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

Кадмиевый аккумулятор – востребованный источник энергии, который используют для комплектации бытовой техники. Они причислены к щелочным типам. Ими оснащают те агрегаты и устройства, в состав которых нельзя ввести другие модели.

В состав никель кадмиевых аккумуляторов введены минусовые и плюсовые токопроводящие выводы, для разделения которых использован сепаратор. Внутренняя часть заполнена щелочным электролитическим составом. Корпус для никель кадмиевых батарей подготовлен из специального металла, герметично запаян.

Дабы обеспечить лучший контакт, для подготовки электродов используют фольгу, которая отличается небольшой толщиной. Для конструирования сепаратора, который сосредотачивают между выводами в батареях никель кадмиевых, применяют тканое сырье. Ведь он не взаимодействует со щелочным электролитом.

Для подсоединения аккумуляторной батареи к другим никелево кадмиевым источникам питания применяют борн. В состав устройства никель кадмиевых аккумуляторов входят сварные соединения, при помощи которых обеспечивается плотное соединение.

Преимущества никель-кадмиевых источник питания

• Численность циклов разряда и заряда достигает 1 000 и более.
• Период хранения таких устройств продолжителен. При этом степень заряженности агрегата не влияет на данный показатель.
• Технология зарядки никель кадмиевых аккумуляторов относительно проста. Ее смогут реализовать и новички-автомобилисты.
• Эксплуатировать такие источники питания можно и в зимний период, в жестких условиях.
• Емкость не снижается даже при минусовой температуре.

Отрицательные стороны

• Устройства обладают таким свойством, как «эффект памяти». Для его устранения возникает потребность в проведении определенных мероприятий.
• Уровень саморазряда повышенный.
• Если сравнить cd аккумуляторы с иными источниками питания, то можно выделить их невысокую энергетическую плотность.
• Для подготовки применены токсичные компоненты. Поэтому некоторые государства не используют такие аккумуляторные батареи, не занимаются их изготовлением.
• Для утилизации таких агрегатов применяют соответствующее оборудование. В нашей стране для никель кадмиевых агрегатов подготавливают установки для утилизации, переработки.

Заряд, разряд никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Процесс разряда

Разрядные параметры источника питания во многом зависят от конструктивных особенностей, характеристик электродов и токовыводов. Они же предопределяют величину напряжения и внутреннего сопротивления.

Разрядные параметры зависят от:

• Особенности и структуры сепаратора.
• Качества сборки.
• Количества электролитического состава, которым заполнен корпус.
• Прочее.

При продолжительном разряде nicd источника специалисты рекомендуют пользоваться дисковыми батарейками, который дополнены крупногабаритными прессованными выводами. Поэтому при небольшом увеличении тока емкость разрядная, а также напряжение снижается. Дабы оптимизировать этот показатель, толщину выводов уменьшают, численность увеличивают.

Максимальное значение емкости наблюдается при комнатной температуре. Дальнейшее повышение температуры не влияет на этот параметр. Отрицательная температура провоцирует снижение разрядного напряжения, повышение разрядного тока.

Использование шуруповертов, которые укомплектованы никель-кадмиевыми источниками питания, в зимний период требует осторожности.

Зарядный процесс

В процессе зарядки ni cd аккумуляторов необходимо вводить ограничения по заряду. Ведь в процесс подзарядки внутри корпуса повышается давления, вырабатывается кислород, а коэффициент применения тока понижается.

Как заряжать ni cd батарею? Дабы полностью восстановить заряд, должна быть сообщена емкость в 150–160 процентов. Температурный диапазон – 0-+35 градусов. Если не учитывать температурный диапазон, то давление повысится. Через аварийный клапан будет выделяться кислородная смесь. Поэтому важно заранее определить, как правильно заряжать аккумуляторную батарею.

Разряженный никель-кадмиевый аккумулятор заряжают в различных режимах. От того, какой режим выбран, зависит время зарядки.

1. Током в 0,2 от общей емкости в течение 7 часов.
2. Током в 0,3 от общей емкости не более 4 часов.

