Кадмиевый аккумулятор – Что нужно знать про никель-кадмиевые аккумуляторы

Что нужно знать про никель-кадмиевые аккумуляторы

На современном этапе существует множество аккумуляторов, которые имеют разный химический состав и, по причине присутствия в них тех или иных элементов, свои характерные особенности и преимущества в эксплуатации. Никель-кадмиевые аккумуляторы появились давно. Но до сих пор являются популярными и нужными в разных сферах человеческой деятельности.

Содержание статьи

Из истории создания

Первые щелочные Ni-Сd аккумуляторы появились еще в конце ХХ века. Их изобрел шведский ученый Вальдмар Юнгнер, в качестве положительного заряда использовав никель, а кадмий — в качестве отрицательного. Несмотря на очевидную пользу этого изобретения, по тем временам массовое производство таких батарей было весьма дорогостоящим и энергоемким. Поэтому было отложено на промежуток почти в 50 лет.

30-е годы прошлого столетия замечательны тем, что именно тогда была создана техника внедрения химически активных материалов пластин на пористый электрод, покрытый никелем. Массовое же производство Ni-Cd аккумуляторов началось после 50-х годов.

Основные характеристики и преимущества

Никель-кадмиевые аккумуляторы, в большинстве случаев, имеют цилиндрическую форму. Поэтому в простонародье их часто называют «банками». Есть и плоские Ni батарейки — например, для часов. Все зарядные элементы такого типа имеют сравнительно небольшую емкость, если сопоставлять их с никель-металлогидридными АКБ (Ni-MH), появившимися значительно позже с целью усовершенствования Ni-Cd аккумуляторов.

Однако более низкие показатели емкости не являются тем недостатком, который мог бы стать причиной для того, чтобы старый добрый кадмиевый аккумулятор был окончательно снят с производства. Один из его несомненных плюсов — это то, что при эксплулатации он нагревается не так быстро, как MH. Это значительно снижает риск его перегрева и преждевременного выхода из строя.

Более медленный процесс нагревания Ni-Cd обусловлен тем, что химические реакции, протекающие внутри них, являются эндотермическими. Иными словами, выделяемое во время реакций тепло поглощается внутри. Что касается MH, они отличаются от кадмиевых экзотермическими реакциями с выделением большого количества тепла. В связи с этим MH нагреваются гораздо быстрее и могут «перегореть», если вовремя не прекратить их использование.

Ni-Сd аккумуляторы имеют плотный металлический корпус, отличающийся повышенной прочностью и хорошей герметичностью. Они способны устоять при любых химических реакциях внутри и выдержать большое давление газов даже в самых худших условиях. Вплоть до понижения температуры до -40°С. Никель кадмиевые-аккумуляторы не подвержены риску самовозгорания, в отличие от современных литиевых.

Среди них есть мощные и надежные промышленные аккумуляторы Ni, которые могут полноценно работать в течение 20-25 лет. И, несмотря на то, что на смену этим АКБ уже давно пришли MH и литиевые с большей емкостью, Ni-Cd аккумуляторы продолжают активно применяться и по сей день.

Если говорить о ценовой категории, стоимость Ni-Cd значительно ниже, чем у других батарей. Это также является одним из их основных плюсов.

Сфера применения

Небольшие Ni-Cd аккумуляторы широко используются для питания различной бытовой техники и аппаратуры, преимущественно, в тех случаях, когда тот или иной прибор потребляет большое количество тока. Стандартные «банки» до сих пор обеспечивают работу электродрелей и шуруповертов. Элементы больших размеров незаменимы в общественном транспорте. Например, в троллейбусах или трамваях с целью питания цепей их управления, в судоходном деле и особенно в сфере авиации как бортовые вторичные источники тока.

Особенности эксплуатации

Поскольку Ni-Cd аккумуляторы заметно нагреваются, только если они заряжены полностью, большая часть устройств «понимает» это в качестве сигнала, по которому следует прекращать процесс зарядки. Для того чтобы они работали дольше, их рекомендуется быстро заряжать, а использовать — до полного разряда: в отличие от MH, никель-кадмиевые аккумуляторы глубокой разрядки не боятся.

Этот вид АКБ — единственный из элементов питания, которые рекомендуется хранить полностью разряженными, в то время, как MH следует хранить заряженными полностью, и им периодически нужна проверка напряжения на выходе. Такая разница, при существенном отличии в эксплуатации, безусловно, является еще одним очевидным пунктом в пользу Ni-Cd.

При долгом хранении без использования в разряженном виде с батарейками не случится ничего страшного. Но, чтобы привести их в рабочее состояние, нужно два-три раза провести им полный цикл «заряд-разряд». Лучше делать это незадолго до применения, можно за сутки, и тогда никель-кадмиевые аккумуляторы будут работать с оптимальной токоотдачей.

Любой Ni-Cd, применяемый в быту, при его питании током небольшой величины и периодической неполной разрядкой может значительно потерять емкость, что создает впечатление полного выхода АКБ из строя. Если Ni-Cd долгое время находился на подзарядке, например, в устройстве с постоянным питанием, он тоже лишится определенного показателя ёмкости, хотя уровень его напряжения, при этом, будет верным.

Это значит, что использовать Ni-Cd в режиме постоянной подпитки и «недоразряда» не стоит, а если такое все же произошло с батарейкой, одного цикла глубокой разрядки с последующим полным зарядом будет достаточно для того, чтобы емкость была восстановлена.

Такой эффект называется «эффектом памяти» и возникает, когда не до конца разряженная батарея подвергалась подзарядке раньше, чем она разрядится полностью. Дело в том, что при производстве никель-кадмиевых аккумуляторов используются так называемые прессованные электроды. Это очень удобно, так как «прессовка» высокотехнологична и обходится дешевле. Но именно ее химический состав склонен к «эффекту памяти» — иными словами, к появлению в электрохимическом составе АКБ «лишнего» двойного электрического слоя в виде крупных кристаллов, что обусловливает снижение напряжения.

Именно поэтому Ni-Cd элементы так «любят» полный и глубокий разряд, после которого, «очистив память», они могут долгое время работать полноценно.

Восстановление никель-кадмиевого аккумулятора

Среди любителей электроники постоянно ведутся споры и разговоры о том, что делать, если Ni-Cd аккумулятор вышел из строя, как восстановить Ni и насколько целесообразно это делать вообще. Конечно, гораздо проще сразу приобрести новую батарею. Но бывает и так, что в ближайшее время это сделать невозможно: замены просто не оказалось под рукой, а ближайший магазин находится далековато. Поэтому тем, кто постоянно работает, например, с электрическими инструментами, время от времени приходится заниматься восстановлением никель-кадмиевых аккумуляторов очень интересными способами. Как произвести ремонт аккумулятора шуруповерта, например?

Восстановление водой

Можно попробовать провести восстановление работоспособности Ni-Cd аккумуляторов с помощью самого обычного электролита в виде дистилированной воды.

Для этого понадобится несколько нехитрых инструментов и приспособлений:

• паяльная кислота;
• одноразовый шприц;

  паяльник;

• немного дистилированной воды.

Обычно аккумуляторный блок, находящийся внутри дрели или шуруповерта, выглядит как связка из нескольких металлических «банок», обернутых плотной бумагой. Для того чтобы понять, какая «банка» в связке самая слабая, нужно вначале измерить напряжение на полюсах каждого элемента. Как проверить напряжение? Очень просто, с помощью мультиметра или тестера. Чаще всего, показатель напряжения у самых слабых «банок» близок или равен нулю.

