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

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) на данный момент все ещё достаточно широко используются в народном хозяйстве. По своей конструкции они относятся к группе щелочных аккумуляторов. Эти батареи востребованы, несмотря на то, что их производство и применение ограничивается из соображений охраны окружающей среды (кадмий является ядовитым веществом). Но полностью отказаться от них не получается, поскольку эти аккумуляторные батареи используют в устройствах, где другие батареи работать не могут. В частности это эксплуатация с разрядными и зарядными токами большой величины. Это достаточно простые в обслуживании устройства с длительным сроком эксплуатации. Поэтому они заслуживают рассмотрения в отдельной статье.

Первый никель-кадмиевый аккумулятор создал Вальдмар Юнгнер ещё в 1899 году. Но тогда производство этих щелочных аккумуляторов обходилось значительно дороже, чем других видов батарей. Так, что об этом изобретении на некоторое время забыли. В 1932 году был разработан метод осаждения активного материала на пористый никелевый электрод. Это приблизило выпуск промышленных аккумуляторов Ni-Cd.

В 1947 году был проведен ряд работ, в ходе которых осуществили рекомбинацию газов, выделяющихся при заряде, без их отведения. В результате на свет появились герметичные Ni-Cd аккумуляторы, которые применяются до сих пор. Среди производителей никель-кадмиевых аккумуляторов можно назвать такие крупные компании, как GP Batteries, Самсунг, Варта, GAZ, Konnoc, Advanced Battery Factory, Панасоник, Metabo, Ansmann и другие.

Несмотря на широкое распространение в народном хозяйстве за последние десятилетия, никель-кадмиевые аккумуляторы постепенно сужают область применения. Их постепенно теснят никель-металлогидридные, а также литиевые батареи.

В частности Ni-Cd батареи уступают им место портативной технике. Причиной тому является опасность кадмия для человека и окружающей среду. Для утилизации таких аккумуляторов требуется специальное оборудование для улавливания кадмия. для автомобиля проводится проще, быстрее и лучше отработана. Но до сих пор существует достаточно много направлений, где никель-кадмиевые батареи незаменимы.

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 , 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 .

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.

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 + H 2 O + e —

В процессе разряда

NiOOH + H 2 O + e — ⇒ Ni(OH) 2 + OH —

Оксид-гидроксид никеля (NiOOH) на положительном электроде может быть в двух вариантах:

• α- Ni(OH) 2 ;
• β-Ni(OH) 2 .

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./см 3 . 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.

Процессы на отрицательном электроде

На отрицательном электроде никель-кадмиевой батареи протекают следующие реакции:

При заряде

Cd(OH) 2 + 2e − ⇒ Cd + 2OH −

При разряде

Cd + 2OH − ⇒ Cd(OH) 2 + 2e −

Ёмкость кадмиевого электрода в никель-кадмиевых батареях превышает ёмкость положительного электрода примерно на 20─70 процентов. По этой причине считается, что потенциал отрицательного электрода при заряде-разряде, остается неизменным.

Характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd)

Номинальное напряжение никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов составляет 1,2 вольта. Заряд током 1/10 от ёмкости происходит за 16 часов. Замер ёмкости Ni-Cd аккумулятора производится при разряде током 2/10 от номинальной ёмкости до напряжения один вольт.

На изображении ниже можно видеть разрядные характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов при различных режимах разряда.

На графиках ниже можно посмотреть зависимость разрядной ёмкости от нагрузочного тока и температуры.

Саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов зависит в основном от термодинамической неустойчивости электрода из оксида-гидроксида никеля. Влияние тока утечки между электродами на саморазряд небольшое. Но постепенно увеличивается со временем эксплуатации батареи. Тепловыделение в Ni-Cd аккумуляторах во многом зависит от степени заряженности. После того, как аккумулятор набрал 70 процентов емкости, активизируется процесс выделения кислорода. В результате из-за ионизации кислорода на отрицательных электродах происходит разогрев аккумулятора. По окончании зарядки температура в Ni-Cd аккумуляторе поднимается на 10─15 градусов Цельсия. Если заряд осуществляется в ускоренном режиме, то увеличение температуры может составлять 40─45 градусов Цельсия.

После отключения от заряда потенциал положительного (оксидно-никелевого) электрода уменьшается и происходит постепенное выравнивание заряда глубинного и поверхностного слоя. Через некоторое время интенсивность саморазряда снижается. У различных серий Ni-Cd аккумуляторов саморазряд и стабилизации остаточной емкости могут значительно различаться. Саморазряд, помимо снижения ёмкости, ещё приводит к понижению напряжения на 0,03─0,05 вольта. Это явление объясняется постепенным выравниванием заряда в глубине и на поверхности электрода. Кроме того, влияние оказывает частичная пассивация активной массы.

Хранение никель-кадмиевых аккумуляторов (равно, как и свинцово-кислотных) при низкой температуре снижает саморазряд. При 20 градусах Цельсия саморазряд в два раза больше, чем при 0.

На следующем изображении показан график изменения потери емкости для никель-кадмиевых аккумуляторов при различных температурах.

Чтобы компенсировать саморазряд при хранении аккумулятора, можно поставить его на подзарядку малым током. Обычно величина тока подзаряда составляет 0,03-0,05 от ёмкости. Но конкретное значение оговаривается производителем аккумулятора. Способность выдерживать длительный перезаряд у разная у никель-кадмиевых аккумуляторов различной конструкции. Дисковые щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы, которые имеют ламельные электроды большой толщины, к перезаряду приспособлены меньше всего. Но есть и такие конструкции, которые способны без последствий выдержать перезаряд несколько месяцев.

