Всё о Ni─MH аккумуляторах: устройство, характеристики, плюсы и минусы

Ni-MH аккумуляторы, или никель-металлогидридные батареи, представляют собой важный этап в развитии аккумуляторных технологий, предлагая более экологичную альтернативу традиционным щелочным батареям. В этой статье мы рассмотрим устройство Ni-MH аккумуляторов, их характеристики, а также плюсы и минусы, что поможет понять, как и где их эффективно использовать. Знание особенностей этих аккумуляторов будет полезно как обычным пользователям, так и специалистам в области электроники и энергетики.

Возникновение и развитие Ni─MH аккумуляторов

Никель-металлогидридные аккумуляторы начали разрабатываться еще в середине XX века. Их создание было направлено на устранение недостатков, присущих никель-кадмиевым батареям. В ходе исследований ученые смогли создать новые никель-водородные аккумуляторы, которые нашли применение в космической технике. Им удалось разработать инновационный метод хранения водорода. В этих новых аккумуляторах водород аккумулировался в определенных материалах, а именно в сплавах различных металлов. Эти сплавы обладали способностью накапливать водород в объеме, превышающем их собственный объем в тысячу раз. В состав таких сплавов входили два или более металлов: один из них служил для хранения водорода, а другой выполнял роль катализатора, способствующего переходу атомов водорода в металлическую решетку.

В никель-металлогидридных аккумуляторах могут использоваться различные комбинации металлов, что позволяет изменять свойства сплавов. Для производства никель-металлогидридных аккумуляторов были разработаны сплавы, которые функционируют при комнатной температуре и низком давлении водорода. Исследования в области создания новых сплавов и улучшения технологий производства Ni-MH аккумуляторов продолжаются и по сей день. Современные образцы этих аккумуляторов способны выдерживать до 2000 циклов зарядки и разрядки, при этом снижение емкости отрицательного электрода не превышает 30%. Такой результат достигается благодаря использованию сплавов никеля с различными редкоземельными металлами.

В 1975 году Билл получил патент на сплав LaNi5, который стал первым активным веществом в никель-металлогидридном аккумуляторе. Более ранние образцы, созданные на основе других металлогидридных сплавов, не обеспечивали необходимую емкость.

Промышленное производство Ni-MH аккумуляторов было налажено лишь в середине 1980-х годов, когда был разработан сплав La-Ni-Co. Этот сплав позволял осуществлять обратимое абсорбирование водорода более чем на ста циклах. В дальнейшем все улучшения конструкции Ni-MH аккумуляторов были направлены на увеличение их энергетической плотности.

Позже был заменен отрицательный электрод, что привело к увеличению активной массы положительного электрода в 1,3-2 раза. Именно от положительного электрода зависит емкость этих аккумуляторов. Ni-MH аккумуляторы обладают более высокими удельными энергетическими характеристиками по сравнению с никель-кадмиевыми.

Кроме высокой энергетической плотности, никель-металлогидридные аккумуляторы также состоят из нетоксичных материалов, что делает их эксплуатацию и утилизацию более простыми. Благодаря этим преимуществам аккумуляторы Ni-MH получили широкое распространение. Дополнительно вы можете ознакомиться с информацией о утилизации автомобильных аккумуляторов.

Эксперты отмечают, что Ni-MH аккумуляторы представляют собой важный шаг вперёд по сравнению с традиционными Ni-Cd. Их устройство основано на никелевых и металлогидридных элементах, что обеспечивает большую ёмкость и меньший эффект памяти. Среди характеристик выделяются высокая плотность энергии и возможность многократной перезарядки, что делает их идеальными для использования в портативной электронике и гибридных автомобилях. Однако, несмотря на множество преимуществ, такие аккумуляторы имеют и свои недостатки. Они чувствительны к перезарядке и могут терять ёмкость при длительном хранении. Кроме того, Ni-MH аккумуляторы менее эффективны при низких температурах. В целом, эксперты считают, что, несмотря на некоторые ограничения, Ni-MH остаются надёжным выбором для многих приложений.

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

Применение никель-металлогидридных аккумуляторов

Ni─MH аккумуляторы широко применяются для питания различной электроники, работающей в автономном режиме. В большинстве своём они выполняются в виде АА или ААА батарей. Хотя есть и другие исполнения, в том числе, промышленные аккумуляторные батареи. Сфера применения у них практически полностью совпадает с никель─кадмиевыми и даже шире, поскольку они не содержат токсичных материалов.