Заряжая агрегат в ускоренном режиме (током в 0,4 от имеющейся емкости), перезаряд запрещен, так как это повлечет уменьшение емкости. Устанавливать, до скольки заряжен источник питания, можно с помощью соответствующих устройств. При работе с токами применяется амперметр. Дабы определить количество вольт, используют вольтметр или мультиметр.

Зарядник для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Для заряда ni cd батареи используют реверсивные и автоматические зарядники.

Автоматическое зарядное устройство для ni cd отличается простотой использования. С его помощью можно подзарядить 2–4 батарейки для шуруповерта или другой бытовой техники. После размещения батарейки в ЗУ устанавливается режим, число. После этого агрегат подключают к сети.

Автоматические модели оснащены индикаторами, с помощью которых определяется состояние заряжаемых источников питания при работе с током. Такие устройства подходят и для того, чтобы разряжать ni cd батареи.

Импульсные зарядники отличаются более сложной конструкцией. Их можно использовать при работе со значительным током. Поскольку их относят к профессиональным агрегатам, перед использованием изучается, как зарядить источник питания, как выставить требуемые параметры.

Реверсные (импульсные) модели подходят для циклической подачи ток заряда и разряда. При разряде и заряде заранее определяются параметры тока, напряжения.

Особенности использования

Продолжительная эксплуатация влияет на функционирование и работоспособность кадмий никелевых акб. К ухудшению работоспособности и выходу из строя приводят:

• Рабочая поверхность токопроводящих выводов уменьшается.
• Активная масса токопроводящих выводов существенно уменьшается.
• Щелочной электролитический состав меняет состав, неправильно перераспределяется по источнику питания.
• Образуется утечка по проводящим элементам. В итоге, разрядка заряженного источника питания наступает достаточно быстро.
• Расход жидкости, кислорода возрастает. При чрезмерном выделении кислорода процесс становится необратимым.
• Органические составы начинают распадаться.

Восстановление никель-кадмиевых аккумуляторов

Процедура восстановления никель кадмиевых аккумуляторов, которые используются для комплектации шуруповёрта, иного портативного агрегата, занимает определенное время. Поскольку стоимость таких акб высокая, перед реализацией следует изучить особенности.

По сути, восстанавливаем никель-кадмиевый аккумулятор шуруповерта импульсным током, который подается в течение 2–4 секунд. Величина тока превышает параметры емкости в 10 и более раз.

Перед тем как восстановить АКБ, подготавливаются определенные элементы и инструменты:

1. Работоспособный источник питания с сильными показателями тока. В качестве АКБ используют автоаккумулятор.
2. Зажимы.
3. Провода.
4. Мультиметр, с помощью которого контролируется напряжение.
5. Защитные предметы.

Процедура восстановления включает определенные мероприятия:

• У блока портативного инструмента или отдельной батареи определяется положительный и отрицательный контакт.
• Пользуясь зажимами или крокодилами, а также отрезками проводов присоединяются минусы.
• Другой конец провода прижимают к положительному контакту. Длительность контакта провода составляет 1–2 секунды (возможно увеличение до 3 секунд). Подобные действия занимают немного времени. При контакте следят за тем, чтобы провода не прикипели к блоку, батарее.

По истечении одного цикла при помощи мультиметра замеряется уровень напряжения. Как только напряжение восстановилось, переходят к набору емкости. Дабы восстановить и выполнить ремонт источника питания, выполняется 2–4 цикла.

Такая методика приносит ожидаемый эффект лишь на короткий срок. Все потому, что электролитический состав меняется, изменяется и его объем. В результате, аккумуляторы как источники долго использовать нельзя.

Модернизированная методика

Дабы своими руками восстановить никель кадмиевые аккумуляторы, а также обеспечить их продолжительную эксплуатацию, выполняются следующие действия:

• Все батарейки тщательно проверяются, измеряется напряжение. Те элементы, на которых напряжение близко к нулю, изымаются.
• В корпусе при помощи соответствующего инструмента подготавливаются отверстия, дабы залить 1 см3 дистиллированной воды.
• Источники питания отстаиваются в течение короткого временного промежутка, после чего проводят повторную проверку напряжения.
• Если работоспособность АКБ восстановлена, то сформированные отверстия обрабатывают герметиком, пайкой.
• Блок комплектуется батарейками, повторно заряжается. Портативный инструмент готов к эксплуатации, как только на заряднике индикатор изменит оттенок. Для этих целей стоит пользоваться импульсными зарядными устройствами, которые отличаются обширным функционалом, качественной комплектацией.
• При нулевом напряжении в АКБ вводят дистиллированную воду вновь.
• Процедуру повторяют до тех пор, пока не достигнут положительного результата.