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

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы с 2 электродами имеют удельные энергетические характеристики 15─18 Вт-ч на килограмм и 35─45 Вт-ч на литр. Та же разновидность, но с 4 электродами имеет удельные энергетические характеристики в два раза больше. Для цилиндрических Ni-Cd аккумуляторов эти величины 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 важным является ограничение перезаряда. При перезарядке увеличивается давления внутри батареи из-за выделения кислорода. Так, что эффективность использования тока падает по мере приближения к 100-ной зарядке.

На изображении ниже можно посмотреть графики характеризующие зависимость ёмкости при разряде цилиндрического аккумулятора.

Зарядку Ni-Cd аккумуляторов допускается проводить в температурном диапазоне 0─40 градусов Цельсия. Рекомендуемый интервал 10─30 градусов. Поглощение кислорода на кадмиевом электроде замедляется при снижении температуры, что приводит к росту давления. Если температура выше рекомендуемой, то растёт потенциал и на положительном оксидно-никелевом электрода кислород начинает выделяться очень рано. При равной температуре кислород выделяется тем активнее, чем больше ток заряда. При это скорость поглощения кислорода почти не изменяется. У эта величина зависит от конструкции батареи, а точнее, от транспортировки кислорода от положительного к кадмиевому отрицательному электроду. На это влияет плотность компоновки, толщины, структура электродов, а также материала сепаратора и объема электролита.

Чем меньше толщина электродов и чем выше плотность их компоновки, тем эффективнее будет проходить процесс заряда. Цилиндрические аккумуляторы с рулонными электродами являются наиболее эффективными в этом плане. Для них эффективность заряда при изменении тока от 0,1 до 1С почти не меняется. Стандартным производители называют режим зарядки, в результате которого батарея с напряжением 1 вольт полностью заряжается за 16 часов током 0,1 от ёмкости. Некоторые модели при заряде в таком режиме требуют 14 часов. Конкретные показатели уже зависят от конструктивных особенностей и объема активной массы.

Все вышесказанное справедливо для гальваностатического заряда. Это заряд при постоянном значении силы тока. Но заряд может также вестись с плавным или ступенчатым снижением силы тока на заключительной стадии зарядки. Тогда на начальном этапе ток может устанавливаться гораздо выше стандартного значения 0,1 от ёмкости. Часто бывает реальная необходимость в увеличении скорости зарядки. Проблему решают с использованием аккумуляторов, характеристики которых позволяют эффективно принимать заряд током высокой плотности. Ток поддерживается постоянным на протяжении всего процесса зарядки. Также совершенствуются системы контроля, которые не допускают 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 ускорении не рекомендуется допускать перезаряд больше 120─140 процентов. Тогда будет обеспечена ёмкость не меньше номинала. Ni-Cd аккумуляторы для работы в ускоренных режимах заряжаются ещё быстрее (примерно около одного часа). Однако в последнем случае нужен контроль напряжения и температуры. Иначе, из-за быстрого роста давления, может начаться процесс деградации аккумуляторов.

После того, как заряд закончен в герметичном аккумуляторе еще продолжается выделение кислорода из-за окисления гидроксильных ионов на положительном электроде. За счет процесса саморазряда уменьшается потенциал, и процесс выделения кислорода постепенно уменьшается и становится равным поглощению его на кадмиевом электроде. Тогда давление уменьшается. О том, детально разобрано по указанной ссылке.

Никель-кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) - вторичный , в котором катодом является гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 с графитовым порошком (около 5-8 %) , электролитом - гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), анодом - гидрат закиси кадмия Cd(OH) 2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45-65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных аккумуляторов (Ni-MH), которые нужно хранить полностью заряженными и от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора.

История изобретения

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч /кг .
• Удельная энергоёмкость: 45-65 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоплотность: 50-150 Вт·ч/дм ³.
• Удельная мощность: 150..500 Вт/кг.
• ЭДС = 1,37 .
• Рабочее напряжение = 1,35..1,0 В.
• Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С - емкость.
• Саморазряд: 10 % в месяц.
• Рабочая температура: −50…+40 °C .

В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только там, где использование других систем невозможно, а именно, в устройствах, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Типичный аккумулятор для летающей модели можно зарядить за полчаса, а разрядить за 5 минут. Благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению аккумулятор не нагревается даже при зарядке большим током. Только когда аккумулятор полностью зарядится, начинается заметный разогрев, что и используется большинством зарядных устройств как сигнал окончания зарядки. Конструктивно все никель-кадмиевые аккумуляторы оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает внутреннее давление газов в тяжелых условиях эксплуатации.

Цикл разряда начинается от 1,35 В и заканчивается на 1,0 В (соответственно 100 % емкости и 1 % оставшейся емкости)

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды более технологичны, дешевле в производстве и обладают более высокими показателями рабочей ёмкости, в связи с чем все аккумуляторы бытового назначения имеют прессованные электроды. Однако прессованные системы подвержены так называемому «эффекту памяти ». Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электрохимической системе аккумулятора появляется «лишний» двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1 В. Типичный контроллер устройства, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как полный разряд батареи и сообщает, что батарея «плохая». Реального снижения энергоёмкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, «убивает» батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от «эффекта памяти» прессованных электродов, сколько от «эффекта беспамятства» недорогих контроллеров.

Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизора), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет ёмкость, хотя его напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумуляторов с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде, тогда после первой же зарядки аккумуляторы будут полностью готовы к использованию. Лучше всего подключить цепочку из диода и резистора на каждую банку, чтобы ограничить напряжение на уровне 0,5-0,7 В на элемент. Это также способствует выравниванию характеристик элементов, из которых состоит батарея. После длительного хранения батареи необходимо провести 2-3 цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной емкости (1C), чтобы она вошла в рабочий режим и работала с полной отдачей.

Области применения

Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на один-два порядка ниже, чем у обычных марганец-цинковых и марганец-воздушных батарей, мощность выдаётся стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.

Несмотря на развитие других электрохимических систем и ужесточение экологических требований, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются основным выбором для высоконадёжных устройств, потребляющих большую мощность, например, фонарей для дайвинга .

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы

В СССР для питания электронных устройств были распространены герметичные (взрываются) дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы.

Название аккумулятора	диаметр мм	высота мм	напряжение вольт	Ёмкость А/час	Рекомендуемый ток разряда, мА	Применение
Д-0,03	11,6	5,5	1,2	0,03	3	фотоаппараты , слуховые аппараты
Д-0,06	15,6	6,4	1,2	0,06	12	фотоаппараты , фотоэкспонометры , слуховые аппараты
Д-0,125	20	6,6	1,2	0,125	12,5	аккумуляторные электрические фонарики
Д-0,26	25,2	9,3	1,2	0,26	26	аккумуляторные электрические фонарики, фотовспышки
Д-0,55	34,6	9,8	1,2	0,55	55	фотовспышки
7Д-0,125			8,4	0,125	12,5	замена батарее Крона

Производители

Ni-Cd аккумуляторы производят множество фирм, в том числе крупные интернациональные фирмы, такие как GP Batteries Int. Ltd., VARTA, GAZ, KONNOC, METABO, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, ANSMANN и другие. Среди отечественных производителей можно назвать НИАИ (создан на базе Центральной аккумуляторной лаборатории, 1946 г.), КОСМОС и ЗАО "Опытный завод НИИХИТ".

Безопасная утилизация

Плавка продуктов утилизации NiCd аккумуляторов происходит в печах при высоких температурах, кадмий в этих условиях становится чрезвычайно летучим, и в случае, если печь не оборудована специальным улавливающим фильтром, токсичные вещества (например, пары кадмия) выбрасываются во внешнюю среду, отравляя окружающие территории. Вследствие этого оборудование для утилизации является более дорогим, чем для утилизации свинцовых батарей.

См. также

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
• Федотов Г. А. Электрические и электронные устройства для фотографии. Л.: Энергоатомиздат, 1984.
• ГОСТ 15596-82 . Источники тока химические. Термины и определения.

Примечания

Гальванический элемент	Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона
Электрические аккумуляторы	Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый

Сегодня одним из самых популярных видов пополнения энергии бытовой техники являются никель-кадмиевые аккумуляторы. Это довольно простое в эксплуатации устройство, которое при правильном обращении прослужит достаточно длительный промежуток времени. Как правильно обращаться с никель-кадмиевыми аккумуляторами, следует рассмотреть подробнее.

Общая характеристика

Никель-кадмиевый аккумулятор устроен так, что при низком внутреннем сопротивлении он может отдавать достаточно большой ток. Такие аккумуляторы выдерживают даже короткое замыкание.

Аккумуляторы представленного типа легко выдерживают длительные нагрузки. При понижении температуры окружающей среды их работоспособность практически не меняется.

Никель-кадмиевые аккумуляторы уступают другим видам в емкости. Однако их высокая отдача делает батареи одними из самых популярных и востребованных в области портативной техники.

Для приборов с электродвигателями, которые потребляют большие токи, применение таких зарядных устройств, как аккумуляторы никель-кадмиевого типа, просто незаменимо.

Разрядные токи, на которых они используются, находятся в диапазоне 20-40 А. Предельная нагрузка для NiCd-аккумуляторов составляет 70 А.

Преимущества

Представленные устройства обладают рядом преимуществ. Они способны работать в широком диапазоне токов разряда и заряда, а также температуры.

Заряжать аккумуляторы никель-кадмиевого типа можно при низких температурах, что объясняется высокой нагрузочной способностью. Они не требовательны к типу затяжного устройства. Это существенное преимущество. Оно выделяет устройство из массы других разновидностей, так как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор можно в любых условиях. Он устойчив к механическим нагрузкам, пожаробезопасен. Аккумуляторы никель-кадмиевой разновидности имеют более 1000 циклов зарядки и обладают способностью восстановления после понижения емкости.

Низкая стоимость вместе с перечисленными преимуществами делают NiCd-аккумуляторы очень популярными.

Недостатки

Устройство никель-кадмиевого аккумулятора имеет и ряд недостатков. Основным из них является "эффект памяти".

В течение нескольких циклов зарядки-разрядки происходит изменение структуры поверхности электродов. При этом в сепараторе образовываются химические соединения, которые впоследствии будут мешать разрядке малыми токами. Это приводит к запоминанию источником своего неполного разряда.

Заряд никель-кадмиевых аккумуляторов чем дальше, тем больше будет терять свою эффективность. Источник будет иметь всё меньшую емкость.

Недостатком также является высокий саморазряд в течение первых суток до 10 % после зарядки. Минусом можно считать также большие габариты.