Продаваемые на рынке никель─металлогидридные аккумуляторы можно разделить на две большие группы по ёмкости:

• 1500—3000 мАч;
• 300—1000 мАч.

Первая группа (1500—3000 мАч) используется в различных устройствах, которые имеют высокое энергопотребление за короткий промежуток времени. При этом, как правило, отсутствует предварительное хранение батареек. В качестве примера можно привести такие устройства, как плееры, фотоаппараты, радиоуправляемые модели и другие гаджеты, где энергия аккумулятора Ni─MH расходуется за короткое время.

Вторая группа (300—1000 мАч) подходит, когда расход энергии начинается после определённого временного интервала. Примером могут служить ручные фонарики, рации, игрушки, GPS-навигаторы и других устройств с умеренным энергопотреблением, долгое время находящихся в автономном режиме.

 

Характеристика	Ni-MH аккумулятор	Li-ion аккумулятор (для сравнения)
Устройство	Положительный электрод: оксид никеля (NiOOH), Отрицательный электрод: гидрид металла (MH), Электролит: щелочной (KOH)	Положительный электрод: оксид лития-кобальта/марганца/никеля (LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2), Отрицательный электрод: графит (углерод), Электролит: органический
Номинальное напряжение	1.2 В на элемент	3.6-3.7 В на элемент
Энергетическая плотность	Средняя (60-120 Вт·ч/кг)	Высокая (150-250 Вт·ч/кг)
Эффект памяти	Выражен, но менее, чем у Ni-Cd	Практически отсутствует
Саморазряд	Высокий (15-20% в месяц для стандартных, 1-3% для LSD Ni-MH)	Низкий (2-5% в месяц)
Количество циклов заряд/разряд	500-1000	300-500 (для большинства потребительских)
Рабочий температурный диапазон	-20°C до +50°C (оптимально 0°C до +45°C)	-20°C до +60°C (оптимально +10°C до +45°C)
Ток разряда	Хорошо переносит высокие токи разряда	Хорошо переносит высокие токи разряда (зависит от типа)
Безопасность	Относительно безопасны, не склонны к возгоранию при повреждении	Могут быть опасны при повреждении (риск возгорания/взрыва)
Экологичность	Содержат токсичные металлы (никель), требуют утилизации	Содержат токсичные металлы (кобальт, никель), требуют утилизации
Стоимость	Относительно низкая	Высокая
Применение	Фонарики, игрушки, бытовая электроника, радиотелефоны, некоторые электроинструменты	Смартфоны, ноутбуки, электромобили, электроинструменты, медицинское оборудование
Плюсы	Высокая токоотдача, относительно безопасны, широкий температурный диапазон, низкая стоимость, отсутствие кадмия	Высокая энергетическая плотность, низкий саморазряд, отсутствие эффекта памяти, высокая эффективность
Минусы	Высокий саморазряд, эффект памяти (хоть и меньше, чем у Ni-Cd), меньшая энергетическая плотность по сравнению с Li-ion, чувствительность к перезаряду/глубокому разряду	Высокая стоимость, чувствительность к перезаряду/глубокому разряду, потенциальная опасность при повреждении, деградация при низких температурах

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о Ni-MH аккумуляторах:

1. Экологичность: Ni-MH аккумуляторы считаются более экологически чистыми по сравнению с традиционными свинцово-кислотными и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами. Они не содержат токсичного кадмия, что делает их более безопасными для окружающей среды при утилизации.

2. Высокая ёмкость: Ni-MH аккумуляторы обладают значительно большей ёмкостью по сравнению с Ni-Cd. Это позволяет им хранить больше энергии, что делает их идеальными для использования в устройствах с высоким потреблением энергии, таких как цифровые камеры и электромобили.

3. Эффект памяти: В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, Ni-MH имеют менее выраженный эффект памяти, что означает, что они могут быть перезаряжены без необходимости полного разряда. Это делает их более удобными в использовании, так как пользователи могут заряжать их в любое время без риска снижения ёмкости.

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

Устройство Ni─MH аккумуляторов

Конструкция никель─металлогидридных аккумуляторов

https://youtube.com/watch?v=WFCSJqMbc10

Ni─MH цилиндрической формы

В данной конструкции электроды с различными названиями разделены с помощью сепаратора. Все элементы свёрнуты в рулонный формат. Этот рулон помещается в корпус и закрывается крышкой с уникальной прокладкой для герметичности. В крышке предусмотрен аварийный клапан, который срабатывает при повышении давления внутри аккумулятора до 2─4 МПа. На следующем рисунке представлена схема никель-металлогидридного цилиндрического аккумулятора.

