Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы относятся к группе щелочных. Это химические источники тока, в которых в роли анода выступает водородный металлогидридный электрод, катода — оксид никеля, а электролитом является щёлочь гидроксид калия (KOH). Ni-MH аккумуляторы имеют конструкцию, аналогичную Ni-Cd аккумуляторам. По протекающим в них процессам они похожи на никель-водородные аккумуляторы. По своей удельной энергоёмкости никель-металлогидридные превосходят оба этих типа. В этой статье мы подробно разберём устройство и характеристики Ni-MH аккумуляторы, также их плюсы и минусы.

Никель-металлогидридные начали создавать ещё в середине прошлого века. Они разрабатывались с учётом преодолеть те недостатки, которые имели . Во время проводимых исследований учёные разработали новые никель-водородные батареи, применяемые в космической технике. Им удалось разработать новый способ накопления водорода. В новом типе аккумуляторов водород собирался в определённых материалах, а точнее сплавах некоторых металлов. Эти сплавы могли накапливать объем водорода, в тысячу раз превышающий их собственный объем. В состав сплавов входили 2 или более металлов. Один из них накапливал водород, а другой выступал в роли катализатора, который обеспечивал переход атомов водорода в металлическую решётку.

В Ni-MH аккумуляторах могут использоваться различные комбинации металлов. В результате есть возможности по изменению свойств сплава. Для создания никель-металлогидридных аккумуляторов был налажен выпуск сплавов, которые работают в условиях комнатной температуры и при низком давлении водорода. Разработка различных сплавов и совершенствование технологии производства Ni-MH аккумуляторов ведётся по настоящее время. Современные образцы аккумуляторов этого типа обеспечивают до 2 тысяч циклов заряд-разряд. При этом ёмкость минусового электрода снижается не больше, чем на 30 процентов. Такой результат достигается при использовании сплавов никеля с различными редкоземельными металлами.

В 1975 году Билл получил патент на сплав LaNi5. Это был первый образец никель-металлогидридного аккумулятора, где этот сплав был в роли активного вещества. Что касается более ранних экземпляров из других металлогидридных сплавов, то там не была обеспечена требуемая ёмкость.

Промышленный выпуск Ni-MH аккумуляторов был организован лишь в середине восьмидесятых годов, когда был получен сплав состава La-Ni-Co. Он позволял проводить обратимое абсорбирование водорода больше ста циклов. В дальнейшем все усовершенствования конструкции Ni-MH аккумуляторных батарей сводились к наращиванию энергетической плотности.

В дальнейшем был заменён отрицательный электрод, что дало увеличение активной массы плюсового электрода в 1,3-2 раза. Именно от плюсового электрода и зависит ёмкость этого типа аккумуляторов. Ni-MH аккумуляторы обладают более высокими удельными энергетическими параметрами, чем никель-кадмиевые.

Помимо высокой энергетической плотности никель-металлогидридных аккумуляторных батарей, они ещё состоят из нетоксичных материалов, что упрощает их эксплуатацию и утилизацию. Благодаря этим факторам аккумуляторы Ni-MH стали успешно распространяться. Дополнительно можете прочитать про для автомобиля.

Применение никель-металлогидридных аккумуляторов

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

Особенности зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов

Количество циклов заряд-разряд и срок эксплуатации Ni-MH аккумулятора во многом зависят от условий его использования. Эти две величины сокращаются при увеличении скорости разряда и его глубины. Также прямое влияние оказывают скорость заряда и контроль его окончания. Типы никель-металлогидридных аккумуляторов различаются. В зависимости от типа и условий эксплуатации наработка может составлять 500-1000 циклов заряд-разряд и время службы 3-5 лет. Эти данные справедливы при глубине разряда 80 процентов.