Зарядка

Чтобы разобраться, как заряжать никель-кадмиевые аккумуляторы, следует учесть ряд особенностей этого процесса.

Быстрый режим зарядки для представленных источников питания предпочтительнее, чем медленный. Импульсное пополнение емкости для них лучше, чем постоянный ток.

Рекомендуется выполнять восстановление устройства. Этого требуют никель-кадмиевые аккумуляторы. Как заряжать их подобным методом, учли производители соответствующих устройств. Реверсивный заряд ускоряет процесс благодаря рекомбинации газов, выделяющихся во время его проведения.

Представленная техника осуществления восстановления подобных батарей позволяет увеличить срок эксплуатации до 15 %. Как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор? Существует целая технология. Некоторые пользователи для увеличения отдачи применяют быструю зарядку с последующей дозаправкой слабыми токами. Это позволяет более плотно наполнить аккумулятор.

Хранение и утилизация

Хранить представленные батареи следует в разряженном состоянии. Существуют зарядные устройства, в которых предусмотрена функция разряда. Если же таковой не имеется, перед хранением никель-кадмиевые аккумуляторы опустошают при помощи лампы накаливания с допустимым током 3-20 А. Батарею подключают к ней и ждут, пока спираль не начнет краснеть.

Такая процедура позволит хранить устройство довольно длительное время. Причем условия окружающей среды, перепады температуры не будут иметь воздействия на устройство.

Если требуется утилизировать представленную разновидность батарей, следует отдать их на особый пункт приема подобных устройств. Во всех развитых странах они есть. Это связано с наличием в аккумуляторе кадмия. По своей токсичности он сопоставим с ртутью.

Понимая технологию того, как зарядить никель-кадмиевый аккумулятор, хранить его и утилизировать, можно не сомневаться в безопасности и долговечности этого источника питания. Он не навредит экологии и здоровью человека при ответственной утилизации батарей.

Восстановление

Аккумуляторы никель-кадмиевого типа являются единственной разновидностью подобных устройств, которые нуждаются в восстановлении.

Периодическое проведение цикла разряд-заряд позволит увеличить срок эксплуатации батарей. Этого не следует делать слишком часто, но время от времени это просто необходимо.

Для проведения восстановления существует два типа устройств. Первое называется реверсивно-импульсным зарядным устройством с разным временем продолжительности. Это очень эффективное устройство, но сложное и дорогостоящее. Восстановление никель-кадмиевых аккумуляторов можно выполнять более простым устройством. Оно совершает цикл разряда-заряда автоматически. Такое устройство дешевле, удобнее и позволяет заряжать сразу 2-4 батареи.

Для проведения процесса необходимо вставить аккумуляторы в кассету оборудования. При помощи переключателя задается число аккумуляторов. Включение прибора в сеть приведет в действие индикатор. Красный цвет соответствует зарядке, а желтый - разрядке. Зеленый свет индикатора оповещения о прекращении процесса. Разряжать батареи следует принудительно. Для этого на приборе необходимо переключить определенный рычаг. После окончания разрядки устройство продолжит процесс зарядки автоматически.

Ознакомившись с основными характеристиками такого источника питания, как никель-кадмиевые аккумуляторы, можно правильно их эксплуатировать. Придерживаясь инструкции производителя, регулярно выполняя восстановление батарей, можно значительно продлить их срок службы. Правильно утилизируя представленное устройство, достаточно просто будет обезопасить себя, других людей и экологию в целом от токсического воздействия кадмия.

Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы с этого года запрещены к производству в странах Евросоюза, эти неустанные труженики до сих пор используются во многих недорогих и мощных автономных устройствах (шуруповерты, электробритвы, фонари).

Даже если в инструкции по эксплуатации о типе аккумулятора устройства ничего не сказано, определить то, что именно никель-кадмиевый аккумулятор служит источником тока достаточно просто - чаще всего время зарядки указывается в диапазоне 5-12 часов и присутствует указание на необходимость самостоятельного отключение зарядного по истечению времени заряда.

Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для мощных автономных устройств. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузке без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристаллы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

Никель-кадмиевые аккумуляторы являются самыми «дуракоустойчивыми» из современных массовых аккумуляторов - для их использования не требуется даже системы мониторирования параметров аккумулятора, что определяет их использование в недорогих и мощных устройствах.

Зарядка малыми токами за 5-12 часов позволяет обойтись без каких-либо предосторожностей в виде систем контроля заряда-разряда. При перезаряде аккумулятор просто медленно будет терять емкость (на радость производителя). Необходимо помнить об этом при использовании «bad-boy» зарядных устройств (зарядных без механизма автоматического контроля заряда). Поэтому, лучше всего заряжать полностью разряженный аккумулятор и строго соблюдать время зарядки, что позволит сохранить емкость NiCd аккумулятора достаточно долгое время.

При использовании «быстрой» зарядки (со временем заряда менее 5 часов) желательно иметь зарядное устройство с температурным датчиком, поскольку при заряде повышается температура аккумулятора, вместе с температурой растет емкость, с ростом емкости зарядный прибор может перезарядить батарею свыше необходимого уровня, что приводит к еще большему росту температуры (явление «терморазгона» аккумулятора) и, как минимум, к ухудшению параметров батареи. Подобная ситуация существует и при заряде батареи при низких температурах. Температурный датчик позволяет сдвинуть параметры заряда в зависимости от температуры аккумулятора, а также отключить батарею от заряда при превышении скорости роста температуры выше 1 градуса Цельсия в минуту или по достижении температуры батареи в 60 градусов Цельсия что позволяет избежать трагических последствий терморазгона.