Для того чтобы начать процесс восстановления, нужно просверлить в батарейке небольшое отверстие, предварительно освободив ее от бумаги или этикетки. Сделать это можно с помощью шуруповерта, используя острый саморез №16. Важно позаботиться о том, чтобы не повредить внутренность аккумулятора, а просверлить только его внешнюю оболочку.

В данном случае стоит отметить еще одно несомненное преимущество: в таких батареях, вследствие их конструкции, повышенной герметичности и особенности протекающих химических реакций, не происходит самопроизвольного возгорания. Поэтому любительские методы возвращения никель-кадмиевых элементов к жизни являются безопасными, в отличие от проведения подобного рода манипуляций с современными литиевыми батареями, склонными к взрывам и вздутиям.

В одноразовый шприц набирается 1 мл дистилированной воды, и АКБ постепенно заполняется ею. При этом важно не торопиться, следить за тем, чтобы вода постепенно проникала внутрь батареи. Дистилированная вода нужна для возвращения и создания необходимой плотности электролита внутри АКБ. После того как вода будет залита, отверстие закрывается паяльной кислотой, которая берется на спичку, и запаивается хорошо разогретым паяльником.

Некоторые умельцы утверждают, что, если вместо дистилированной воды залить внутрь батареи электролит от шахтерских фонариков, АКБ будет работать гораздо лучше и дольше.

В заключение нужно снова провести замеры напряжения мультиметром и поставить аккумулятор на зарядку. Конечно, паяная батарея прослужит недолго, но это может помочь выиграть какое-то время перед приобретением новой.

Восстановление методом запзаппинга

Для никель-кадмиевых аккумуляторов существует проверенный, но весьма рискованный метод восстановления, который называется запзаппинг. Суть его заключается в том, что батарейки подвергаются коротким разрядам очень высоких токов, в десятки раз превышающих норму. Каждый элемент в буквальном смысле слова «прожигается» короткосекундными токовыми импульсами в 10, 20 ампер и выше.

Запзаппинг требует хорошей подготовки любителя электроники и соблюдения техники безопасности в виде защитных очков и, желательно, спецодежды. Утверждается, что он восстанавливает элементы, не употреблявшиеся 20 лет и более. Следует помнить о том, что запзаппинг применим исключительно к никель-кадмиевым аккумуляторам. Восстановление Ni-MH аккумуляторов таким способом проводить не рекомендуется.

Цикл разряд-заряд

Для того чтобы устранить «эффект памяти», нужно разрядить АКБ до 0,8-1 вольта, после чего полностью зарядить ее снова. Если батарея не восстанавливалась в течение долгого времени, таких циклов можно провести несколько, а для минимизации «эффекта памяти» тренировать батарею таким образом желательно раз в месяц.

Что же касается популярного «школьного» метода, подразумевающего заморозку NiСd или NiMH аккумуляторов в морозильной камере — невзирая на то, что эффективность этого способа весьма сомнительна, в сети можно найти большое количество информации о «восстановлении» батареек путем помещения их в холодильник. На самом деле, лучше применить способ восстановления элементов дистиллированной водой — по крайней мере, в данном случае шансов реанимировать их будет гораздо больше.

Итак, никель-кадмиевые аккумуляторы не уступают современным батареям по ряду преимуществ своих технических характеристик. Они по-прежнему надежные, прочные, недорогие и максимально безопасны в применении.

auto-gl.ru

Никель-кадмиевый аккумулятор — Википедия

Никель-кадмиевые аккумуляторы Малогабаритные дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы Д-0,03 и зарядное устройство к ним. СССР, 1980-е годы. Малогабаритные дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы Д-0,26, Д-0,06 и зарядное устройство к аккумулятору Д-0,06. Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, 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 — порядка 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 900 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20–25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) наряду с Никель-Солевыми аккумуляторами могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных (NiMH) и литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые нужно хранить заряженными.

История изобретения

В 1899 году Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) из Швеции изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, в котором в качестве положительного электрода использовался никель, а в качестве отрицательного — кадмий. Двумя годами позже Эдисон (Edison) предложил альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой (в сравнении с сухими или свинцово-кислотными аккумуляторами) стоимости, практическое применение никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов было ограниченным.

После изобретения в 1932 году Шлехтом (Shlecht) и Акерманом (Ackermann) спрессованного анода было внедрено много усовершенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Хорошо известный сегодня герметичный никель-кадмиевый аккумулятор стал доступен только после изобретения Ньюманом (Neumann) полностью герметичного элемента в 1947 году.

Принцип действия

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:

2NiOOH + Cd + 2H₂O ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ E⁰ = 1,30 В.

Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С^[1]. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг
• Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг
• Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³
• Удельная мощность: 150…500 Вт/кг
• ЭДС = 1,37 В
• Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В
• Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость
• Срок службы: около 100—900 циклов заряда/разряда.
• 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 пять 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 тяжёлых условиях эксплуатации.

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

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 ёмкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае контроллер побуждает пользователя выполнять всё 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.

Бытовой никель-кадмиевый 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. Для полной разрядки батареи и выравнивания напряжений на каждом разряжаемом элементе можно подключить цепочку из двух кремниевых диодов и резистора на каждый элемент, тем самым ограничив напряжение на уровне 1-1.1 В на элемент. При этом падение напряжения на каждом кремниевом диоде составляет 0,5–0,7 В, поэтому выбирать диоды для цепочки необходимо вручную, используя, например, мультиметр. После длительного хранения батареи необходимо провести два-три цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной ёмкости (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 марганцево-цинковых и марганцево-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, однако здесь намечается тенденция к вытеснению их высокотоковыми батареями различных литиевых систем.

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.

Длительный срок хранения, относительная нетребовательность к постоянному уходу и контролю, способность стабильно работать на морозе до -40 °C и отсутствие возможности возгорания при разгерметизации в сравнении с литиевыми, малый удельный вес в сравнении со свинцовыми и дешевизна в сравнении с серебряно-цинковыми, меньшее внутренне сопротивление, большая надёжность и морозостойкость в сравнении с NiMH обуславливают по-прежнему широкое применение никель-кадмиевых аккумуляторов в военной технике, авиации и портативной радиосвязи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются также в герметичном «таблеточном» конструктиве, наподобие батареек для часов. Электроды в таком аккумуляторе — две прессованные тонкие таблетки из активной массы, сложенные в пакет с сепаратором и плоской пружиной и завальцованные в никелированный стальной корпус диаметром с монету. Используются для питания различных, в основном маломощных, нагрузок (током C/10-C/5). Допускают только небольшие зарядные токи, не более С/10, так как внутри корпуса должна успевать происходить рекомбинация выделяющихся газов. Благодаря замкнутой конструкции допускают длительный перезаряд с непрерывной рекомбинацией и выделением избыточной энергии в виде тепла. Напряжение такого аккумулятора ниже, чем у негерметичного, и мало изменяется в процессе разряда вследствие избытка активной массы катода, создаваемого с целью ускорения рекомбинации кислорода.