Ni─MH призматической формы

В Ni─MH аккумуляторах призматической формы поочерёдное размещение разноимённых электродов. Их также разделяет сепаратор. Сборка электродов находится в металлическом или пластиковом корпусе, который закрывается герметичной крышкой. В крышке в большинстве случаев ставится датчик или клапан давления. Ниже представлена конструкция никель-металлогидридного аккумулятора призматической формы.

В никель-металлогидридных аккумуляторных батареях в роли электролита выступает щёлочь. По составу это КОН с добавлением LiOH. Материал сепаратора в большинстве случаев это нетканый полиамид и полипропилен, обработанные смачивателем. Толщина сепаратора от 0,12 до 0,25 миллиметров.

Положительный электрод Ni─MH аккумуляторов выполняется из тех же материалов, что используются в Ni─Cd аккумуляторных батареях. Это оксидно─никелевая металлокерамика, пенополимерные и войлочные материалы.

Отрицательные электроды для Ni─MH аккумуляторов могут быть следующих вариантов:

• ламель. Водород─абсорбирующий сплав в виде порошка запрессовывается в сетку из никеля;
• пеноникелевый. Паста из сплава и связующего вещества вводится в пеноникелевую основу с последующей сушкой и прессованием;
• фольга. Паста из сплава и связующего вещества наносится на перфорированную фольгу (из никеля или стали) с последующей сушкой и прессованием;
• вальцованный. Порошок из сплава и связующего посредством прокатки (вальцевание) наносится на решётку или сетку (медную или никелевую);
• спечённый. Сплав в порошкообразном виде напрессовывается на сетку Ni и затем обжигается в водороде.

Удельные ёмкости у всех этих вариантов электродов близки по значению. Они зависят в основном от ёмкости используемого сплава. Теперь стоит несколько подробнее рассмотреть конструкцию разных электродов никель─металлогидридных аккумуляторов.

 

Устройство электродов Ni─MH аккумуляторов

Устройство металловодородного электрода

Основной материал, который определяет характеристики Ni─MH аккумуляторов, это сплав, поглощающий водород. Он может абсорбировать объем водорода в тысячу раз больший, чем его собственный объем. Наиболее распространённым сплавом для производства металловодородных электродов стал LaNi5. Так обозначается группа сплавом, где никель частично заменён на кобальт, марганец и алюминий. Это сделано для увеличения его активности и стабильности. В целях экономии ряд производителей используют не лантана, а Мm (миш-металл). Он представляет собой смесь редкоземельных элементов в соотношении, близком к тому, что есть в природной руде. Там кроме La есть неодим, церий, празеодим.

Во время прохождения цикла заряд-разряд кристаллическая решётка сплава сжимается и расширяется на 15─25 процентов. Это обусловлено процессами десорбции и абсорбции водорода. В результате растёт внутреннее напряжение и в сплаве образуются трещины. Из-за образования трещин растёт площадь поверхности, подвергающейся коррозии из-за реакции со щёлочью (электролит). В результате происходит постепенное снижение разрядной ёмкости отрицательного электрода.

Поскольку в аккумуляторной батарее имеется ограниченное количество электролита, все описанные процессы порождают проблемы, которые связаны с его перераспределением. В результате коррозии сплава его поверхность становится химически пассивной. На ней образуются оксиды и гидроксиды, стойкие к коррозии. Они увеличивают перенапряжение при реакции на металлогидридном электроде. Продукты коррозии образуются с потреблением водорода и кислорода из щелочи. Это ведёт к уменьшению количества электролита в батарее и увеличению её внутреннего сопротивления. Все эти процессы отрицательно сказываются на сроке эксплуатации Ni─MH аккумуляторов.

Чтобы снизить нежелательные процессы коррозии и диспергирования, производители используют 2 методики. Первая включает в себя микрокапсулирование частиц сплава. Это значит, что поверхность покрывается пористым слоем меди или никеля малой толщины (5─10 процентов). Более распространена вторая методика. Эта технология подразумевает обработку частиц сплава в щелочном растворе. В результате образуется защитная плёнка, которая проницаема для водорода.

 

Устройство оксидно─никелевого электрода

Оксидно-никелевые электроды представлены в различных вариантах:

• ламельные;
• безламельные металлокерамические спечёные;
• прессованные.

С каждым годом растёт интерес к пенополимерным и безламельным войлочным электродам.

Ламельные оксидно-никелевые электроды имеют конструкцию, состоящую из соединённых ламелей. Ламель представляет собой перфорированные коробочки, изготовленные из тонкой никелированной стальной ленты, толщина которой составляет 0,1 миллиметра.