В качестве иллюстрации необходимости термодатчика в зарядном могу привести пример двухлетней давности заряда никель-кадмиевой батареи для профессионального шуруповерта на зарядном без термодатчика (на фото - это самое зарядное устройство), позволяющего заряжать батарею ускоренным темпом – за час. В то время была температура в квартире около 30°C, зарядное автоматически должно заряжать аккумулятор до достижения целевого напряжения и автоматически отключаться, что английским по-белому было сказано в инструкции в разделе безопасность. Утром первый аккумулятор из комплекта был заряжен без всяких эксцессов – через 50 минут зарядное отключилось, ближе к вечеру второй аккумулятор при заряде преподнес сюрприз: из-за отсутствия термодатчика в зарядном, батарея вошла в режим терморазгона. Так как заряд был ускоренным проблема была замечена поздно – когда аккумулятор пошел дымом и стал разбрызгивать горячий электролит. Быстро отключенный от сети зарядник удалось спасти. Аккумулятор же еще долго сопел в агонии, пытаясь причинить как можно больше вреда при отходе в мир иной, однако ему это не удалось и вред ограничился стоимостью самого аккумулятора – 15USD. С тех пор зарядное подключается к сети через таймер.

Несмотря на свои недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы до сих пор существуют среди нас. Надеюсь, немного теории и практического опыта, изложенного в статье, позволят читателю получить от никель-кадмиевого аккумулятора своего устройства максимум того, на что он способен.

Никель-кадмиевый аккумулятор (НК) является одним и старейших и наиболее хорошо изученных типов химических источников тока. Никель-кадмиевая химическая система была предложена в 1899 году Вальдемаром Джунгером, что в историческом смысле ставит НК на второе место после свинцово-кислотных аккумуляторов. Спустя сравнительно короткое время, НК аккумуляторы начали активно использоваться в различных областях индустрии, а после изобретения способа изготовления герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов (НКГ) последовало резкое улучшение эксплуатационных качеств, что еще более расширило границы применения НКГ.

Именно по этой причине, компания АО "НИАИ "Источник" специализируется на производстве НКГ аккумуляторов, обладающих высочайшими потребительскими характеристиками:

• Отсутствие необходимости в обслуживании
• Отсутствие выделения газа и электролита
• Способность работать в любом положении
• Устойчивость к тяжелым климатическим условиям
• Механическая прочность и устойчивость к сверхзаряду
• Большой срок службы (до 7 лет)
• Высокая сохраняемость заряда и высокая стабильность характеристик.

Никель-кадмиевый аккумулятор состоит из двух рабочих электродов. В разряженном состоянии положительный электрод содержит гидрат закиси никеля, а отрицательный - гидроксид кадмия. Электроды и сепаратор имеют достаточно большую пористость и пропитаны водным раствором щёлочи.

Основная реакция, протекающая в аккумуляторе, описывается уравнением:

2 Ni (OH) 2 +Cd (OH) 2 2Ni OOH+Cd+H 2 O

Во время заряда из активной массы электродов в электролит выделяется вода, которая разбавляет электролит и увеличивает его объём. Во время разряда происходит обратный процесс.

В конце заряда на положительном электроде идёт побочная реакция выделения кислорода:

4 OH - O 2 + 2 H 2 O +4e

Выделившийся на положительном электроде кислород ионизируется на отрицательном электроде.

Конструкция аккумуляторов и аккумуляторных батарей (АБ)

Электроды . В герметичных призматических никель-кадмиевых аккумуляторах применяются спечённые (металлокерамические) электроды, состоящие из подложки, выполненной из растяжной никелевой решётки, на которую нанесён высокопористый слой никеля. Пористый слой заполняется активной массой с помощью химической пропитки. В последнее время в качестве основы электродов стал применяться пеноникель, получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В пеноникель вмазывается активная электродная масса.

Аккумуляторы . Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах. Улотнение борнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощи резиновых колец. В качестве сепараторов используются ткани и нетканные материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона и других материалов. Могут комбинироваться несколько слоёв сепараторов из различных материалов.

В герметичных аккумуляторах ёмкость отрицательного электрода должна быть больше, чем ёмкость положительного. Экспериментально определяемое соотношение емкостей должно быть не менее 1,2. Такое соотношение позволяет избежать выделения водорода на отрицательном электроде.

В качестве электролита используются 20-40 % раствор КОН с добавкой LiOH. Конкретный состав электролита выбирается в зависимости от температуры при эксплуатации. Если аккумуляторы предназначены для работы при отрицательной температуре, то концентрацию КОН повышают, а содержание LiOH уменьшают до нуля. Улучшение работоспособности при повышенной температуре достигается использованием 20-30 процентный раствора КОН с добавкой 15-50 Г/л LiOH. Для герметичных аккумуляторов большое значение имеет правильный выбор количества электролита, что также определяется условиями эксплуатации аккумулятора. Для поглощения кислорода, выделяющегося при заряде, необходимо, чтобы часть порового пространства отрицательного электрода и сепаратора была свободна от электролита. При слишком большом количестве электролита поглощение кислорода замедляется, и аккумулятор во время заряда может деформироваться (при заряде по времени) или преждевременно отключиться от заряда при срабатывании сигнализатора давления. При недостаточном количестве электролита, особенно при малых токах заряда и повышенной температуре окружающей среды аккумулятор может попасть в так называемый «тепловой разгон», когда из-за повышенной скорости ионизации кислорода аккумулятор начинает разогреваться, в результате чего напряжение на нём снижается. При ещё большем уменьшении количества электролита это начинает сказывается на разрядных характеристиках аккумулятора. В различных типах аккумуляторов количество электролита колеблется от 2 до 4 см 3 /Ач. С увеличением концентрации электролита его плотность растёт, а объём уменьшается.