Дисковые аккумуляторы (как правило, в батареях по 3 шт. в общей оболочке, типоразмера аналогичного советскому Д-0,06) широко применялись в персональных компьютерах выпуска 1980–90 годов, в частности PC-286/386 и ранних 486, для питания энергонезависимой памяти настроек (CMOS NVRAM) и часов реального времени при отключенном сетевом питании. Срок службы аккумуляторов в таком режиме составлял несколько лет, после чего батарея, в большинстве случаев — впаянная в материнскую плату, подлежала замене. С развитием CMOS-технологии и уменьшением потребляемой мощности NVRAM и RTC аккумуляторы были вытеснены одноразовыми литиевыми элементами ёмкостью порядка 200 мА·ч (CR2032 и др.), устанавливаемыми в гнёзда-защёлки и легко заменяемыми пользователем, с аналогичным сроком непрерывной работы.

В СССР дисковые аккумуляторы были практически единственными доступными в широкой продаже аккумуляторами (кроме автомобильных и, позднее, NiCd размера AA на 450 мА·ч). Помимо отдельных элементов, предлагалась 9-вольтовая батарея из семи аккумуляторов Д-0,1 с разъёмом, аналогичным «Кроне», которая, однако, входила в отсек питания не у всех радиоприёмников, для которых предназначалась. Поставлялись только простейшие зарядные устройства с током С/10, заряжавшие аккумулятор или батарею примерно за 14 часов (время контролировалось пользователем).

Название аккумулятора	Диаметр, мм	Высота, мм	Напряжение, В	Ёмкость, А*ч	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, дозиметры
Д-0,125	20	6,6	1,2	0,125	12,5	аккумуляторные электрические фонарики[уточнить], миниатюрные радиоприёмники
Д-0,26	25,2	9,3	1,2	0,26	26	аккумуляторные электрические фонарики, фотовспышки, калькуляторы (Б3-36)
Д-0,55	34,6	9,8	1,2	0,55	55	прицел ночного видения 1ПН58 (блок из пяти Д-0.55С), фотовспышки, аккумуляторные электрические фонарики, калькуляторы (Б3-34)[1]
7Д-0,125			8,4	0,125	12,5	замена батарее Крона

Производители

NiCd-аккумуляторы производят множество фирм, в том числе такие крупные интернациональные компании, как GP Batteries, Samsung (под брендом Pleomax), VARTA, GAZ, Konnoc, Metabo, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, Ansmann и др. Среди отечественных производителей можно назвать НИАИ (создан на базе Центральной аккумуляторной лаборатории, 1946 г.), «Космос», ЗАО «Опытный завод НИИХИТ», ЗАО «НИИХИТ-2».

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 — более дорогое, 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.
• Описание заряда NiCd-аккумуляторов.

Примечания

1. ↑ Под ред. акад. Ю.Д. Третьякова. Неограническая химия. Том 3. Химия переходных элементов.. — Москва: Академия, 2004. — 368 с. — ISBN 5-7695-1436-1.

wikipedia.green

Никель-кадмиевый аккумулятор — Википедия

Никель-кадмиевые аккумуляторы Малогабаритные дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы Д-0,03 и зарядное устройство к ним. СССР, 1980-е годы. Малогабаритные дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы Д-0,26, Д-0,06 и зарядное устройство к аккумулятору Д-0,06. Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, 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 — порядка 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 900 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20–25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) наряду с Никель-Солевыми аккумуляторами могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных (NiMH) и литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые нужно хранить заряженными.

История изобретения

В 1899 году Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) из Швеции изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, в котором в качестве положительного электрода использовался никель, а в качестве отрицательного — кадмий. Двумя годами позже Эдисон (Edison) предложил альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой (в сравнении с сухими или свинцово-кислотными аккумуляторами) стоимости, практическое применение никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов было ограниченным.

После изобретения в 1932 году Шлехтом (Shlecht) и Акерманом (Ackermann) спрессованного анода было внедрено много усовершенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Хорошо известный сегодня герметичный никель-кадмиевый аккумулятор стал доступен только после изобретения Ньюманом (Neumann) полностью герметичного элемента в 1947 году.

Видео по теме

Принцип действия

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:

2NiOOH + Cd + 2H₂O ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ E⁰ = 1,30 В.

Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С^[1]. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг
• Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг
• Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³
• Удельная мощность: 150…500 Вт/кг
• ЭДС = 1,37 В
• Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В
• Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость
• Срок службы: около 100—900 циклов заряда/разряда.
• 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 пять 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 тяжёлых условиях эксплуатации.

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

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 ёмкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае контроллер побуждает пользователя выполнять всё 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.

Бытовой никель-кадмиевый 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. Для полной разрядки батареи и выравнивания напряжений на каждом разряжаемом элементе можно подключить цепочку из двух кремниевых диодов и резистора на каждый элемент, тем самым ограничив напряжение на уровне 1-1.1 В на элемент. При этом падение напряжения на каждом кремниевом диоде составляет 0,5–0,7 В, поэтому выбирать диоды для цепочки необходимо вручную, используя, например, мультиметр. После длительного хранения батареи необходимо провести два-три цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной ёмкости (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 марганцево-цинковых и марганцево-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, однако здесь намечается тенденция к вытеснению их высокотоковыми батареями различных литиевых систем.

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.

Длительный срок хранения, относительная нетребовательность к постоянному уходу и контролю, способность стабильно работать на морозе до -40 °C и отсутствие возможности возгорания при разгерметизации в сравнении с литиевыми, малый удельный вес в сравнении со свинцовыми и дешевизна в сравнении с серебряно-цинковыми, меньшее внутренне сопротивление, большая надёжность и морозостойкость в сравнении с NiMH обуславливают по-прежнему широкое применение никель-кадмиевых аккумуляторов в военной технике, авиации и портативной радиосвязи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются также в герметичном «таблеточном» конструктиве, наподобие батареек для часов. Электроды в таком аккумуляторе — две прессованные тонкие таблетки из активной массы, сложенные в пакет с сепаратором и плоской пружиной и завальцованные в никелированный стальной корпус диаметром с монету. Используются для питания различных, в основном маломощных, нагрузок (током C/10-C/5). Допускают только небольшие зарядные токи, не более С/10, так как внутри корпуса должна успевать происходить рекомбинация выделяющихся газов. Благодаря замкнутой конструкции допускают длительный перезаряд с непрерывной рекомбинацией и выделением избыточной энергии в виде тепла. Напряжение такого аккумулятора ниже, чем у негерметичного, и мало изменяется в процессе разряда вследствие избытка активной массы катода, создаваемого с целью ускорения рекомбинации кислорода.

Дисковые аккумуляторы (как правило, в батареях по 3 шт. в общей оболочке, типоразмера аналогичного советскому Д-0,06) широко применялись в персональных компьютерах выпуска 1980–90 годов, в частности PC-286/386 и ранних 486, для питания энергонезависимой памяти настроек (CMOS NVRAM) и часов реального времени при отключенном сетевом питании. Срок службы аккумуляторов в таком режиме составлял несколько лет, после чего батарея, в большинстве случаев — впаянная в материнскую плату, подлежала замене. С развитием CMOS-технологии и уменьшением потребляемой мощности NVRAM и RTC аккумуляторы были вытеснены одноразовыми литиевыми элементами ёмкостью порядка 200 мА·ч (CR2032 и др.), устанавливаемыми в гнёзда-защёлки и легко заменяемыми пользователем, с аналогичным сроком непрерывной работы.