Металлокерамические спечённые электроды обладают пористой структурой, где активная масса находится в порах, составляющих не менее 70 процентов от объёма основы. Основной материал – это карбонильный никелевый мелкодисперсный порошок (60─65 процентов) и карбонат аммония (или карбамид). Этот порошок прессуется и накатывается на сетку из никеля или стали, также возможно его напыление.

Затем сетка с порошком подвергается термообработке в водородной атмосфере при температуре 800─960 градусов Цельсия. В процессе разложения карбамида или карбоната аммония происходит спекание никеля, в результате чего формируется основа толщиной 1─2,3 миллиметра. Пористость этой основы достигает 80─85 процентов, а радиус пор составляет 5─20 микрометров. Далее основа пропитывается нагретым до 60─90 градусов раствором сульфата или нитрата никеля, после чего выполняется дополнительная пропитка щелочным раствором, который осаждает оксиды и гидроксиды никеля.

На современных производственных мощностях активно используется электрохимическая технология пропитки. Электрод помещается в раствор нитрата никеля и подвергается катодной обработке. В результате этого процесса в порах выделяется водород, и пластины подщелачиваются, что способствует осаждению гидроксидов и оксидов никеля.

Фольговые электроды являются одной из разновидностей спечённых электродов. Их производят следующим образом: на перфорированную никелевую ленту толщиной около 0,05 миллиметра с обеих сторон наносят спиртовую эмульсию никелевого карбонильного порошка с добавлением связующих веществ. После этого проводится спекание и пропитка реагентами (химическая или электрохимическая). Толщина таких электродов составляет 0,4─0,6 миллиметра.

Прессованные электроды изготавливаются путём прессовки активной массы на стальную ленту или сетку. При этом давление составляет 35─60 МПа. В качестве активной массы используется смесь гидроксидов никеля и кобальта, графита и связующих веществ.

Металловойлочные электроды представляют собой высокопористую основу, состоящую из углеродных или никелевых волокон. Пористость такой основы достигает 95 процентов. Войлочный электрод изготавливается на основе углеграфитового или полимерного фетра, покрытого никелем. Толщина этих электродов варьируется от 0,8 до 10 миллиметров, а активная масса внедряется в войлок различными способами.

Существует технология, в которой вместо войлока используется пеноникель. Он получается путём никелирования пенополиуретана и последующего отжига в восстановительной атмосфере. В высокопористую среду добавляются компоненты с помощью намазки, представляющей собой пасту, содержащую гидроксид никеля со связующим. Затем основу сушат и вальцуют. Электроды металловойлочного и пеноникелевых типов обладают высокой удельной ёмкостью и значительным сроком службы.

Реакции в никель─металлогидридных аккумуляторах

Как уже разбиралось выше, в Ni─MH аккумуляторе положительный электрод оксидно─никелевый также, как в Ni─Cd батареях. А вот отрицательный электрод вместо кадмиевого используется из никелевого сплава с добавлением редкоземельных элементов.

Какие реакции протекают в Ni─MH аккумуляторах?

На оксидно-никелевом электроде (положительный) протекает реакция:

При заряде

Ni(OH)₂ + OH^−- ⇒ NiOOH + H₂O + e⁻

При разряде

NiOOH + H₂O + e⁻ ⇒ Ni(OH)₂ + OH⁻

На электроде из никелевого сплава (отрицательный) протекает реакция:

При заряде

M + H₂O + e⁻ ⇒ MH + OH^−-

При разряде

MH + OH⁻ ⇒ M + H₂O + e⁻

Суммарная реакция, протекающая в Ni─MH аккумуляторе, выглядит следующим образом:

При заряде

Ni(OH)₂ + M ⇒ NiOOH + MH

При разряде

NiOOH + MH ⇒ Ni(OH)₂ + M

При этом щелочной электролит не принимает участия в реакции образования тока.

После того, как при заряде аккумулятора до уровня 70─80 процентов на оксидно─никелевом запускается выделение кислорода в соответствии со следующей реакцией:

2OH⁻ ⇒ 1/2O₂ + H₂O + 2e⁻

На отрицательном электроде происходит реакция восстановления этого кислорода:

1/2O₂ + H₂O + 2e⁻ ⇒ 2OH⁻

Так описывается процесс перезарядки никель─металлогидридного аккумулятора. Эти реакции образуют собой замкнутую циркуляцию кислорода. В процессе восстановления кислорода происходит увеличение ёмкости металлогидридного электрода благодаря выделению группы ОН⁻.

