (Ni-MH) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Никель-металлгидридные аккумуляторы обладают большей емкостью и меньшим эффектом памяти по сравнению с Ni-Cd, что делает их более удобными для использования в портативной электронике и гибридных автомобилях. Однако они также имеют свои недостатки, такие как более высокая саморазрядка и меньшая стабильность при высоких температурах.

Литий-ионные аккумуляторы, в свою очередь, стали стандартом для большинства современных устройств благодаря своей высокой энергоемкости, легкости и компактности. Они имеют низкий уровень саморазряда и могут быть перезаряжены сотни раз без значительной потери емкости. Однако литий-ионные аккумуляторы также имеют свои ограничения, такие как необходимость в сложных системах управления для предотвращения перегрева и перезарядки.

Существуют и другие технологии, такие как натрий-ионные и твердотельные аккумуляторы, которые находятся на стадии разработки и могут стать конкурентами для Ni-Cd в будущем. Натрий-ионные аккумуляторы, например, обещают быть более доступными и менее токсичными, так как натрий является более распространенным элементом по сравнению с литием. Твердотельные аккумуляторы, в свою очередь, могут предложить более высокий уровень безопасности и энергоемкости, но их массовое производство пока еще не достигнуто.

Таким образом, хотя никель-кадмиевые аккумуляторы остаются надежным вариантом для определенных применений, их будущее выглядит неопределенным. С учетом экологических норм и требований к производительности, альтернативные технологии, такие как Ni-MH и Li-ion, становятся все более актуальными. Важно следить за развитием новых технологий, которые могут предложить более безопасные и эффективные решения для хранения энергии в будущем.

Вопрос-ответ

Каковы основные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов?

Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают высокой устойчивостью к циклам зарядки и разрядки, что позволяет им сохранять свою производительность даже после множества циклов. Они имеют рабочее напряжение около 1.2 В на элемент, а также способны работать в широком диапазоне температур. Однако их ёмкость обычно ниже по сравнению с другими типами аккумуляторов, такими как литий-ионные.

Как правильно эксплуатировать никель-кадмиевые аккумуляторы?

Для правильной эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов важно избегать глубокого разряда, так как это может сократить их срок службы. Рекомендуется периодически полностью разряжать и заряжать аккумуляторы, чтобы предотвратить эффект памяти, который может снизить ёмкость. Также стоит хранить их в сухом и прохладном месте, чтобы минимизировать саморазряд.

Каковы основные преимущества и недостатки никель-кадмиевых аккумуляторов?

Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторов включают их долговечность, устойчивость к низким температурам и способность к быстрой зарядке. Однако недостатками являются токсичность кадмия, что требует осторожного обращения и утилизации, а также эффект памяти, который может снизить ёмкость при неправильной эксплуатации.

Советы

СОВЕТ №1

Перед использованием никель-кадмиевых аккумуляторов обязательно ознакомьтесь с их характеристиками и рекомендациями по эксплуатации. Это поможет избежать перегрева и преждевременного выхода из строя аккумуляторов.

СОВЕТ №2

Регулярно проводите полную разрядку и зарядку никель-кадмиевых аккумуляторов, чтобы избежать эффекта “памяти”. Это позволит поддерживать их емкость на оптимальном уровне и продлить срок службы.

СОВЕТ №3

Храните никель-кадмиевые аккумуляторы в прохладном и сухом месте, вдали от прямых солнечных лучей. Это поможет предотвратить их повреждение и снизит риск утечки.

СОВЕТ №4

Обратите внимание на правильное утилизацию никель-кадмиевых аккумуляторов, так как они содержат токсичные вещества. Используйте специальные пункты сбора или программы утилизации, чтобы минимизировать вред для окружающей среды.