В СССР дисковые аккумуляторы были практически единственными доступными в широкой продаже аккумуляторами (кроме автомобильных и, позднее, NiCd размера AA на 450 мА·ч). Помимо отдельных элементов, предлагалась 9-вольтовая батарея из семи аккумуляторов Д-0,1 с разъёмом, аналогичным «Кроне», которая, однако, входила в отсек питания не у всех радиоприёмников, для которых предназначалась. Поставлялись только простейшие зарядные устройства с током С/10, заряжавшие аккумулятор или батарею примерно за 14 часов (время контролировалось пользователем).

Название аккумулятора	Диаметр, мм	Высота, мм	Напряжение, В	Ёмкость, А*ч	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, дозиметры
Д-0,125	20	6,6	1,2	0,125	12,5	аккумуляторные электрические фонарики[уточнить], миниатюрные радиоприёмники
Д-0,26	25,2	9,3	1,2	0,26	26	аккумуляторные электрические фонарики, фотовспышки, калькуляторы (Б3-36)
Д-0,55	34,6	9,8	1,2	0,55	55	прицел ночного видения 1ПН58 (блок из пяти Д-0.55С), фотовспышки, аккумуляторные электрические фонарики, калькуляторы (Б3-34)[1]
7Д-0,125			8,4	0,125	12,5	замена батарее Крона

Производители

NiCd-аккумуляторы производят множество фирм, в том числе такие крупные интернациональные компании, как GP Batteries, Samsung (под брендом Pleomax), VARTA, GAZ, Konnoc, Metabo, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, Ansmann и др. Среди отечественных производителей можно назвать НИАИ (создан на базе Центральной аккумуляторной лаборатории, 1946 г.), «Космос», ЗАО «Опытный завод НИИХИТ», ЗАО «НИИХИТ-2».

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 — более дорогое, 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.
• Описание заряда NiCd-аккумуляторов.

Примечания

1. ↑ Под ред. акад. Ю.Д. Третьякова. Неограническая химия. Том 3. Химия переходных элементов.. — Москва: Академия, 2004. — 368 с. — ISBN 5-7695-1436-1.

wiki2.red

Никель кадмиевые аккумуляторы: устройство и принцип работы

Источники питания с электродом из кадмия используются для питания многих приборов и аппаратов. Несмотря на повышенную вредность для здоровья и окружающей атмосферы, пока не представляется возможным полностью заменить их на аналоги. Они нашли постоянное применение в электронике с токами разряда, имеющими повышенное значение.

История создания ni cd аккумуляторных батарей

Годом, когда был произведен первый ni cd аккумулятор считается 1899. Тогда изготовление нового источника питания было слишком накладное из-за дороговизны технологии добычи некоторых материалов для АКБ, поэтому разработки временно отложили. Вторую жизнь он получил в 1932 году, когда был открыт метод, при котором активное вещество получилось осадить на электроде из никеля.

В 1947 году ученые смогли добиться восстановления газов, выделяющихся при зарядке внутри батареи без их дополнительного вывода. С тех пор в промышленности начали производить никель кадмиевые аккумуляторы в герметичном корпусе, которые используются для питания в современных приборах и электронике. На рынке представлен широкий спектр АКБ от различных производителей.

В последнее время ni cd аккумуляторы теснят их усовершенствованные аналоги ni mh, а также источники питания с литиевыми электродами. Аналоги нашли широкое распространение в портативной электронике. Главной причиной такого изменения это вредность кадмия, и дорогостоящей утилизации для которой требуется применять специальные технологии. Однако некоторое оборудование способно работать только там, где используется ni cd аккумулятор.

Важно! Источники питания с кадмиевыми электродами являются вредными для здоровья человека и атмосферы, требуют специальной утилизации.

Устройство никель кадмиевых аккумуляторов

Конструкция таких источников питания состоит из двух электродов заряженными разноименными зарядами, разделенных между собой сепаратором, все элементы помещены в электролит и герметично закрыты в пластиковом или металлическом корпусе.

Положительный электрод имеет в своем составе никелевый гидроксид-оксид (NiOOH), а отрицательный электрод выполняется из кадмия. В качестве электролита применяется высокоактивная щелочь KOH, она не подвержена воздействию огня и невзрывоопасна, не имеет запаха.

Благодаря фольгированию металла при изготовлении электродов удалось добиться увеличения площади взаимодействия. В качестве сепаратора применяется материал, который не подвержен растворению в щелочи. В результате герметичности корпуса никель кадмиевые аккумуляторы не расходуют электролит в процессе эксплуатации.

В верхней части корпуса находятся токосъемные контакты с их помощью возможно соединение отдельных элементов в батареи. Также крышка имеет отверстие с пробкой для доливки щелочи, а также улетучивания избыточных газов в процессе зарядки АКБ.

Сами электроды представлены в виде пластин, разделенных между собой специальным материалом. Одноименно заряженные пластины собираются в один пучок и сварным способом соединяются с контактом на крышке корпуса АКБ. Сепаратор не препятствует свободному протеканию электролита между электродами.

По типу исполнения источники питания с кадмиевым электродом разделяют на два вида:

• Призматические. В них электроды выполняют в виде пластин и укладывают друг на друга через сепаратор.
• Цилиндрические. В таких батареях электроды изготавливают в виде ленты и сворачивают в рулоны, между катодом и анодом также располагают сепаратор.

Интересно знать! Одиночные гальванические элементы, батарейки способны выдавать напряжение около 1 В, поэтому для питания электротехники их собирают в батареи.

Химические реакции протекающие в батарее

Для рассмотрения процессов, которые хранит ni cd аккумулятор необходимо рассмотреть каждую реакцию отдельно.

Основные процессы в АКБ

В результате эксплуатации при циклах заряд-разряд внутри никель кадмиевых АКБ протекают следующие реакции:

• Зарядка. 2Ni(OH)₂+Cd(OH)₂ ⇒ 2NiOOН+Cd+2H₂O;
• Разрядка. 2NiOOH+Cd+2H₂O ⇒ 2Ni(OH)₂+Cd(OH)₂.

При режиме перезарядки на катоде наблюдаются такие процессы:

2OH ⇒1/2O2+H₂O+2e⁻.

В результате происходит выделение кислорода, который проникает через сепаратор и взаимодействует с анодом, начинается реакция:

1/2O2+Cd+H₂ ⇒ Cd(OH)₂.

Вышеперечисленные химические уравнения показывают циркуляцию атомов кислорода, тем самым стабилизируется внутренне давление при режиме перезаряда. Также при данном режиме на аноде может выделяться водород с последующим его окислением на катоде:

H₂O+e⁻⇒ OH⁻+1/2H₂;

NiOOH+1/2H₂⇒ Ni(OH)₂.

В герметичных батареях быстрый процесс выделения газообразного водорода может привести к взрыву, поэтому емкость для электрода с кадмием изготавливают значительно больше, чем у никелевого.

Реакции на катоде

На никелевом электроде в зависимости от условий эксплуатации протекают различные реакции:

• Зарядка. Ni(OH)₂+OH^—⇒ NiOOH+H₂O+e^—;
• Разрядка. NiOOH+H₂O+e^—⇒ Ni(OH)₂+OH^—.