Особенности хранения

На кадмиевые аккумуляторы правила эксплуатации подготовлены специалистами. В инструкции прописано, как хранить источники питания. Выделено несколько основных правил.

Хранить ni cd источники можно только при полной разрядке. Для этих целей используют зарядные устройства, которые оснащены соответствующей функцией. Для опустошения применяют и лампы накаливания с соответствующим количеством ампер.

Хранить аккумуляторные батареи, которые правильно подготовлены, можно долго. Температурные изменения не влияют на состояние и работоспособность.

Для хранения никель кадмиевых аккумуляторов используют помещения. Ведь температурные колебания не провоцируют разрядку, запуск необратимых процессов.

Хотя хранятся никель-кадмиевые аккумуляторы долго, на определенном этапе возникает потребность в утилизации. Для этого следует обратиться в организацию, которая выполняет подобные процессы.

Эффективность никель кадмиевых аккумуляторов сложно переоценить. Ими комплектуют портативные инструменты, используемые в быту и в промышленности. При правильном обращении, соблюдении техники безопасности и условий эксплуатации период применения превышает пять лет.

Видео про Никель кадмиевые аккумуляторы

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.

(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 + 2H 2 O ↔ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 E 0 = 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 . 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/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 - 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 -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 [ ] , 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	фотовспышки , аккумуляторные электрические фонарики, калькуляторы (Б3-34)
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

Напишите отзыв о статье "Никель-кадмиевый аккумулятор"

Литература

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

Примечания

В данной статье или разделе имеется или внешних ссылок , но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок . Утверждения, не , могут быть поставлены под сомнение и удалены. Вы можете улучшить статью, внеся более точные указания на источники.

Гальванический элемент Электрические аккумуляторы Топливные элементы Модели Устройство