Чтобы Ni-MH аккумулятор надёжно работал в течение всего срока эксплуатации необходимо выполнять определённые рекомендации производителей батарей. Особенно следует соблюдать температурный режим. Не следует допускать сильного разряда (менее 1 вольта) и короткого замыкания. Нельзя использовать новые никель-металлогидридные аккумуляторы в сочетании с использованными. Не припаивайте к аккумуляторам провода и другие элементы.

Перезаряд для Ni-MH аккумуляторов гораздо более чувствительная вещь, чем для Ni-Cd. Для этого типа аккумуляторов перезаряд может вызвать тепловой разгон. В большинстве случаев зарядка выполняется током величиной 0,1*С в течение 15 часов. Если это компенсационная подзарядка, то величина тока составляет 0,01-0,03С в течение 30 часов.

Есть ещё ускоренный (4-5 часов) и быстрый (один час) режимы заряда. Их, возможно, использовать для никель-металлогидридных аккумуляторов с высокоактивными электродами. В случае использования таких режимов нужно контролировать процесс по изменению напряжения, температуры и прочих параметров. Быстрый заряд используется для зарядки Ni-MH аккумуляторов, работающих в сотовых телефонах, ноутбуках, электроинструменте. Но в этих устройствах доминирующими уже стали различные типы литиевых аккумуляторов.

• Первая ступень. Заряд током 1С и более;
• Вторая ступень. Заряд током 0,1С (по времени от 30 минут до одного часа);
• Заключительная подзарядка. Заряд током 0,05-0,02С (компенсационный подзаряд).

Как правило, вся основная информация о методике заряда никель-металлогидридных аккумуляторов находится в инструкции производителя. Рекомендуемый ток зарядки наносится на корпусе батареи. Также рекомендуем прочитать отдельный материал о том, .

В общем случае напряжение заряда при токе зарядки 0,3-1С находится в пределах 1,4-1,5 вольта. Поскольку на положительном электроде выделяется кислород, электричество, передаваемое при заряде, превышает величину разрядной ёмкости. Отдача по ёмкости определяется, как разрядная ёмкость / величину переданного при заряде электричества. При умножении на 100 получаем отдачу в процентах. Для цилиндрических и дисковых Ni-MH аккумуляторов эта величина отличается и равна 85-90 и 75-80, соответственно.

Как контролируется заряд и разряд аккумуляторных батарей металлогидридного типа. Чтобы предотвратить перезаряд Ni-MH аккумуляторов производители применяют способы контроля заряда с установкой датчиков в батареях или зарядных устройствах. Вот основные способы:

• Заряд останавливается по значению абсолютной температуры. В ходе зарядки температура аккумулятора постоянно контролируется и при достижении максимально допустимого значения быстрый заряд останавливается;
• Заряд останавливается в зависимости от скорости изменения температуры. В данном случае контролируется крутизна кривой температуры аккумулятора. При достижении определённого порогового значения, зарядка останавливается;
• Заряд останавливается по падению напряжения. Когда процесс заряда никель-металлогидридного аккумулятора подходит к концу, увеличивается температура и уменьшается напряжение, по снижению которого и работает этот метод;
• Заряд останавливается просто по достижении максимального времени, отведённого на заряд;
• Заряд останавливается по величине максимального давления. Такой способ контроля применяется в Ni-MH аккумуляторах призматической конструкции. Величина допустимого давления в таких аккумуляторах находится в пределах 0,05-0,8 МПа и определяется конструкцией батареи;
• Заряд останавливается по значению максимального напряжения. Этот метод используется в аккумуляторах с большим внутренним сопротивлением.

Метод по контролю максимальной температуры имеет недостаточную точность. При нём аккумулятор может перезарядиться лишнего, если вокруг холодно, или получить недостаточный заряд, если вокруг жарко.

Способ контроля по изменению температуры хорошо показывает себя, когда процесс зарядки ведётся при низкой температуре ОС. Если использовать его при высокой температуре окружающей среды, то аккумулятор может излишне нагреваться перед тем, как отключиться. При таком методе контроля при низкой температуре аккумулятор получает большую входную ёмкость, чем при высокой.