Восполнение заряда необходимо проводить с незначительной перезарядкой, в результате чего образуется NiOOH, благодаря такому соединению активная масса электродов ni cd батареи не теряет свою активную массу в значительном количестве.

Реакции на аноде

На кадмиевой пластине аккумулятора происходят следующие процессы:

• Зарядка. Cd(OH)₂+2e⁻⇒ Cd+2OH⁻;
• Разрядка. Cd+2OH⁻⇒ Cd(OH)₂+2e⁻.

Собственная емкость отрицательного полюса значительно выше, чем у положительного. Благодаря такому свойству анод на протяжении всего срока эксплуатации не теряет значения внутреннего потенциала.

Основные технические характеристики

Источники питания с кадмиевым электродом имеют следующие основные технические свойства:

• Минимальное значение разрядного напряжения 0,9 В.
• Значение нормального рабочего напряжения 1,2 В, при необходимости создания вольтажа 24 В и 12 В, одиночные элементы собирают в батареи при последовательном соединении.
• Напряжение ni cd аккумулятора при полном заряде 1,5 В.
• Диапазон рабочих температур от -50°С до +40°С, такие показатели выгодно выделяют данный тип источника питания в отличие от аналогов.
• В зависимости от условий эксплуатации достигается количество рабочих циклов до 2000.
• Самостоятельный разряд составляет 25% от начальной емкости.
• Удельная энергетическая емкость до 65 Вт*ч/кг.
• Срок службы nicd аккумуляторов составляет значение до 10 лет.

Маркировка никель кадмиевых аккумуляторов

Ni cd аккумуляторы, как и любое электрическое оборудование имеет собственную маркировку благодаря которой становится возможным узнать основные технические параметры элемента. Основные символы расшифровывают так:

1. Первые цифры указывают на количество отдельных элементов, соединенных в батарею.
2. Буквенное обозначение НК или К обозначает, что перед вами никель кадмиевый аккумулятор.
3. Латинские буквы L или H уточняют режим разряда АКБ. L- длительный разряд, H- кратковременный разрядный режим.
4. Последующее цифровое значение указывают на собственную емкость источника питания.
5. Буквы Р(П) обозначают, что емкость элемента выполнена из пластика.
6. К- тип сборной конструкции батареи, каркасная.

Области применения ni cd аккумуляторов

Основные сферы использования никель кадмиевых аккумуляторов — это источники питания, для оборудования которое имеет повышенные токи разряда. В такой электротехнике ni cd аккумуляторы способны обеспечивать стабильную мощность, а также не подвержены перегреву в процессе эксплуатации при максимальном токе, в отличие от аналогов. Данные батареи применяются для питания разнообразного транспорта такого как троллейбусы, небольшой водный транспорт, а также для тяги в электрических карах.

До появления литиевых широко применялись кадмиевые батареи для питания переносного инструмента, а также в плоском исполнении использовались в компьютерах при питании независимой памяти. Использовались они в фотоаппаратах, калькуляторах, фонариках и приборах для улучшения слуха.  Они способны длительно храниться в разряженном состоянии, не подвержены пагубному действию пониженных температур. Благодаря малому внутреннему сопротивлению и пониженному удельному весу кадмиевые батареи до сих пор применяются для питания бортовой сети в авиации и переносных радиостанциях.

Особенности эксплуатации

Если восстанавливать заряд никель кадмиевых аккумуляторов, может возникать перегрев электролита, на это рассчитаны многие зарядные устройства, которые прекращают при этом зарядку. Для увеличения срока службы необходимо соблюдать правила эксплуатации. Производители рекомендуют полный разряд и быструю подзарядку в процессе работы батареи.

Хранить данные источники питания необходимо при полном разряде практически до нулевого значения, сроки хранения при этом могут достигать 5 лет. Такие условия выгодно отличают никель кадмиевый аккумулятор от аналогичных. Для восстановления после хранения следует провести несколько циклов заряд-разряд, рекомендуется за сутки перед непосредственным применением. В результате своеобразной тренировки получиться добиться возрождения первоначальной емкости АКБ. При неполном разряде и последующей зарядке емкость может преждевременно снижаться, спасти может полный разряд и полный заряд.

Утилизацию кадмиевых батарей запрещается просто выбрасывать совместно с бытовыми отходами, так как вещества, содержащиеся в них, отличаются повышенной вредностью. После прихода аккумулятора в полную негодность его необходимо сдавать в пункты приема и переработки.

Достоинства и недостатки

К преимуществам ni cd аккумулятора следует отнести такие полезны свойства:

• Повышенный срок службы, а также большое число рабочих циклов.
• Возможность хранения до 5 лет в разряженном состоянии, причем потом можно восстановить значение внутренней емкости.
• Присутствие режима быстрого заряда.
• Сохранение работоспособности при низких и высоких рабочих температурах.
• Не подвержены пагубному воздействию режимов перезаряда.
• Низкая стоимость.

К основным отрицательным показателям относят:

• присутствие такого свойства, как «эффект памяти»;
• необходимость применения тренировки несколькими циклами заряд-разряд;
• повышенный самостоятельный разряд;
• невысокая плотность энергии в отличие от аналогов;
• высокая вредность применяемого в качестве электрода кадмия;
• имеют вес выше, чем у аналогов.

Как восстановить ni cd аккумулятор

При полном выходе из строя данных аккумуляторов возникает вопрос, а существует вероятность его восстановления. Многие специалисты в электронике постоянно спорят на эту тему, стоит ли это делать и как. Существует несколько основных способов возвращения первоначальной емкости ni cd аккумулятору.

Восстановление при помощи воды

В качестве панацеи может послужить обычная дистиллированная вода. Перед началом самого процесса необходимо подготовить следующие приспособления и инструменты:

• кислота для пайки;
• медицинский одноразовый шприц;
• электрический паяльник;
• небольшое количество дистиллированной воды.

Изначально необходимо найти вышедший из строя элемент, для этого измеряется значение напряжения, плохих элементов оно стремиться или равно нулю. Затем в корпусе аккумулятора сверлится отверстие, при этом важно не повредить электроды.

Важно! В никель кадмиевых АКБ герметичного исполнения невозможно самовозгорание, в отличие от литиевых.

В шприц набираем необходимое количество воды, и аккуратно заливаем в аккумулятор, торопиться не следует нужно дать возможность ей свободно пропитаться. После заполнения отверстие в корпусе аккуратно запаивают при помощи кислоты и паяльника. Элемент проверяется прибором и устанавливается в устройство для восстановления заряда. Такой способ продлевает жизнь АКБ, но ненадолго.

Метод запзаппинг

Особенность такого метода заключается в применении повышенных импульсов тока при заряде. При использовании такого способа необходимо соблюдать требования безопасности, а также следует иметь первоначальные знания в электротехнике. Ток заряда ni cd аккумуляторов может достигать при этом 20 А, что может быть опасно для жизни.

Интересно знать! Запзаппинг позволяет восстановить аккумуляторные батареи, хранившиеся до 20 лет.

Разряд-заряд

Чтобы устранить неприятный «эффект памяти» необходимо понизить значение напряжения до значения 0,8 В, а потом восстановить его до номинального показания. При продолжительном сроке хранения следует провести несколько таких циклов. Производители рекомендуют для продления работоспособности батареи тренировать ее таким образом как минимум раз в месяц.

Существует также метод заморозки никель кадмиевых батарей, такой способ вызывает сомнения у многих специалистов и у разработчиков источников питания.