Характеристики Ni-MH аккумуляторов

Основные характеристики никель-металлогидридных и никель-кадмиевых аккумуляторов представлены в следующей таблице.

Параметр	Ni-Cd	Ni-MH	Ni-H2
Энергетическая плотность, Вт-ч/кг	45-80	60-120	–
Внутреннее сопротивление (при 6 В), мОм	100-200	200-300	–
Количество циклов зарядки-разрядки до снижения ёмкости до 80% от номинала	1500	300-500	2000-3000
Время быстрой зарядки, часы	1	2-4	–
Устойчивость к перезарядке	средняя	низкая	–
Саморазряд при комнатной температуре	20% в месяц	30% в месяц	20-30% за сутки
Номинальное напряжение, В	1,25	1,25	1,25
Оптимальный ток нагрузки	1С	до 0,5С	–
Пиковый ток нагрузки	20С	5С	–
Рабочая температура (разряд), °C	от -40 до +60	от -20 до +60	от -20 до +30
Периодичность обслуживания (тренировка), дней	30-90	30-90	–
Появление на рынке	1950	1990	–
Срок службы, лет	1-5	1-5	2-7
Удельная энергия, Вт-ч/литр	60-120	100-270	60-80
Параметр	Ni-Cd	Ni-MH	Ni-H2
—	—	—	—

Электрические характеристики

Ёмкость аккумулятора

С увеличением нагрузки и снижением температуры окружающей среды ёмкость никель-металлогидридного аккумулятора уменьшается, как показано на графике ниже.

Явный эффект уменьшения ёмкости наблюдается при высокой скорости разряда в условиях низких температур.

Номинальное разрядное напряжение

Номинальное разрядное напряжение (U_р) обычно находится в пределах 1,2─1,25 вольта при токе разряда (I_р), определяемом по формуле:

I_p = 0,1─0,2С, где

С — номинальная ёмкость батареи при температуре 25 градусов Цельсия.

Конечное напряжение разряда составляет 1 вольт. Как можно видеть на графике ниже, напряжение снижается при возрастании нагрузки.

Напряжение разомкнутой цепи

Определить величину данного параметра Ni─MH аккумуляторов довольно непросто. Это связано с тем, что равновесный потенциал оксидно─никелевого электрода в значительной степени зависит от уровня окисленности никеля.

Также значительное влияние оказывает равновесный потенциал отрицательного электрода, который зависит от степени его насыщенности водородом. Через сутки после зарядки никель-металлогидридного аккумулятора напряжение в открытой цепи составляет примерно 1,30─1,35 вольта.

Хранение и срок эксплуатации

Во время хранения Ni─MH аккумулятора, как и в случае других типов батарей, имеет место явление саморазряда. При комнатной температуре за первый месяц хранения такой аккумулятор теряет 20─30 процентов ёмкости. В дальнейшем каждый месяц ёмкость никель─металлогидридного аккумулятора падает на 3─7 процентов в месяц. Интенсивность саморазряда возрастает с ростом температуры, как можно видеть на графике ниже.

Если интересно, можете прочитать материал о том, как восстанавливают Ni─Cd аккумуляторы для шуруповерта.

Особенности зарядки никель─металлогидридных аккумуляторов

Количество циклов зарядки и разрядки, а также срок службы Ni-MH аккумуляторов во многом зависят от условий их эксплуатации. Эти показатели уменьшаются при увеличении глубины и скорости разряда. Также на них влияют скорость зарядки и контроль ее завершения. Существуют различные типы никель-металлогидридных аккумуляторов. В зависимости от типа и условий использования, аккумуляторы могут выдерживать от 500 до 1000 циклов зарядки и разрядки, а срок службы составляет от 3 до 5 лет. Эти данные актуальны при глубине разряда в 80 процентов.

Для того чтобы Ni-MH аккумулятор работал надежно на протяжении всего срока службы, необходимо следовать рекомендациям производителей. Важным аспектом является соблюдение температурного режима. Не допускайте сильного разряда (менее 1 вольта) и короткого замыкания. Не следует использовать новые никель-металлогидридные аккумуляторы вместе с уже использованными. Не припаивайте к аккумуляторам провода и другие элементы.

Перезарядка Ni-MH аккумуляторов требует более тщательного контроля, чем в случае с Ni-Cd. Перезарядка может привести к тепловому разгоню. Обычно зарядка осуществляется током 0,1*С в течение 15 часов. Если это компенсационная подзарядка, ток составляет 0,01-0,03С и длится 30 часов.