На начальном и конечном этапе заряда Ni-MH аккумуляторных батарей быстро увеличивается температура. Это может привести к срабатыванию датчика. Поэтому производители применяют специальные таймеры для защиты срабатывания датчика.

Метод по падению напряжения хорошо показывает себя при низкой температуре ОС и имеет много схожего с контролем по изменению температуры.

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

• по максимальной температуре (предел 50-60 градусов);
• по снижению напряжения (5-15 мВ);
• по максимальному времени заряда (берётся в расчёте для получения ёмкости 120 процентов от номинальной);
• по максимальному напряжению (1,6-1,8 В).

Метод снижения напряжения может меняться на разницу температур за определённое время (1-2 градуса в минуту). При этом ставится начальная задержка около 5-10 минут.
После того, как проведён быстрый заряда аккумулятора, зарядное устройство может перейти в режим его подзарядки током 0,1С-0,2С на определённый временной интервал.
Не рекомендуется вести заряд Ni-MH аккумуляторов при постоянном напряжении. Это может вызвать выход из строя. На конечном этапе зарядке ток увеличивается. Он пропорционален дельте напряжений аккумулятора и электропитания. А из-за повышения температуры в конце зарядки напряжение аккумулятора снижается. Если его держать постоянным, то может наступить тепловой выход из строя.

Плюсы и минусы Ni-MH аккумуляторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Опубликовано в

Среди прочих элементов питания часто используются аккумуляторы Ni Mh. Эти батареи отличаются высокими техническими характеристиками, которые позволяют максимально эффективно их использовать. Применяется такой тип АКБ практически повсеместно, ниже мы рассмотрим все особенности таких батарей, а также разберем нюансы эксплуатации и широко известных производителей.

Содрежание

Что такое никель-металлгидридный аккумулятор

Для начала стоит отметить, что никель-металлгидридный относится к вторичным источникам питания. Он не производит энергию, перед работой требуется подзарядка.

Состоит он из двух компонентов:

• анод – гидрид никель-литий или никель-лантан;
• катод – оксид никеля.

Также используется электролит для возбуждения системы. Оптимальным электролитом считается гидроксид калия. Это щелочной источник питания по современной классификации.

Этот тип батарей пришел на смену никель-кадмиевым АКБ. Разработчикам удалось минимизировать недостатки характерные для более ранних типов аккумуляторов. Первые промышленные образцы были поставлены на рынок в конце 80-х годов.

На данный момент удалось значительно повысить плотность запасаемой энергии в сравнении с первыми прототипами. Некоторые специалисты считают, что предел плотности еще не достигнут.

Принцип работы и устройство Ni Mh аккумулятора

Для начала стоит рассмотреть, как работает NiMh-батарея. Как уже упоминалось, состоит этот элемент питания из нескольких компонентов. Разберем их более подробно.

Анодом тут является водородо-абсорбирующий состав. Он способен принимать в себя большое количество водорода, в среднем количество поглощенного элемента может превышать объем электрода в 1000 раз. Для достижения полной стабилизации в сплав добавляют литий или лантан.

Катоды производятся из оксида никеля. Это позволяет получить качественный заряд между катодом и анодом. На практике могут применяться самые разные типы катодов по техническому исполнению:

• ламельные;
• металлокерамические;
• металловойлочные;
• прессованные;
• пеноникель (пенополимер).

Наибольшей емкостью и сроком службы отличаются пенополимерные и металловойлочные катоды.

Проводником между ними является щелочь. Тут использован концентрированный гидроксид калия.

Конструкция батареи может отличатся в зависимости от целей и задач. Чаще всего, это свернутые рулоном анод и катод, между которых находится сепаратор. Также встречаются варианты, где пластины размещаются поочередное, переложенные сепаратором. Обязательным элементом конструкции является предохранительный клапан, он срабатывает при аварийном повышении давления внутри АКБ до 2-4 МПа.