 

Исходя из всех полезных свойств ni cd аккумуляторы не уступают своим аналогам по техническим характеристикам. До сих пор они являются самыми дешевыми, применение современных технологий делает их надежными и безопасными при соблюдении требований эксплуатации.

batteryzone.ru

Какой аккумулятор лучше для шуруповерта — литиевый или кадмиевый?

Дрель, шуруповерт — необходимые в быту инструменты. Приобрести их будет полезно каждому, кто занимается обустройством дома своими руками. Также и для мастеров-профессионалов шуруповерты сейчас незаменимы. А поскольку в магазинах строительного инструментария выбор их огромный, у многих могут возникнуть резонные вопросы: какой инструмент лучше выбрать и какой аккумулятор лучше для шуруповерта? От выбора АКБ зависит очень многое: прежде всего, мобильность инструмента и продолжительность его работы в автономных от сети условиях. Прежде чем окончательно решить, какие батареи наиболее предпочтительны в том или ином случае, следует более подробно ознакомиться с тем, какие аккумуляторы используются в шуруповертах.

Содержание статьи

Типы батарей

Итак, какие бывают аккумуляторы? Обычно для электродрелей применяются никель-кадмиевые и литиевые элементы питания. Есть еще никель-металлгидридные АКБ, и они по-своему хороши. Но для шуруповертов они стали использоваться очень редко: эти батарейки, к сожалению, очень быстро нагреваются и при зарядке, и при интенсивной работе инструмента. К тому же, никель-кадмиевые аккумуляторы, несмотря на то, что их по праву можно назвать «ветеранами» в ряду химических источников тока, по многим характеристикам до сих пор превосходят никель-металлогидриды.

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные АКБ

Ni-Cd являются первыми щелочными аккумуляторными батареями, техника производства которых была разработана еще в конце XIX века. Однако по причине того, что для тех времен массовое производство АКБ было очень дорогим и требовало определенных условий, интенсивно оно началось только в 50-х годах ХХ века.

Несмотря на критику многочисленных поклонников более современных батарей, показатели емкости никель-кадмиевые аккумуляторы имеют неплохие. И нагреваются при эксплуатации гораздо меньше, чем те же никель-металлогидриды, вследствие эндотермических реакций, происходящих внутри. Если вспомнить школьный курс химии, эндотермическая реакция означает не что иное, как поглощение выделяемого тепла внутри элемента, а не выделение его во внешнюю среду. А именно так происходит с Ni-MH батареями.

Если сравнивать характеристики аккумуляторов для шуруповертов, исходя из практичности и безопасности, кадмиевые АКБ окажутся значительно лучше. Именно по этой причине они до сих пор являются самыми ходовыми для электрических инструментов бытового применения.

Более коротко все преимущества никель-кадмиевых АКБ можно озвучить таким образом:

• Значительно сниженный риск перегрева. Им не грозит быстро «перегореть» или выйти из строя, в отличие от металлогидридов.
• Прочный металлический корпус. Кадмиевые аккумуляторы имеют хороший показатель устойчивости к внутренним химическим реакциям и отличную герметичность металлического покрытия. Могут неплохо работать и при очень низких температурах, до -40°С.
• Долгий срок службы при условиях правильной эксплуатации — от 8 до 10 лет без необходимости смены аккумуляторного блока.
• Умеренная, доступная стоимость, в отличие от более мощных, но дорогих литиевых элементов.

Для того чтобы Ni Cd аккумуляторы для шуруповерта выработали весь свой положенный срок службы, существует несколько действенных рекомендаций по их эксплуатации.

Поскольку глубокого разряда они не боятся, работать с шуруповертом следует вплоть до полного разряда аккумуляторного блока. Потом можно поставить батарейки заряжаться, не боясь того, что они потеряют емкость: при зарядке эти аккумуляторы быстро ее восполняют. Хранить их тоже лучше разряженными — в данном случае, так называемый «эффект памяти» будет гораздо меньше, а в процессе хранения никакая подзарядка им не требуется.

«Эффект памяти», который имеется у никель-кадмиевых аккумуляторов для шуруповертов, на самом деле не представляет собой слишком большой недостаток. Для того чтобы они не «запоминали» ненужный уровень зарядки, нужно провести им два-три полных цикла заряда-разряда. Тогда все их лучшие показатели быстро восстановятся.

Для того чтобы «эффект памяти» проявлялся меньше и реже, не стоит часто подзаряжать их. Лучше проводить им полные циклы зарядки, тем самым «очищая память». Именно это надолго обеспечит никель-кадмиевым аккумуляторам большую продуктивность работы.

Что можно сказать о Ni-MH АКБ, кроме того, что они склонны к нагреву? Эти батареи менее вредны для окружающей среды. «Эффект памяти» у них выражен меньше, чем у Ni-Cd предшественников. Но заряжать их придется чаще, потому что процент саморазряда эти батареи имеют высокий. По популярности уступают кадмиевым.

Литий-ионные батареи и их преимущества

Именно аккумуляторы на основе лития сейчас постоянно на слуху у многих потребителей. Отчасти благодаря тому, что литиевый состав используется везде, практически в любом гаджете, начиная от смартфона и заканчивая персональным ноутбуком. Появились они не так давно, если сравнивать время их возникновения с никель-кадмиевыми — только в 90-х годах прошлого века.

Известно, что вначале литий-ионные аккумуляторы обладали большой степенью взрывоопасности по причине технологических недоработок. В данный момент подавляющее их большинство оснащено контроллерами уровня заряда и нагрева, что обеспечивает им безопасность и повышенные сроки продуктивного применения.

Чем же столь примечательны литиевые аккумуляторы?

Рассмотрим их достоинства в сравнении с предшественниками:

• Более высокий уровень емкости, что увеличивает срок их беспрерывного использования.
• Отсутствие «эффекта памяти» (по крайней мере, так утверждают продавцы и производители).

Высокий уровень емкости обеспечивает успешное применение именно этого вида аккумуляторов в техническом инструментарии профессионального плана.

При всех своих преимуществах литиевые батареи очень чувствительны к малейшим перепадам напряжения во время зарядки, а также к резким переменам температур. Безусловно, в той или иной мере такой чувствительности подвержены все химические источники тока. Но специалисты в области электроники не случайно называют «капризными» именно этот вид аккумуляторов.

В отличие от никель-кадмиевых, литиевые АКБ не имеет смысла приобретать с запасом. Со временем они теряют свою емкость, если их долго не использовать, а срок их хранения составляет не больше двух лет.

Литиевые или никель-кадмиевые аккумуляторы — какие лучше?

На самом деле, вопрос о том, какой аккумулятор лучше для шуруповерта, поставлен не совсем корректно. Все зависит от ситуации и от продолжительности времени, в течение которого будет использоваться инструмент.

Литиевый аккумуляторный блок меньше весит при тех же показателях емкости, что у кадмия. Но это не является основным показателем, исходя из которого следует выбирать аккумулятор для шуруповерта. Безусловно, количество циклов заряда-разряда у кадмиевых элементов в разы меньше, чем у литиевых. Стандарт для Ni-Cd составляет 500, а для Li — 1500, что, безусловно, вначале наводит на мысль о том, что литиевые батареи намного лучше.