Существуют также ускоренные (4-5 часов) и быстрые (1 час) режимы зарядки, которые можно применять для никель-металлогидридных аккумуляторов с высокоактивными электродами. При использовании таких режимов необходимо контролировать изменения напряжения, температуры и других параметров. Быстрая зарядка применяется для Ni-MH аккумуляторов в мобильных телефонах, ноутбуках и электроинструментах. Однако в этих устройствах все чаще используются различные типы литиевых аккумуляторов.

Производители рекомендуют использовать трехступенчатую схему быстрой зарядки:

• Первая ступень. Заряд током 1С и выше;
• Вторая ступень. Заряд током 0,1С (время от 30 минут до одного часа);
• Заключительная подзарядка. Заряд током 0,05-0,02С (компенсационная подзарядка).

Вся основная информация о методах зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов обычно содержится в инструкции производителя. Рекомендуемый ток зарядки также указывается на корпусе батареи. Рекомендуем ознакомиться с отдельным материалом о том, как правильно заряжать Ni-MH аккумуляторы.

В общем случае напряжение зарядки при токе 0,3-1С составляет от 1,4 до 1,5 вольта. На положительном электроде выделяется кислород, и электричество, передаваемое при зарядке, превышает величину разрядной емкости. Отдача по емкости определяется как разрядная емкость, деленная на величину переданного при зарядке электричества. Умножив на 100, получаем процент отдачи. Для цилиндрических и дисковых Ni-MH аккумуляторов этот показатель отличается и составляет 85-90% и 75-80% соответственно.

Контроль зарядки и разрядки аккумуляторов металлогидридного типа осуществляется для предотвращения перезарядки. Производители используют различные методы контроля, устанавливая датчики в аккумуляторах или зарядных устройствах. Вот основные способы:

• Остановка зарядки по значению абсолютной температуры. Во время зарядки температура аккумулятора постоянно контролируется, и при достижении максимального допустимого значения зарядка прекращается;
• Остановка зарядки в зависимости от скорости изменения температуры. В этом случае контролируется крутизна кривой температуры аккумулятора, и при достижении определенного порогового значения зарядка останавливается;
• Остановка зарядки по падению напряжения. Когда процесс зарядки Ni-MH аккумулятора подходит к завершению, температура увеличивается, а напряжение уменьшается, и именно по снижению напряжения работает этот метод;
• Остановка зарядки по достижению максимального времени, отведенного на зарядку;
• Остановка зарядки по величине максимального давления. Этот метод контроля применяется в Ni-MH аккумуляторах призматической конструкции, где допустимое давление составляет от 0,05 до 0,8 МПа и определяется конструкцией батареи;
• Остановка зарядки по значению максимального напряжения. Этот метод используется в аккумуляторах с высоким внутренним сопротивлением.

Метод контроля максимальной температуры имеет недостаточную точность. При этом аккумулятор может перезарядиться, если температура окружающей среды низкая, или не получить достаточный заряд, если температура высокая.

Метод контроля по изменению температуры хорошо работает при низкой температуре окружающей среды. Однако при высокой температуре аккумулятор может перегреваться перед отключением. При этом методе контроля при низкой температуре аккумулятор получает большую входную емкость, чем при высокой.

На начальном и конечном этапе зарядки Ni-MH аккумуляторов температура быстро возрастает, что может привести к срабатыванию датчика. Поэтому производители используют специальные таймеры для защиты от ложного срабатывания.

Метод контроля по падению напряжения также эффективен при низкой температуре и имеет много общего с контролем по изменению температуры.

Чтобы обеспечить прекращение зарядки в случае, если нормальное прерывание не сработает, используется контроль по времени зарядки.

Специалисты рекомендуют несколько методов для зарядки Ni-MH аккумуляторов. Для быстрого заряда током 0,5-1С при температуре от 0 до 50 градусов Цельсия рекомендуется комбинировать следующие методы отключения:

• по максимальной температуре (предел 50-60 градусов);
• по снижению напряжения (5-15 мВ);
• по максимальному времени зарядки (расчет для получения 120% от номинальной емкости);
• по максимальному напряжению (1,6-1,8 В).

Метод снижения напряжения может изменяться в зависимости от разницы температур за определенное время (1-2 градуса в минуту). При этом устанавливается начальная задержка около 5-10 минут.
После завершения быстрого заряда аккумулятора зарядное устройство может перейти в режим подзарядки током 0,1-0,2С на определенный временной интервал.
Не рекомендуется заряжать Ni-MH аккумуляторы при постоянном напряжении, так как это может привести к выходу из строя. На завершающем этапе зарядки ток увеличивается, пропорционально разнице напряжений аккумулятора и источника питания. Из-за повышения температуры в конце зарядки напряжение аккумулятора снижается. Если его удерживать постоянным, это может привести к тепловому выходу из строя.

