1. Що таке нікель кадмієвий акумулятор
2. Принцип роботи і пристрій Ni-Cd акумулятора
3. Технічні характеристики і які бувають Ni-Cd АКБ
4. Де використовуються нікель кадмієві АКБ
5. Плюси і мінуси Ni-Cd акумулятора
6. Відмінність Ni-Cd від Li-Ion або Ni-Mh джерел
7. Правила експлуатації
8. Як відновити Ni Cd акумулятор
9. Зберігання та утилізація

У другій половині двадцятого століття одними з кращих перезаряджаються хімічних джерел струму були акумуляторні батареї, виготовлені за нікель-кадмиевой технології. Вони до цих пір широко застосовуються в різних сферах завдяки своїй надійності і невибагливості.

Що таке нікель кадмієвий акумулятор

Нікель-кадмієві батареї є гальванічними перезаряджаємими джерелами струму, які були винайдені в 1899 році в Швеції Вальдмаром Юнгнер. До 1932 року їх практичне використання було дуже обмеженим через дорожнечу використовуваних металів в порівнянні з свинцево-кислотними АКБ.

Удосконалення технології їх виробництва призвело до значного поліпшення їх експлуатаційних характеристик і дозволило в 1947 році створити герметичний обслуговуються АКБ з відмінними параметрами.

Принцип роботи і пристрій Ni-Cd акумулятора

Електричну енергію ці АКБ виробляють завдяки оборотного процесу взаємодії кадмію (Cd) з оксидом-гідроксидом нікелю (NiOOH) і водою, в результаті якого утворюється гідроксид нікелю Ni (OH) 2 і гідроксид кадмію Cd (OH) 2, який зумовлює появу електрорушійної сили.

Ni-Cd АКБ випускаються в герметичних корпусах, в яких розміщені електроди, розділені нейтральним сепаратором, що містять нікель і кадмій, що знаходяться в розчині желеобразного лужного електроліту (як правило, гідроксид калію, KOH).

Позитивний електрод являє собою сталеву сітку або фольгу, вкриту пастою оксид-гідроксиду нікелю, змішану з провідним матеріалом

Негативний електрод - це сталева сітка (фольга) з впресованим пористим кадмієм.

Один нікель кадмієвий елемент здатний видавати напругу близько 1,2 вольта, тому для збільшення напруги і потужності батарей в їх конструкції застосовується безліч паралельно з'єднаних електродів, розділених сепараторами.

Технічні характеристики і які бувають Ni-Cd АКБ

Ni-Cd батареї мають наступні технічні характеристики:

• напруга розряду одного елемента - близько 0,9-1 вольт;
• номінальну напругу елемента - 1,2 v, для отримання напруг 12v і 24v застосовують послідовне з'єднання декількох елементів;
• напруга повного заряду - 1,5-1,8 вольт;
• робоча температура: від -50 до +40 градусів;
• кількість циклів заряду-розряду: від 100 до 1000 (в найсучасніших батареях - до 2000), в залежності від використовуваної технології;
• рівень саморозряду: від 8 до 30% в перший місяць після повного заряду;
• питома енергоємність - до 65 Вт * год / кілограм;
• термін експлуатації - близько 10 років.

Ni-Cd АКБ випускають в різних корпусах стандартних типорозмірів і в нестандартному виконанні, в тому числі в дисковому, герметичному вигляді.

Де використовуються нікель кадмієві АКБ

Ці батареї застосовуються в пристроях, які споживають великий струм, а також відчувають високі навантаження при експлуатації в наступних випадках:

• на тролейбусах і трамваях;
• на електрокарах;
• на морському та річковому транспорті;
• в вертольотах і літаках;
• в електроінструментах (шуруповерти, дрилі, електровивертки та інші);
• електробритви;
• у військовій техніці;
• переносних радіостанціях;
• в іграшках на радіокеруванні;
• в ліхтарях для дайвінгу.

В даний час з-за посилення екологічних вимог більшість акумуляторів популярних типорозмірів (, і інші) випускається по нікель-металлогидридной і літій-іонної технологіям. Разом з тим, в експлуатації ще перебуває безліч Ni Cd АКБ різних типорозмірів, випущених кілька років тому.