Какие бывают Ni-Mh АКБ и их технические характеристики

Все никель-металл гидридные аккумуляторы - Rechargeable Battery (переводится, как аккумуляторная батарея). АКБ данного типа производятся разных видов и форм. Все они предназначаются для самых разных целей и задач.

Есть такие батареи, которые на данный момент почти не применяются, или используются ограниченно. К таким АКБ можно отнести тип «Крона» ее маркировали 6KR61, раньше они применялись повсеместно, сейчас встретить их можно только в старом оборудовании. Батареи типа 6KR61 имели напряжение 9v.

Мы же разберем основные типы батарей и их характеристики, которые применяются сейчас.

• АА. . Емкость колеблется в пределах 1700-2900 мА/ч.
• ААА. . Иногда маркируются MN2400 или MX2400. Емкость – 800-1000 мА/ч.
• С. Средние по размерам батареи. Имеют емкость в пределах 4500-6000 мА/ч.
• D. Наиболее мощный тип батарей. Емкость от 9000 до 11500 мА/ч.

Все перечисленные батареи имеют напряжение 1,5v. Также есть некоторые модели с напряжением 1,2v. Максимальное напряжение 12v (за счет соединения 10 батареек 1,2v).

Плюсы и минусы Ni-Mh аккумулятора

Как уже упоминалось, этот тип АКБ пришел на смену более старым разновидностям. В отличие от аналогов, значительно снизили «эффект памяти». Также снизили количество используемых вредных для природы веществ в процессе создания.

Аккумуляторный блок из 8 батареек на 1,2v

К плюсам можно отнести следующие нюансы.

• Хорошо работают при низких температурах. Особенно это важно для оборудования, эксплуатируемого на улице.
• Сниженный «эффект памяти». Но, все же он присутствует.
• Нетоксичные батареи.
• Более высокая емкость в сравнении с аналогами.

Также у аккумуляторов этого типа имеются и недостатки.

• Более высокая величина саморазряда.
• Дороже в производстве.
• Примерно через 250-300 циклов заряд/разряд емкость начинает снижаться.
• Ограниченный срок эксплуатации.

Где применяются никель металлгидридные АКБ

Благодаря большой емкости использовать подобные батареи можно повсеместно. Будь-то шуруповерт, или сложный измерительный прибор, в любом случае подобный аккумулятор без проблем обеспечит его энергией в должном количестве.

В быту чаще всего такие батареи используются в портативных осветительных приборах и радиоаппаратуре. Тут они показывают хорошие показатели, сохраняя оптимальные потребительские свойства длительное время. Причем могут использоваться как одноразовые элементы, так и многоразовые, регулярно подзаряжаемые от внешних источников питания.

Еще одно применение – приборы. Благодаря достаточной емкости их можно применять в том числе в переносном медицинском оборудовании. Они хорошо работают в тонометрах и глюкометрах. Так как не возникает скачков напряжения, никакого влияния на результат измерения не оказывается.

Многие измерительные приборы в технике приходится применять на улице, в том числе и зимой. Тут металлгидридные батареи просто незаменимы. Благодаря малой реакции на отрицательные температуры, они могут использоваться в самых сложных условиях.

Правила эксплуатации

Нужно учитывать, что у новых батарей достаточно большое внутреннее сопротивление. Чтобы добиться некоторого снижения этого параметра следует в начале использования несколько раз «в ноль» разрядить АКБ. Для этого следует применять зарядные устройства с такой функцией.

Внимание! Это не относится к одноразовым элементам питания.

Часто можно услышать вопрос до скольких вольт можно разряжать никель-металлогидридный аккумулятор. На самом деле его можно разряжать практически до нулевых параметров, в этом случае напряжения будет недостаточно до поддержания работы подключенного прибора.