Отрывок, характеризующий Никель-кадмиевый аккумулятор

– Мы сейчас очистим вам. – И Тимохин, еще не одетый, побежал очищать.
– Князь хочет.
– Какой? Наш князь? – заговорили голоса, и все заторопились так, что насилу князь Андрей успел их успокоить. Он придумал лучше облиться в сарае.
«Мясо, тело, chair a canon [пушечное мясо]! – думал он, глядя и на свое голое тело, и вздрагивая не столько от холода, сколько от самому ему непонятного отвращения и ужаса при виде этого огромного количества тел, полоскавшихся в грязном пруде.
7 го августа князь Багратион в своей стоянке Михайловке на Смоленской дороге писал следующее:
«Милостивый государь граф Алексей Андреевич.
(Он писал Аракчееву, но знал, что письмо его будет прочтено государем, и потому, насколько он был к тому способен, обдумывал каждое свое слово.)
Я думаю, что министр уже рапортовал об оставлении неприятелю Смоленска. Больно, грустно, и вся армия в отчаянии, что самое важное место понапрасну бросили. Я, с моей стороны, просил лично его убедительнейшим образом, наконец и писал; но ничто его не согласило. Я клянусь вам моею честью, что Наполеон был в таком мешке, как никогда, и он бы мог потерять половину армии, но не взять Смоленска. Войска наши так дрались и так дерутся, как никогда. Я удержал с 15 тысячами более 35 ти часов и бил их; но он не хотел остаться и 14 ти часов. Это стыдно, и пятно армии нашей; а ему самому, мне кажется, и жить на свете не должно. Ежели он доносит, что потеря велика, – неправда; может быть, около 4 тысяч, не более, но и того нет. Хотя бы и десять, как быть, война! Но зато неприятель потерял бездну…
Что стоило еще оставаться два дни? По крайней мере, они бы сами ушли; ибо не имели воды напоить людей и лошадей. Он дал слово мне, что не отступит, но вдруг прислал диспозицию, что он в ночь уходит. Таким образом воевать не можно, и мы можем неприятеля скоро привести в Москву…
Слух носится, что вы думаете о мире. Чтобы помириться, боже сохрани! После всех пожертвований и после таких сумасбродных отступлений – мириться: вы поставите всю Россию против себя, и всякий из нас за стыд поставит носить мундир. Ежели уже так пошло – надо драться, пока Россия может и пока люди на ногах…
Надо командовать одному, а не двум. Ваш министр, может, хороший по министерству; но генерал не то что плохой, но дрянной, и ему отдали судьбу всего нашего Отечества… Я, право, с ума схожу от досады; простите мне, что дерзко пишу. Видно, тот не любит государя и желает гибели нам всем, кто советует заключить мир и командовать армиею министру. Итак, я пишу вам правду: готовьте ополчение. Ибо министр самым мастерским образом ведет в столицу за собою гостя. Большое подозрение подает всей армии господин флигель адъютант Вольцоген. Он, говорят, более Наполеона, нежели наш, и он советует все министру. Я не токмо учтив против него, но повинуюсь, как капрал, хотя и старее его. Это больно; но, любя моего благодетеля и государя, – повинуюсь. Только жаль государя, что вверяет таким славную армию. Вообразите, что нашею ретирадою мы потеряли людей от усталости и в госпиталях более 15 тысяч; а ежели бы наступали, того бы не было. Скажите ради бога, что наша Россия – мать наша – скажет, что так страшимся и за что такое доброе и усердное Отечество отдаем сволочам и вселяем в каждого подданного ненависть и посрамление. Чего трусить и кого бояться?. Я не виноват, что министр нерешим, трус, бестолков, медлителен и все имеет худые качества. Вся армия плачет совершенно и ругают его насмерть…»