Если зарядка никель-металлогидридного аккумулятора осуществляется при низкой температуре окружающей среды, скорость заряда следует снижать. В противном случае кислород не успеет рекомбинироваться, что приведет к повышению давления внутри аккумулятора. Для таких условий эксплуатации специалисты рекомендуют использовать Ni-MH аккумуляторы с электродами высокой пористости. Также советуем ознакомиться с информацией о том, как заряжать Ni-Cd аккумуляторы.

Плюсы и минусы Ni─MH аккумуляторов

Среди плюсов никель─металлогидридных аккумуляторов стоит отметить рост удельных энергетических характеристик, но это не единственное преимущество перед никель─кадмиевыми батареями.

Важным плюсом является то, что удалось отказаться от использования кадмия. Это сделало производство более экологически чистым. При этом значительно упростилась технология утилизации отработавших аккумуляторов.

Благодаря этим плюсам Ni─MH аккумуляторов, объём их производства резко вырос по сравнению с никель─кадмиевыми аккумуляторами.

Стоит также отметить, что Ni─MH аккумуляторы не имеют «эффекта памяти», как Ni─Cd батарей. У них это явление обуславливается образованием никелата в кадмиевом электроде. Но проблемы, касающиеся перезаряда оксидно─никелевых электродов, сохранились.

Чтобы уменьшить разрядное напряжение при длительных перезарядах, нужно периодически (раз в месяц) проводить разряд аккумулятора до 1 вольта. Здесь всё так же, как у никель─кадмиевых аккумуляторов.

Стоит отметить и некоторые минусы никель─металлогидридных аккумуляторов. По некоторым параметрам они уступают Ni─Cd. Поэтому не могут полностью их заменить. Вот некоторые минусы и ограничения:

• Никель─металлогидридные аккумуляторы достаточно эффективно функционируют в узком интервале токов. Это объясняется ограниченной десорбцией водорода при большой скорости разряда;
• При заряде этот тип батарей выделяет больше тепла, чем никель─кадмиевые аккумуляторов. Из-за этого требуется установка в них температурных реле или предохранителей. Производители ставят их на стенке в центральной части аккумулятора;
• Опасность переполюсовки и перегрева элементов в Ni─MH батарее растёт с увеличением срока службы и количества циклов заряд-разряд. Поэтому производители ограничивают аккумуляторные батареи десятью элементами;
• У Ni─MH аккумуляторов достаточно высокий саморазряд. Это обусловлено реакцией водорода из электролита с оксидно─никелевым электродом. В современных моделях эта проблема решается изменением состава сплавов отрицательных электродов. Решается не полностью, но результаты получаются приемлемыми;
• Никель─металлогидридные аккумуляторы функционируют в более узком диапазоне температур. При минус 10 C практически все они становятся неработоспособными. Такая же картина наблюдается при температуре выше 40 С. Но есть некоторые серии аккумуляторов, для которых температурный диапазон расширяется легирующими добавками;
• Присутствует необратимая потеря ёмкости отрицательного электрода при разрядке аккумулятора «в ноль». Та, что требования по процессу разряда здесь более жёсткие, чем у Ni─Cd аккумуляторов. Производители рекомендуют разряд элемента до 1 вольта в аккумуляторах с малым напряжением или до 1,1 вольта в батареях из семи-десяти элементов.

Советуем также прочитать статью о том,

как восстановить Ni─MH аккумуляторы

.

Деградация никель─металлогидридных аккумуляторов определяется снижением сорбирования отрицательным электродов при эксплуатации. При прохождении цикла заряд-разряд объем кристаллической решётки электрода меняется. Это вызывает образование трещин, идёт коррозия при взаимодействии со щелочным электролитом. При этом продукты коррозии проходят с расходом водорода и кислорода из электролита. В результате объём электролита снижается и растёт внутреннее сопротивление батареи.

Параметры Ni─MH аккумуляторов в значительной степени зависят от состава сплава отрицательного электрода. Также сильное влияние оказывает технология обработки сплава, которая определяет стабильность его состава и структуру. Поэтому производители аккумуляторов серьёзно подходят к выбору поставщиков сплава для своей продукции.