Батареи . Крепление аккумуляторов в батарее должно обеспечить отсутствие перемещения любого из них при механических перегрузках. Расположение герметичных аккумуляторов в пространстве произвольное, но вниз крышкой не рекомендуется, особенно для аккумуляторов с аварийным клапаном, т.к. в конце заряда часть электролита из блока электродов стекает на крышку аккумулятора. Межэлементные соединения должны быть рассчитаны на минимальные потери напряжения и не вызывать механических нагрузок на токовыводы аккумуляторов. Пайка непосредственно к корпусу или крышке аккумулятора не допускается. В батареях из герметичных аккумуляторов рекомендуется предусматривать выводы от каждого аккумулятора, выполняемые по двухпроводной схеме, при помощи которых осуществляется поэлементный доразряд и контроль за напряжением аккумуляторов. Если поэлементный контроль вызывает затруднения, то допускается контролировать напряжение на группах из 2-5 аккумуляторов. Напряжение на каждой группе должно контролироваться автоматическим устройством, прекращающем разряд при достижении предельно допустимого напряжения. Потребление устройства на собственные нужды должно быть минимальным при работе и равным нулю при хранении батареи в составе изделия. Значения уставок должны составлять:

• для одного аккумулятора - (0,5 ± 0,4) В,
• для двух аккумуляторов - (1,7 ± 0,3) В,
• для трёх аккумуляторов - (2,8 ± 0,2) В,
• для четырёх аккумуляторов - (3,8 ± 0,2) В,
• для пяти аккумуляторов - (5,0 ± 0,2) В.

Если в батарее не более пяти аккумуляторов, контроль напряжения ведётся на выводах батареи. Если батарея не делится на одинаковое количество групп, то допустим перекрёстный контроль нескольких аккумуляторов соседними отключающими устройствами.

Обозначение аккумуляторов и батарей

В наименовании аккумуляторов буквы НК указывают на электрохимическую систему (никель-кадмиевая). Буква Г относятся к конструктивному исполнению аккумуляторов - герметичные. После букв через тире проставляют номинальную ёмкость аккумулятора. За значением номинальной ёмкости проставляются буквы, указывающие режим разряда: К - короткий (менее 1 часа), С - средний (2-8 ч), Д - длинный (10-20 ч). Буква А ставится в тех случаях, когда аккумулятор снабжён датчиком давления. Цифры перед буквенным обозначением аккумулятора соответствуют количеству аккумуляторов в батарее. В отдельных случаях в конце обозначения записывается климатическое исполнение и категория размещения.

С 1993 г. введён ГОСТ 26367.3-93 (МЭК 622-88) на герметичные призматические никель-кадмиевые аккумуляторы, являющийся прямым применением соответствующего стандарта МЭК, которым предусматриваются следующие обозначения аккумуляторов латинским шрифтом. Первая буква K относится к никель-кадмиевой электрохимической системе. Далее записывается одна из букв, обозначающих форму корпуса: С - призматический (герметичный), R - В - дисковый. После этого для герметичных призматических аккумуляторов указывается вид положительной пластины: Р - ламельная, S - спечённая (металлокерамическая). Затем для всех типов аккумуляторов записывается режим разряда: L - длительный, М - средний, Н - короткий, Х - сверхкороткий, после чего для призматических аккумуляторов указывается номинальная ёмкость, а для дисковых и цилиндрических - диаметр и высота (через дробь). Для дисковых аккумуляторов габариты указываются в десятых долях миллиметра. В конце обозначения записывают класс стойкости к воздействию температуры. Класс I - температура от -30 до 50 о С (без обозначения); класс II - от -40 до 60 о С; класс III - от -60 до 60 о С.

Обозначение батареи состоит, как правило, из обозначения аккумулятора, перед которым стоит цифра, указывающая количество аккумуляторов в батарее. В конце иногда указывают климатическое исполнение батареи (например, 10НКГ-8К-В1). В некоторых случаях производитель даёт батарее условный индекс (например, 11МО1).

Способы заряда

Заряд аккумуляторов, как правило, проводится постоянным током, при этом аккумуляторам сообщается 105-150 % номинальной ёмкости. Ток заряда обычно составляет 0,1-0,3 Сн. Для герметичных аккумуляторов кроме контроля времени заряда применяется также контроль конечного напряжения заряда, внутреннего давления (при помощи сигнализаторов давления) и сообщенной ёмкости (при помощи электронных счётчиков ампер-часов). В некоторых случаях применяют датчики максимального напряжения, уставка срабатывания которых зависит от температуры и (или) тока заряда, или термореле, выдающие сигнал на отключение заряда при повышении температуры до заданного значения.

Хотя герметичные аккумуляторы дороже открытых и для первых требуется более сложное зарядное и контрольно-испытательное оборудование, эксплуатационные расходы для них меньше, чем для открытых аккумуляторов, так как для герметичных аккумуляторов не требуются устройства вентиляции и периодическая доливка электролита, что связано с содержанием дополнительного персонала.