При выборе аккумуляторов важно учитывать тот факт, что старение никель-кадмиевых батарей зависит исключительно от выработанных ими циклов, а не от их реального возраста. Срок службы литий-ионных АКБ, в отличие от кадмия, напрямую зависит именно от возраста по годам. Через 5 лет они уже выйдут из строя, даже если ими не пользовались. Никель-кадмиевые батареи, напротив, будут жить долго даже в том случае, если их не использовали год и более.

Например, при покупке шуруповерта, бывшего в употреблении, не стоит брать его с литиевыми аккумуляторами. Есть большая доля вероятности того, что в случае, если инструмент не использовался долгое время, его аккумуляторный блок уже непригоден к использованию. Если же бывший в употреблении «шурик» продается с кадмиевыми аккумуляторами, они могут сохранить до 60% заряда, независимо от того, рабочий был инструмент или нет.

Если шуруповерт используется не очень часто, литиевые аккумуляторы скорее «постареют», чем отслужат свои положенные 1500 циклов. Поэтому для периодического бытового использования нет смысла покупать инструмент с литиевыми аккумуляторами.

Кадмий может служить от 8 до 10 лет, независимо от того, используются батареи, или нет. Он также спокойно может лежать на складе, сохраняя свои свойства, в отличие от лития. Если вы не планируете использовать шуруповерт часто, ответ на вопрос о том, как выбрать аккумулятор, будет кратким и правдивым: выбирайте кадмий.

Кстати, при морозе до -20°С кадмий «ведет» себя лучше, чем литиевые батарейки, которые не любят больших морозов. Литий нужно хранить в заряженном состоянии, как минимум, на 60%. Они нуждаются в постоянной подзарядке, если не используются. В противном случае, они начинают разрушаться.

Итак, если шуруповерт не используется интенсивно, для периодического бытового использования выбирайте инструмент, укомплектованный никель-кадмиевым аккумуляторным блоком. Если же вы работаете с шуруповертом ежедневно и профессионально — безусловно, лучше будет остановить свой выбор на литии, потому что аккумуляторы отслужат свои положенные 1500 циклов, вернут и окупят вложенные в них деньги. Не переплачивайте за ненужные циклы, если вы не используете инструмент часто и постоянно.

Таким образом становится ясно, что никель-кадмиевые батареи, по сути дела, ничуть не хуже литиевых. Главный вопрос состоит только в сфере применения обоих видов химических элементов питания. При использовании каждого из них в нужное время и в нужном месте и тот, и другой могут быть одинаково полезны и хороши. О том, как провести замену аккумуляторов в шуруповерте, в том числе с Ni-Cd на Li-Ion, читайте здесь →

auto-gl.ru

Особенности никель кадмиевых аккумуляторов

Никель кадмиевые батареи — старое изобретение. Востребованным продукт для электронных устройств, электрических приборов, стал после производственного усовершенствования параметров эксплуатации, снижения цен. Без элемента питания трудно представить часы на стене комнаты, фотоаппарат, плеер, пульт управления. Электричество не производится аккумулятором. Он запасает, хранит, расходует энергию.

Описание и особенности

Изобретение принадлежит шведскому ученому В. Юнгнеру, который никель применил для плюсового, а кадмий для минусового заряда. Батарейка действует принципами, основанными на электролитической диссоциации. В процессе распадаются молекулы электролита, начинают взаимодействовать отрицательные и положительные ионы. Вначале в массовом производстве продукцию не выпускали. Для ХХ века она была дорогой и энергоемкой.

Производить ni cd аккумуляторы стали в 1950 г., после разработки менее затратного технологического процесса.

Элементы питания по форме бывают:

• цилиндрическими;
• плоскими;
• квадратными;
• прямоугольными.

Разработчики усовершенствовали устройство для увеличения емкости. Так появился металлгидридный инструмент с более существенным зарядом. Но рабочий объем не стал основанием для снятия изделий из производства. Повлиял показатель нагревания, который положительно характеризует Ni-Cd.

При эксплуатации кадмиевые батареи не перегреваются, им не грозит преждевременный выход из строя

. Внутри протекает эндотермическая химическая реакция, она поглощает тепло. В этом отличие ni cd от ni mh аккумуляторов, последние быстро нагреваются и перегорают, если не прекратить применение.

Кадмиевые устройства создают в корпусе:

• плотном;
• прочном;
• герметичном;
• металлическом.

Продукция в отличие от остальных, устойчивая к внутренним химическим реакциям с давлением газа. Элемент питания работает в среде с низкими температурами. У него отсутствует свойство к самовозгоранию. Разработки по совершенствованию технологий продолжаются, созданы промышленные Ni-Cd, работающие по 25 лет.

Плюсы и минусы

Прибор щелочного типа содержит электроды:

• отрицательные кадмиевые;
• положительные окисло-никелевые.

Разграничивают их пластиковые сепараторы. В этом месте происходят заряды между электродами. Элементы питания наделены «эффектом памяти», если прибор полностью не разряжен, новая зарядка выполнится до черты, с которой начали его заряжать. Устройство запоминает остаточный уровень, отчего уменьшается емкость.

Чтобы исключить негативное явление, необходимо вначале разрядить, а затем выполнить заряд никель кадмиевых аккумуляторов. Хранить аккумуляторы нужно, только полностью разряженными.

К положительным качествам устройства относится:

• многократность циклов зарядных и разрядных процедур (до 1000), при правильной эксплуатации;
• простое и скорое восстановление после перерывов работы с устройством;
• длительное хранение;
• отсутствие восприимчивости к холоду, агрессивной среде;
• сохраняется стандартная емкость при низких температурных режимах;
• низкая цена.

Отрицательные факторы:

• саморазряд высокого уровня, происходит 10% потеря в первый день после полной зарядки и в течение месяца при хранении;
• при долгом отсутствии работы процесс восстановления выполняют несколькими циклами;
• чтобы аккумулятор не запоминал объем питания, его нужно довести до полной разрядки;
• низкая степень энергетической плотности в сравнении с другими батареями;
• токсичные материалы.

Ряд стран запретили производство аккумуляторов из-за кадмия – тяжелого металла с повышенной ядовитостью. Утилизируют продукцию на специальном оборудовании по технологическим процессам. Несмотря на недостатки, АКБ устанавливают в бытовых приборах из-за универсальных свойств.

Технические характеристики

Никель кадмиевые аккумуляторы обладают характерными параметрами.

Разряд в одном элементе с напряжением	1V
Номинальный объем	1.2V
Полный заряд	1.8V
Работа при температурных режимах	-50 град — +40 град
Зарядные разрядные циклы	1000
саморазряд	30%
эксплуатация	10 лет

Продукцию выпускают в разном корпусном оформлении как по стандартным размерам, так и в произвольном выполнении, в этом её преимущество.

Где применяется

Разные источники питания нужны потребителям тока:

• приборам;
• инструментам;
• бытовой технике;
• оборудованию;
• аппаратуре.

Стандартная батарея сделает работоспособной:

• электродрель;
• шуруповерт;
• электробритву;
• игрушку;
• фонарь.

Элемент большего размера применяют в общественном транспорте:

• в троллейбусе, трамвае;
• на море и реке;
• в вертолете, самолете.

Благодаря длительного срока эксплуатации, превышающего 10 лет, тип аккумулятора ni cd все еще устанавливают в электронные приборы, несмотря на жесткие экологические требования и замену их на никель-металлогидридную и литий-ионную технологию.