В числе бесчисленных подразделений, которые можно сделать в явлениях жизни, можно подразделить их все на такие, в которых преобладает содержание, другие – в которых преобладает форма. К числу таковых, в противоположность деревенской, земской, губернской, даже московской жизни, можно отнести жизнь петербургскую, в особенности салонную. Эта жизнь неизменна.
С 1805 года мы мирились и ссорились с Бонапартом, мы делали конституции и разделывали их, а салон Анны Павловны и салон Элен были точно такие же, какие они были один семь лет, другой пять лет тому назад. Точно так же у Анны Павловны говорили с недоумением об успехах Бонапарта и видели, как в его успехах, так и в потакании ему европейских государей, злостный заговор, имеющий единственной целью неприятность и беспокойство того придворного кружка, которого представительницей была Анна Павловна. Точно так же у Элен, которую сам Румянцев удостоивал своим посещением и считал замечательно умной женщиной, точно так же как в 1808, так и в 1812 году с восторгом говорили о великой нации и великом человеке и с сожалением смотрели на разрыв с Францией, который, по мнению людей, собиравшихся в салоне Элен, должен был кончиться миром.
В последнее время, после приезда государя из армии, произошло некоторое волнение в этих противоположных кружках салонах и произведены были некоторые демонстрации друг против друга, но направление кружков осталось то же. В кружок Анны Павловны принимались из французов только закоренелые легитимисты, и здесь выражалась патриотическая мысль о том, что не надо ездить во французский театр и что содержание труппы стоит столько же, сколько содержание целого корпуса. За военными событиями следилось жадно, и распускались самые выгодные для нашей армии слухи. В кружке Элен, румянцевском, французском, опровергались слухи о жестокости врага и войны и обсуживались все попытки Наполеона к примирению. В этом кружке упрекали тех, кто присоветывал слишком поспешные распоряжения о том, чтобы приготавливаться к отъезду в Казань придворным и женским учебным заведениям, находящимся под покровительством императрицы матери. Вообще все дело войны представлялось в салоне Элен пустыми демонстрациями, которые весьма скоро кончатся миром, и царствовало мнение Билибина, бывшего теперь в Петербурге и домашним у Элен (всякий умный человек должен был быть у нее), что не порох, а те, кто его выдумали, решат дело. В этом кружке иронически и весьма умно, хотя весьма осторожно, осмеивали московский восторг, известие о котором прибыло вместе с государем в Петербург.
В кружке Анны Павловны, напротив, восхищались этими восторгами и говорили о них, как говорит Плутарх о древних. Князь Василий, занимавший все те же важные должности, составлял звено соединения между двумя кружками. Он ездил к ma bonne amie [своему достойному другу] Анне Павловне и ездил dans le salon diplomatique de ma fille [в дипломатический салон своей дочери] и часто, при беспрестанных переездах из одного лагеря в другой, путался и говорил у Анны Павловны то, что надо было говорить у Элен, и наоборот.
Вскоре после приезда государя князь Василий разговорился у Анны Павловны о делах войны, жестоко осуждая Барклая де Толли и находясь в нерешительности, кого бы назначить главнокомандующим. Один из гостей, известный под именем un homme de beaucoup de merite [человек с большими достоинствами], рассказав о том, что он видел нынче выбранного начальником петербургского ополчения Кутузова, заседающего в казенной палате для приема ратников, позволил себе осторожно выразить предположение о том, что Кутузов был бы тот человек, который удовлетворил бы всем требованиям.
Анна Павловна грустно улыбнулась и заметила, что Кутузов, кроме неприятностей, ничего не дал государю.
– Я говорил и говорил в Дворянском собрании, – перебил князь Василий, – но меня не послушали. Я говорил, что избрание его в начальники ополчения не понравится государю. Они меня не послушали.
– Все какая то мания фрондировать, – продолжал он. – И пред кем? И все оттого, что мы хотим обезьянничать глупым московским восторгам, – сказал князь Василий, спутавшись на минуту и забыв то, что у Элен надо было подсмеиваться над московскими восторгами, а у Анны Павловны восхищаться ими. Но он тотчас же поправился. – Ну прилично ли графу Кутузову, самому старому генералу в России, заседать в палате, et il en restera pour sa peine! [хлопоты его пропадут даром!] Разве возможно назначить главнокомандующим человека, который не может верхом сесть, засыпает на совете, человека самых дурных нравов! Хорошо он себя зарекомендовал в Букарещте! Я уже не говорю о его качествах как генерала, но разве можно в такую минуту назначать человека дряхлого и слепого, просто слепого? Хорош будет генерал слепой! Он ничего не видит. В жмурки играть… ровно ничего не видит!
Никто не возражал на это.
24 го июля это было совершенно справедливо. Но 29 июля Кутузову пожаловано княжеское достоинство. Княжеское достоинство могло означать и то, что от него хотели отделаться, – и потому суждение князя Василья продолжало быть справедливо, хотя он и не торопился ого высказывать теперь. Но 8 августа был собран комитет из генерал фельдмаршала Салтыкова, Аракчеева, Вязьмитинова, Лопухина и Кочубея для обсуждения дел войны. Комитет решил, что неудачи происходили от разноначалий, и, несмотря на то, что лица, составлявшие комитет, знали нерасположение государя к Кутузову, комитет, после короткого совещания, предложил назначить Кутузова главнокомандующим. И в тот же день Кутузов был назначен полномочным главнокомандующим армий и всего края, занимаемого войсками.