Ni-Cd елементи мають тривалий термін експлуатації, який інколи перевищує 10 років і тому ще можна зустріти цей вид батарей в безлічі електронних пристроїв, крім тих, які перераховані вище.

Плюси і мінуси Ni-Cd акумулятора

Цей вид елементів живлення має наступні позитивні характеристики:

• великий термін експлуатації і число циклів заряду-розряду;
• тривалий термін служби і зберігання;
• можливість швидкої зарядки;
• здатність витримувати великі навантаження і низькі температури;
• збереження працездатності в найнесприятливіших умовах експлуатації;
• невисока вартість;
• можливість зберігати ці батареї в розрядженому стані до 5 років;
• середня стійкість до перезаряду.

У той же час, нікель кадмієві джерела живлення мають ряд недоліків:

• наявність ефекту пам'яті, що виявляється у втраті ємності при зарядці АКБ, не чекаючи повного розряду;
• необхідність профілактичних робіт (кілька циклів заряду-розряду) по набору повної ємності;
• повне відновлення АКБ після довготривалого зберігання вимагає трьох-чотирьох циклів повного заряду-розряду;
• великий саморозряд (близько 10% в перший місяць зберігання), що призводить до практично повного розряду батареї за рік зберігання;
• невисока енергетична щільність в порівнянні з іншими елементами живлення;
• висока токсичність кадмію, через яку вони заборонені в ряді країн, у тому числі в ЄС, необхідність проводити утилізацію таких АКБ на спеціальному обладнанні;
• більшої ваги в порівнянні з сучасними батареями.

Відмінність Ni-Cd від Li-Ion або Ni-Mh джерел

Батареї з активними компонентами, що включають нікель і кадмій, мають ряд відмінностей від більш сучасних літій-іонних і нікель-металогідридних джерел електроенергії:

• Ni-Cd елементи, на відміну від і варіантів, мають ефект пам'яті, мають меншу питомою ємністю при однакових розмірах;
• NiCd джерела більш невибагливі, зберігають працездатність при дуже низьких температурах, у багато разів більш стійкі до перезаряду і сильному розряду;
• Li-Ion і Ni-Mh акумулятори коштують дорожче, боятися перезарядження і сильного розряду, але мають менший саморозряд;
• термін експлуатації і зберігання Li-Ion акумуляторів (2-3 роки) в рази менше, ніж Ni Cd виробів (8-10 років);
• нікель-кадмієві джерела швидко втрачають ємність при використанні в буферному режимі (наприклад, в UPS). Хоча їх можна після цього повністю відновити шляхом глибокого розряду і заряду, краще не використовувати Ni Cd вироби в пристроях, де здійснюється їх постійна підзарядка;
• однаковість режиму заряду Ni-Cd і Ni-Mh батарей дозволяє використовувати одні і ті ж зарядні пристрої, але при цьому потрібно враховувати той факт, що у нікель-кадмієвих АКБ більш виражений ефект пам'яті.

Виходячи з наявних відмінностей, не можна зробити однозначний висновок про те, які АКБ краще, оскільки у всіх елементів є і сильні і слабкі сторони.

Правила експлуатації

В ході експлуатації в Ni Cd джерелах живлення відбувається ряд змін, які призводять до поступового погіршення характеристик і, в кінцевому підсумку, до втрати працездатності:

• зменшується корисна площа і маса електродів;
• змінюється склад і обсяг електроліту;
• відбувається розпад сепаратора і органічних домішок;
• втрачається вода і кисень;
• з'являються витоку струму, пов'язані з ростом дендритів кадмію на пластинах.

Для того, щоб максимально зменшити пошкодження батареї, що виникають при її експлуатації та зберіганні, необхідно уникати несприятливих впливів на АКБ, які пов'язані з наступними факторами:

• заряд не повністю зарядженій батареї призводить до оборотної втрати її ємності через зменшення загальної площі активної речовини в результаті кристаллообразования;
• регулярний сильний перезаряд, який призводить до перегріву, збільшеному газоутворення, втрати води в електроліті і руйнує електроди (особливо анод) і сепаратор;
• недозаряд, що приводить до передчасного виснаження батареї;
• довготривала експлуатація при дуже низьких температурах призводить до зміни складу і обсягу електроліту, збільшується внутрішній опір АКБ і погіршуються її експлуатаційні характеристики, зокрема падає ємність.