Эффективность заряда зависит от температуры и тока заряда. С увеличением тока заряда напряжение заряда возрастает. Для герметичных аккумуляторов следует избегать условий, при которых напряжение заряда достигает значений 1,6 В, т.к. это способствует выделению водорода. Для аккумуляторов, предназначенных для коротких режимов разряда, с увеличением тока заряда разрядная ёмкость возрастает, а для аккумуляторов, предназначенных для средних режимов, проходит через максимум. Оптимальным является заряд при температуре 15-25 о С током 0,1-0,5 Сн. С повышением температуры заряда и снижением тока заряда отдаваемая при разряде ёмкость снижается и может составлять до 50-70 % от номинальной. В диапазоне температур 15-25 о С возможен заряд герметичных аккумуляторов при постоянном напряжении 1,45 - 1,50 В. При напряжениях выше 1,5 В заряд при постоянном напряжении не рекомендуется, т.к. в результате перегрева аккумуляторы могут быть перезаряжены. Перезаряд аккумуляторов при заряде их от источника с постоянным напряжением опасен в результате явления, получившего название «тепловой разгон». Суть его заключается в том, что когда аккумуляторы полностью заряжены, весь ток расходуется на выделение на положительном электроде кислорода, большая часть кислорода, в свою очередь, поглощается на кадмиевом электроде, в результате чего практически всё проходящее электричество превращается в тепло, и аккумулятор начинает быстро разогреваться. С повышением температуры напряжение аккумуляторов снижается, что приводит к повышению тока заряда и дальнейшему лавинообразному разогреву. Если при комнатной температуре «тепловой разгон» открытых аккумуляторов начинается при напряжениях, близких к 1,7 В, то после длительного перезаряда, сопровождавшегося перегревом, тепловой разгон может начинаться и при напряжении 1,3 В. Обычно это происходит в процессе длительного заряда при постоянном напряжении, когда в результате разогрева аккумулятора ток ионизации кислорода на отрицательном электроде возрастает настолько, что скорость прохода кислорода через сепаратор и скорость выхода кислорода из блока электродов становятся соизмеримыми. После нескольких циклов в таких условиях кадмиевый электрод пассивируется до такой степени, что при заряде на нём выделятся водород. Для герметичных аккумуляторов тепловой разгон может начаться при напряжениях ниже 1,7 В, поскольку в них весь выделяющийся при заряде кислород должен поглотиться внутри аккумулятора. Для того чтобы избежать теплового разгона следует размещать батарею вдали от источников тепла (двигатели, мощные приборы и т.п.), тщательно выбирать режим заряда, а сам заряд проводить на автоматизированных стендах, имеющих несколько уровней зашиты (по времени заряда, напряжению, току, по ёмкости и т.д.). Необходимо, чтобы погрешность стабилизации напряжения была не более ±1 %. При выборе напряжения заряда необходимо, чтобы после сообщения аккумулятору 110 - 150 % номинальной ёмкости значение зарядного тока не превышало 0,02 - 0,003 Сн А. Заряд при повышенных напряжениях можно использовать только при одновременном ограничении его длительности. При низкой температуре заряд при постоянном напряжении теряет свою эффективность из-за значительного снижения токов заряда.

При параллельном соединении батарей заряжать их надо через разделительные диоды или подключать каждую батарею к собственному зарядному устройству. Батареи не следует длительное время хранить в заряженном или полузаряженном состоянии (кроме, конечно, батарей хранения), т.к. из-за различия токов саморазряда аккумуляторов может появиться разбаланс по степени заряженности, что с одной стороны создаёт опасность перезаряда наиболее полно заряженных аккумуляторов, что снижает ёмкость батареи вследствие падения напряжения наиболее разряженных аккумуляторов. Разбаланс по уровню заряженности может привести к переполюсовке одного из аккумуляторов во время разряда и выделению на оксидно-никелевом электроде водорода, что может сопровождаться срабатыванием клапана или сигнализатора давления и даже деформацией герметичных аккумуляторов. Перед длительным хранением в разряженном состоянии рекомендуется доразрядить каждый аккумулятор на индивидуальные резисторы до напряжения не выше 0,1 В, что позволяет выровнять заряженность аккумуляторов.

Срок службы никель-кадмиевых батарей

Ресурс аккумуляторов определяется как их конструкцией, так и режимом эксплуатации. Если конкретный тип аккумулятора не имеет явных конструктивных недостатков, то определяющим фактором являются условия эксплуатации. В большинстве случаев циклирование аккумуляторов является наиболее часто употребимым способом их эксплуатации. Достаточно широкое распространение получило использование аккумуляторов в аварийных режимах, когда заряженные аккумуляторы большую часть времени хранятся в заряженном состоянии, как правило, при небольшом токе подзаряда, который компенсирует саморазряд аккумуляторов и небольшое снятие ёмкости при кратковременных подключениях аккумуляторов на нагрузку.

Работоспособность аккумуляторов при различных режимах циклирования

К основным параметрам режима эксплуатации относятся ток разряда, разрядная ёмкость, способ защиты от переразряда, ток заряда, способ защиты от перезаряда, температура. При разряде никель- кадмиевые аккумуляторы нагреваются, а в начале заряда до того как начнётся интенсивное выделение кислорода - охлаждаются.

Увеличение тока разряда и снижение температуры ведут к снижению среднего напряжения разряда и потере ёмкости, если защита от перезаряда основана на прекращении разряда при снижении напряжения до достаточно высокого уровня (выше чем 1 В на аккумулятор). Срок службы существенно зависит и от глубины разряда. Он уменьшается почти в 10 раз при её изменении от 10 до 70 %.