9 го августа князь Василий встретился опять у Анны Павловны с l"homme de beaucoup de merite [человеком с большими достоинствами]. L"homme de beaucoup de merite ухаживал за Анной Павловной по случаю желания назначения попечителем женского учебного заведения императрицы Марии Федоровны. Князь Василий вошел в комнату с видом счастливого победителя, человека, достигшего цели своих желаний.
– Eh bien, vous savez la grande nouvelle? Le prince Koutouzoff est marechal. [Ну с, вы знаете великую новость? Кутузов – фельдмаршал.] Все разногласия кончены. Я так счастлив, так рад! – говорил князь Василий. – Enfin voila un homme, [Наконец, вот это человек.] – проговорил он, значительно и строго оглядывая всех находившихся в гостиной. L"homme de beaucoup de merite, несмотря на свое желание получить место, не мог удержаться, чтобы не напомнить князю Василью его прежнее суждение. (Это было неучтиво и перед князем Василием в гостиной Анны Павловны, и перед Анной Павловной, которая так же радостно приняла эту весть; но он не мог удержаться.)
– Mais on dit qu"il est aveugle, mon prince? [Но говорят, он слеп?] – сказал он, напоминая князю Василью его же слова.
– Allez donc, il y voit assez, [Э, вздор, он достаточно видит, поверьте.] – сказал князь Василий своим басистым, быстрым голосом с покашливанием, тем голосом и с покашливанием, которым он разрешал все трудности. – Allez, il y voit assez, – повторил он. – И чему я рад, – продолжал он, – это то, что государь дал ему полную власть над всеми армиями, над всем краем, – власть, которой никогда не было ни у какого главнокомандующего. Это другой самодержец, – заключил он с победоносной улыбкой.
– Дай бог, дай бог, – сказала Анна Павловна. L"homme de beaucoup de merite, еще новичок в придворном обществе, желая польстить Анне Павловне, выгораживая ее прежнее мнение из этого суждения, сказал.
– Говорят, что государь неохотно передал эту власть Кутузову. On dit qu"il rougit comme une demoiselle a laquelle on lirait Joconde, en lui disant: «Le souverain et la patrie vous decernent cet honneur». [Говорят, что он покраснел, как барышня, которой бы прочли Жоконду, в то время как говорил ему: «Государь и отечество награждают вас этой честью».]
– Peut etre que la c?ur n"etait pas de la partie, [Может быть, сердце не вполне участвовало,] – сказала Анна Павловна.
– О нет, нет, – горячо заступился князь Василий. Теперь уже он не мог никому уступить Кутузова. По мнению князя Василья, не только Кутузов был сам хорош, но и все обожали его. – Нет, это не может быть, потому что государь так умел прежде ценить его, – сказал он.
– Дай бог только, чтобы князь Кутузов, – сказала Анпа Павловна, – взял действительную власть и не позволял бы никому вставлять себе палки в колеса – des batons dans les roues.
Князь Василий тотчас понял, кто был этот никому. Он шепотом сказал:
– Я верно знаю, что Кутузов, как непременное условие, выговорил, чтобы наследник цесаревич не был при армии: Vous savez ce qu"il a dit a l"Empereur? [Вы знаете, что он сказал государю?] – И князь Василий повторил слова, будто бы сказанные Кутузовым государю: «Я не могу наказать его, ежели он сделает дурно, и наградить, ежели он сделает хорошо». О! это умнейший человек, князь Кутузов, et quel caractere. Oh je le connais de longue date. [и какой характер. О, я его давно знаю.]
– Говорят даже, – сказал l"homme de beaucoup de merite, не имевший еще придворного такта, – что светлейший непременным условием поставил, чтобы сам государь не приезжал к армии.
Как только он сказал это, в одно мгновение князь Василий и Анна Павловна отвернулись от него и грустно, со вздохом о его наивности, посмотрели друг на друга.

В то время как это происходило в Петербурге, французы уже прошли Смоленск и все ближе и ближе подвигались к Москве. Историк Наполеона Тьер, так же, как и другие историки Наполеона, говорит, стараясь оправдать своего героя, что Наполеон был привлечен к стенам Москвы невольно. Он прав, как и правы все историки, ищущие объяснения событий исторических в воле одного человека; он прав так же, как и русские историки, утверждающие, что Наполеон был привлечен к Москве искусством русских полководцев. Здесь, кроме закона ретроспективности (возвратности), представляющего все прошедшее приготовлением к совершившемуся факту, есть еще взаимность, путающая все дело. Хороший игрок, проигравший в шахматы, искренно убежден, что его проигрыш произошел от его ошибки, и он отыскивает эту ошибку в начале своей игры, но забывает, что в каждом его шаге, в продолжение всей игры, были такие же ошибки, что ни один его ход не был совершенен. Ошибка, на которую он обращает внимание, заметна ему только потому, что противник воспользовался ею. Насколько же сложнее этого игра войны, происходящая в известных условиях времени, и где не одна воля руководит безжизненными машинами, а где все вытекает из бесчисленного столкновения различных произволов?

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.