 

Сравнение Ni─MH аккумуляторов с другими типами аккумуляторов

Ni─MH аккумуляторы (никель-металлгидридные) занимают промежуточное положение между традиционными никель-кадмиевыми (Ni─Cd) и современными литий-ионными (Li-ion) аккумуляторами. Чтобы лучше понять их преимущества и недостатки, важно рассмотреть их характеристики в сравнении с другими типами аккумуляторов.

1. Ni─MH vs Ni─Cd

Никель-кадмиевые аккумуляторы, хотя и были популярны в прошлом, имеют несколько недостатков по сравнению с Ni─MH. Во-первых, Ni─MH аккумуляторы обладают большей ёмкостью, что позволяет им хранить больше энергии при тех же размерах. Например, Ni─MH аккумуляторы могут иметь ёмкость до 3000 мАч, в то время как Ni─Cd обычно не превышают 1000-2000 мАч.

Во-вторых, Ni─MH аккумуляторы менее подвержены эффекту памяти, который характерен для Ni─Cd. Эффект памяти приводит к снижению ёмкости аккумулятора, если его регулярно разряжать до одной и той же точки. Ni─MH аккумуляторы могут быть заряжены в любое время, что делает их более удобными в использовании.

Однако Ni─Cd аккумуляторы имеют более высокую устойчивость к низким температурам и могут выдерживать большее количество циклов зарядки и разрядки, что делает их предпочтительными в некоторых специфических условиях.

2. Ni─MH vs Li-ion

Литий-ионные аккумуляторы стали стандартом для большинства современных устройств благодаря своей высокой плотности энергии и легкости. Они могут иметь ёмкость, превышающую 3000 мАч, и обеспечивают более длительное время работы. Однако Ni─MH аккумуляторы имеют свои преимущества. Они более безопасны в эксплуатации, так как не подвержены риску перегрева и взрыва, что иногда наблюдается у Li-ion аккумуляторов при неправильной эксплуатации.

Кроме того, Ni─MH аккумуляторы более устойчивы к воздействию высоких температур и могут работать в более широком диапазоне температур. Однако они имеют более низкую плотность энергии, что делает их менее подходящими для компактных и легких устройств, таких как смартфоны и ноутбуки.

3. Экологические аспекты

С точки зрения экологии, Ni─MH аккумуляторы более предпочтительны по сравнению с Ni─Cd, так как они не содержат токсичного кадмия, который может нанести вред окружающей среде. Литий-ионные аккумуляторы также имеют свои экологические проблемы, связанные с добычей лития и утилизацией. Ni─MH аккумуляторы, в свою очередь, легче поддаются переработке и имеют меньший негативный эффект на природу.

4. Заключение

В целом, выбор между Ni─MH, Ni─Cd и Li-ion аккумуляторами зависит от конкретных потребностей пользователя. Ni─MH аккумуляторы предлагают хорошее сочетание ёмкости, безопасности и экологичности, что делает их отличным выбором для многих приложений, особенно в тех случаях, когда важна высокая ёмкость и устойчивость к эффекту памяти. Однако для устройств, требующих максимальной плотности энергии и минимального веса, литий-ионные аккумуляторы остаются предпочтительными.

Вопрос-ответ

Что такое NiMH аккумулятор?

Никель-металлогидридный аккумулятор (Ni-MH или NiMH) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролитом — гидроксид калия, катодом — оксид никеля.

Как долго NiMH-аккумуляторы держат заряд?

При нормальной комнатной температуре никель-металлгидридные аккумуляторы обычно сохраняют 70% заряда в течение 30 дней. Нормальный саморазряд никель-металлгидридных аккумуляторов составляет около 1% в день при нормальной комнатной температуре.

Советы

СОВЕТ №1

Перед покупкой Ni-MH аккумуляторов обязательно ознакомьтесь с их характеристиками, такими как ёмкость, напряжение и ток разряда. Это поможет вам выбрать аккумуляторы, которые наилучшим образом подойдут для ваших устройств.

СОВЕТ №2

Регулярно проверяйте состояние ваших Ni-MH аккумуляторов. Если они начинают терять ёмкость или не держат заряд, возможно, пришло время заменить их. Это поможет избежать неприятных ситуаций с разряженными батареями в неподходящий момент.

СОВЕТ №3

Используйте зарядные устройства, специально предназначенные для Ni-MH аккумуляторов. Это обеспечит оптимальные условия для зарядки и продлит срок службы ваших батарей.

СОВЕТ №4

Не допускайте полного разряда Ni-MH аккумуляторов, так как это может негативно сказаться на их производительности. Старайтесь подзаряжать их, когда уровень заряда достигает 20-30%.