При сильному збільшенні тиску всередині батареї в результаті швидкого заряду великим струмом і сильної деградації кадмиевого катода в АКБ може виділятися надлишковий водень, що призводить до різкого збільшення тиску, яке може деформувати корпус, порушує щільність збірки, збільшує внутрішній опір і зменшує робочу напругу.

В АКБ, обладнаних аварійним клапаном скидання тиску, небезпека деформації можна запобігти, але незворотних змін хімічного складу батареї уникнути неможливо.

Зарядку Ni Cd акумуляторів потрібно виробляти струмом 10% (при необхідності швидкого заряду в спеціальних АКБ - струмом до 100% за 1 годину) величини їх ємності (наприклад, 100 мА при ємністю 1000 mAh) протягом 14-16 годин. Найкращий режим їх розряду - струмом, рівним 20% від ємності батареї.

Як відновити Ni Cd акумулятор

Нікель кадмієві джерела живлення в разі втрати ємності можна практично повністю відновити за допомогою повного розряду (до 1 вольта на елемент) і подальшого заряду в стандартному режимі. Таке тренування акумуляторів можна повторити кілька разів для найбільш повного відновлення їх ємності.

У разі неможливості провести відновлення АКБ шляхом розряду і заряду, можна спробувати їх відновити за допомогою впливу короткими струмовими імпульсами (величиною в десятки разів більше ємності відновлюваного елемента) на протязі декількох секунд. Це вплив усуває внутрішнє замикання в елементах батареї, що виникає через наростання дендритів шляхом їх випалювання сильним струмом. Існують спеціальні промислові активатори, які здійснюють такий вплив.

Повне відновлення первісної ємності таких батарей неможливо через незворотного зміни складу і властивостей електроліту, а також деградації пластин, але дає можливість продовжити термін експлуатації.

Методика відновлення в домашніх умовах полягає в проведенні наступних дій:

• проводом перерізом не менше 1,5 квадратних міліметрів з'єднують мінус відновлюваного елемента з катодом потужної батареї, наприклад автомобільної або з UPS;
• до анода (плюса) однієї з батарей надійно прикріплюється другий провід;
• протягом 3-4 секунд вільним кінцем другого проводу швидко стосуються вільної плюсовій клеми (з частотою 2-3 торкання в секунду). При цьому необхідно не допускати приварювання проводів в місці з'єднання;
• вольтметром проводиться перевірка напруги на восстанавливаемом джерелі, при його відсутності робиться ще один відновлювальний цикл ;;
• при появі електрорушійної сили на АКБ, вона ставиться на зарядку;

Крім того, можна спробувати зруйнувати дендрити в АКБ шляхом їх заморозки на 2-3 години з наступним їх різким відстукуванням. При заморожуванні дендрити стають крихкими і руйнуються від ударної дії, що теоретично може допомогти позбутися від них.

Існують і більш екстремальні способи відновлення, пов'язані з додаванням дистильованої води в старі елементи шляхом висвердлювання їх корпусу. Але повноцінне забезпечення герметичності таких елементів в подальшому дуже проблематично. Тому не варто економити і піддавати здоров'я ризику отруєння сполуками кадмію через виграшу кількох циклів роботи.

Зберігання та утилізація

Зберігати нікель кадмієві батареї краще в розрядженому стані при низькій температурі в сухому місці. Чим менше температура зберігання таких АКБ, тим менше у них саморозряд. Якісні моделі можуть зберігатися до 5 років без істотного збитку технічним характеристикам. Для введення їх в експлуатацію досить провести їх зарядку.

Шкідливі речовини, що містяться в одній батареї АА, здатні забруднити близько 20 квадратних метрів території. Для безпечної утилізації Ni Cd акумуляторів, їх потрібно здавати в пункти переробки, звідки їх переправляють на заводи, де їх повинні руйнувати в спеціальних герметичних печах, обладнаних фільтрами, які ловлять токсичні речовини.