Разрядные факторы влияния

На разряд модели влияют параметры:

• толщины, структуры, внутреннего сопротивления электродов;
• плотности сборки;
• сепараторного содержания;
• количества электролита;
• конструктивных форм.

Продолжительный разряд есть в больших по толщине прессованных электродах. Где постепенно снижается емкость (5-10%) с напряжением до 1.1 V. Если батарея работает в условиях средней интенсивности, там электрод тонкий, увеличивают размер количеством, отчего возрастает разрядный ток. В короткоразрядных аккумуляторах с металлокерамическими электродами малое внутреннее сопротивление.

Такая модель наделена высокими энергетическими показателями. Напряжение сохраняется 1.2 V до отработки 90% емкости. В цилиндрических элементах устанавливают рулонные электроды, они обладают длительным рабочим периодом, разряд зависит от перепадов температурных режимов. При замершем электролите он отсутствует.

Порядок для зарядки

Когда заряжают никель кадмиевые аккумуляторы, ограничивают лишнее поступление тока на электроды. Внутри начинает увеличиваться давление и выделяется кислород. Используют автоматические и реверсивные зарядные устройства. В автоматических ЗУ имеются 4 разъема для батарей.

Банку устанавливают в ячейку, устройство подключают к электричеству. Светодиоды указывают на степень завершения процедуры. Реверсивными ЗУ можно не только зарядить батарею, но и поддержать рабочее состояние.

Приборы сложные по содержанию, но эксплуатация не вызовет трудностей. Нужно установить элемент и кнопками отрегулировать режим.

Восстановление никель-кадмиевого аккумулятора

Экономный хозяин не станет выбрасывать, вышедший из строя аккумуляторный блок. Не всегда есть время ходить по магазинам. Если человек связан по работе с электроприборами, у него есть навыки по восстановлению Ni-Cd приспособлений.

 

Процедуру выполняют с помощью:

• Дистиллированной воды. Берут слабый элемент, чтобы просверлить в нем отверстие. Работа выполняется тщательно, не повреждая электродов с сепаратором. Набирают в шприц 1 мл жидкости, вводят внутрь. Паяльной кислотой закрывают нарушенную поверхность. Дистиллят добавит плотность электролиту для бесперебойной работы.
• Метода запзаппинга. В способе существуют рискованные моменты. На батарею воздействуют током коротким, но высоким. Устройство можно восстановить после 20 летнего бездействия. Использование технически сложных мероприятий под напряжением, должно быть доверено опытному электротехнику. Работа выполняется с соблюдением техники безопасности в защитных очках и спецодежде.
• Разрядки и зарядки. Процедуру провести необходимо несколько раз, чтобы избавиться от эффекта памяти. Процесс выполняют если емкость исчезает во время работы. Когда элементы долго пролежали без нагрузок и восстановление прошло успешно, операцию повторять придется каждый месяц.

По совету электроника, нужно применять дистиллированную воду и отказаться от заморозки. После морозилки фиктивно увеличили показатели восстановленных параметров, достоинство способа не доказано на примерах.

Для чего выполняют цикл разряд-заряд

Если источник питания теряет емкость, содержимое вновь восполняют, для этого нужно полностью элемент разрядить (1V). Затем приступают к зарядке по стандартному режиму.

Для возвращения батарей в рабочее состояние выполняют процедуру столько раз, пока не наступит восстановление емкости.

Когда в Ni Cd изменяется структура, ухудшаются характеристики до полного выхода из строя батарей, происходит:

• уменьшение полезной площади и массы в электродах;
• снижается содержание электролита;
• распадается сепаратор, органические примеси;
• исчезает жидкость с кислородом;
• теряется ток, пластины покрываются дендритами.

Сохраняют неповрежденным элемент, после работы или бездействия, методом разряд-заряд. Эффективней будет исключить неблагоприятные воздействия факторов на аккумулятор.

Причины заключены в обстоятельствах:

• в не заряженном устройстве уменьшается емкость, снижается площадь активных веществ, образуются кристаллы;
• регулярная сильная перезарядка приведет к перегреванию, увеличится образование газов, разрушение электродов и сепаратора происходит из-за отсутствия жидкости;
• когда заряда недостаточно, батарея истощается раньше времени.

Если долгое время эксплуатировать материал в холодной среде, низкие температуры изменяют состав и электролитный объем. Происходит увеличение внутреннего сопротивления АКБ с ухудшением эксплуатационных характеристик, падением емкости.

Когда увеличивается давление в аккумуляторе от быстрого заряда сильным током, происходит избыточное выделение водорода, отчего:

• деформируется поверхность корпуса;
• нарушается сборка по плотности;
• уменьшается напряжение.

Аварийный клапан давление сбрасывают, чем предотвращают корпусную деформацию, но в батарее начинаются изменения в химическом составе. Полностью восстановить емкость в первоначальном виде нельзя, но процедурами продлевают рабочее состояние.

Дополнительный способ

Мастер сам сможет провести несложные манипуляции и возвратить батарею к работе:

• берут провод 1.5 кв.м., присоединяют минус и катод от мощного аккумулятора;
• анод любого элемента соединяют со вторым проводом;
• остался свободный конец, им соприкасаются со свободной плюсовой клеммой.

Касания проводят, соблюдая правило — быстро и точечно, не допуская, чтобы провода приварились. Когда появится электродвижущая сила, устройство ставят на зарядку.

Для определения нужен прибор вольтметр или контроллер электродвигателей, которым проверяют уровень восстановленного напряжения.

Некоторые пользователи доказывают, что достигли разрушение дендритов путем размещения элементов на несколько часов в морозилку холодильника. Затем, резко постучали и кристаллы от ударных воздействий разрушились. Этот метод подвергается критике со стороны электронщиков, но проверить его никому не запрещено, может не зря публикуют такую тематику.

Заключение

Долгие годы изобретение Юнгнера служило людям источником питания для их радиоприемников, видеокамер, электрических приборов — бытовых, медицинских, производственных. Когда в Ni-Cd увеличили емкость, она стала больше, чем у стандартных батарей на 60%. Но р�

3batareiki.ru

Никель-кадмиевый аккумулятор Википедия

Никель-кадмиевые аккумуляторы Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, 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 — порядка 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 900 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20–25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) наряду с никель-солевыми аккумуляторами могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных (NiMH) и литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые нужно хранить заряженными.

История изобретения[ | ]

В 1899 году Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) из Швеции изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, в котором в качестве положительного электрода использовался никель, а в качестве отрицательного — кадмий. Двумя годами позже Эдисон (Edison) предложил альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой (в сравнении с сухими или свинцово-кислотными аккумуляторами) стоимости, практическое применение никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов было ограниченным.

После изобретения в 1932 году Шлехтом (Shlecht) и Акерманом (Ackermann) спрессованного анода было внедрено много усовершенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Хорошо известный сегодня герметичный никель-кадмиевый аккумулятор стал доступен только после изобретения Ньюманом (Neumann) полностью герметичного элемента в 1947 году.

Принцип действия[ | ]

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:

2NiOOH + Cd + 2H₂O ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ E⁰ = 1,37 В.

Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С^[1]. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.

Параметры[ | ]

• Теоретическая энергоёмкость: 237

ru-wiki.ru

No related posts.