Снижение тока заряда ведёт к увеличению длительности заряда и уменьшению коэффициента использования тока, в результате чего снижается разрядная ёмкость, особенно, если температура заряда превышает 30 о С. Увеличение тока заряда также может приводить к снижению разрядной ёмкости, если заряд прекращается при достижении достаточно низкого напряжения (менее 1,5 В при 25 о С). КПД по энергии колеблется от 70 до 85 % и растёт при увеличении напряжения разряда, снижении напряжения заряда и увеличении КПД по току.

Срок службы герметичных аккумуляторов зависит также от сочетания значений конечного напряжения заряда и конечного напряжения разряда. Наибольшие потери ёмкости происходят при циклировании режимами, где заряд ограничивается низким напряжением (около 1,48 В), а разряд - высоким напряжением (1,10 - 1,16 В). Достаточно быстро снижается ёмкость и в тех случаях, когда заряд постоянно прекращается по срабатыванию сигнализатора давления, а глубина разряда находится на уровне 15 - 20 % с ограничением разряда по напряжению (не ниже 1,09 В). В этом случае кислород не успевает поглощаться, и избыточное давление в аккумуляторе находится на уровне 123 - 147 кПа, при этом увеличивается крутизна зарядных и разрядных кривых. Изменение характеристик связано с пассивацией активных масс электродов.

Снижение напряжения разряда может вызвано образованием в активной массе кадмиевого электрода интерметаллического соединения Ni5Cd21, которое разряжается при напряжении на аккумуляторе 1,05 - 0,95 В (так называемая «вторая площадка» или «эффект памяти»). Наиболее характерно образование этого сплава для электродов, полученных пропиткой спечённых основ. Образованию сплава способствуют заряды при повышенной температуре. Интерметаллическое соединение полностью разрушается при разряде аккумулятора до 0,8 - 0,5 В. Лучше всего проводить поэлементный разряд батареи на сопротивления, при этом напряжение каждого аккумулятора снижается до нуля вольт без опасности переполюсовки. После поэлементного доразряда ёмкость аккумуляторов восстанавливается до значений, близких к первоначальным.

Потери ёмкости уменьшаются при снижении конечного напряжения разряда с 1,16 до 1,04 В и увеличении конечного напряжения заряда с 1,48 до 1,54 В. Наибольшей стабилизации ёмкости можно добиться, уменьшив конечное напряжение разряда до 0,5-0,8 В. При дополнительном проведении периодических закорачиваний на сопротивления каждого аккумулятора батареи до нуля вольт ёмкость может даже увеличиться по сравнению с начальной

Работоспособность аккумуляторов при подзаряде

В режиме длительного подзаряда используются в основном призматические аккумуляторы. Срок эксплуатации в зависимости от тока подзаряда составляет от 2 до 15 лет и более. Оптимальным является ток, численно равный 0,001 - 0,005 Сн А. При увеличении тока подзаряда срок службы и надёжность сокращаются. При эксплуатации в режиме подзаряда типы отказов те же, что и при циклировании, но их интенсивность ниже.

На первом разряде после длительного подзаряда напряжение батареи несколько ниже, чем у свежезаряженных, но после нескольких циклов оно быстро возвращается к нормальному уровню. Снижение напряжения разряда после длительного подзаряда связано с уменьшением уровня заряженности положительного электрода.

Ёмкость аккумулятора после 10 лет подзаряда до 25 %, а после 16 лет - до 35 % выше начальной, что свидетельствует об увеличении ёмкости положительного электрода. При определении ёмкости электродов в избытке электролита в негерметичном виде установлено, что ёмкость положительного электрода возросла на 58 - 70 %, а ёмкость отрицательных электродов на 10 - 13 %. Ёмкость отрицательного электрода падает. После длительного подзаряда практически весь избыток ёмкости отрицательного электрода находится в заряженном состоянии, поэтому на разряде ёмкость аккумулятора ограничивается не положительным электродом, как в начале срока службы, а обоими электродами сразу. Напряжение заряда аккумуляторов после 10 лет подзаряда находится на обычном уровне и не превышает 1,5 В. После 16 лет подзаряда на контрольном цикле напряжение заряда повышается до 1,55 - 1,58 В, а у трети аккумуляторов оно достигает 1,6 - 1,7 В, причём, повышение с 1,55 до 1,65 В происходит в конце заряда, что также является следствием избыточной заряженности отрицательного электрода. Причины этих явлений те же, что и при циклировании аккумуляторов.

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы нашего производства нашли самое широкое применение в космической, военной, общепромышленной и бытовой технике.

В настоящее время, АО «НИАИ Источник» является единственным в России разработчиком и одновременно изготовителем герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей для космических аппаратов. Нами выпускается 10 типов аккумуляторов НКГ, которые применяются в 21 батареях, работающих и работавших на таких космических аппаратах, как:

• Международная космическая станция
• Орбитальные станции «Мир», «Салют» и «Алмаз».
• Межпланетные станции «Марс», «Венера» и «Вега»
• Спутники серий «Метеор», «Молния», «Астрон», «Надежда» и «Космос».

Кроме того, аккумуляторы типа НКГ применяются в наземных установках ракетных войск стратегического назначения, на кораблях, подводных лодках и прочих объектах, где требуется обеспечение энергий вне зависимости от обстоятельств.

Руководитель отдела никель-кадмиевых аккумуляторов,

кандидат технических наук,