Даже рекомендуется иногда дожидаться полного разряда. Это позволяет снизить «эффект памяти». Соответственно продлевается срок службы батареи. В остальном эксплуатация элементов питания данного типа не отличается от аналогов.

Нужно ли раскачивать Ni-Mh аккумуляторы

Важным этапом эксплуатации является раскачка АКБ. Никель-металлгидридные батареи также требуют такой процедуры. Особенно это важно после длительного хранения, чтобы восстановить емкость и максимальное напряжение.

Для этого необходимо разряжать до нуля элемент питания. Обратите внимание, что требуется разряжать током. В итоге, вы должны получить минимальное напряжение. Так можно оживить АКБ, даже если с даты изготовления прошло достаточно много времени. Чем дольше лежала батарея, тем больше циклов раскачки требуется. Обычно, чтобы восстановить емкость и сопротивление требуется 2-5 цикла.

Как восстановить Ni Mh аккумулятор

Несмотря на все преимущества и особенности у таких элементов питания все же присутствует «эффект памяти». Если батарея стала терять показатели, значит следует ее восстановить.

Перед началом работы требуется проверить емкость батареи. Иногда оказывается, что практически невозможно добиться улучшения характеристик, в таком случае требуется просто заменить аккумулятор. Также проверяем батарею на предмет неисправности.

Непосредственно сама работа схожа с раскачкой. Но, тут добиваются не полного разряда, а просто снижения напряжения до уровня в 1v. Требуется сделать 2-3 цикла. Если за это время не удалось добиться оптимального результата, стоит признать батарейку негодной. При зарядке нужно выдерживать параметр Дельта Пик для конкретного АКБ.

Хранение и утилизация

Стоит хранить АКБ при температуре, приближенной к 0°C. Это оптимальное состояние. Также необходимо учитывать, что хранение должно происходить только в течение срока годности, эти данные указаны на упаковке, но у разных производителей расшифровка может отличаться.

Производители на которых стоит обратить внимание

Выпускают Ni-Mh аккумуляторы все производители элементов питания. В списке ниже можно увидеть наиболее известные компании предлагающие подобную продукцию.

• Energizer;
• Varta;
• Duracell;
• Minamoto;
• Eneloop;
• Camelion;
• Panasonic;
• Irobot;
• Sanyo.

Если смотреть на качество, у всех оно примерно одинаковое. Но, можно выделить батарейки Varta и Panasonic, у них соотношение цены и качества наиболее оптимальное. В остальном можно использовать любые из перечисленных аккумуляторов без всяких ограничений.

Исследования в области никель-металлгидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке («дружественность» природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов

Преимущества

・ бОльшая емкость - на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
・ намного меньшая выраженность эффекта «памяти» по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами - циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
・ простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
・ экологически безопасны - возможна переработка

Недостатки

・ ограниченное время жизни батареи - обычно около 500-700 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
・ эффект памяти - NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
・ Относительно малый срок хранения батарей - обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
・ Высокий саморазряд батарей
・ Ограниченная мощностная емкость - при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
・ Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
・ Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)

Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ

Современные никель-металлгидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлгидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлгидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлгидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлгидридного аккумулятора необходимо произвести несколько «тренировочных» циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлгидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, «выкипанию» электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлгидридной батареей большой емкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлгидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.

Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлгидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлгидридных аккумуляторов.

Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С

изображение взято с www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781

Никель-металлгидридная батарейка Duracell

изображение взято с www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm

P.P.S.
Схема перспективного направления создания биполярных аккумуляторных батарей

схема взятя с Биполярные свинцово-кислотные батареи

Сравнительная таблица параметров различных типов аккумуляторов

	NiCd	NiMH	Lead Acid	Li-ion	Li-ion polymer	Reusable Alkaline
Энергетическая плотность (W*час/кг)	45-80	60-120	30-50	110-160	100-130	80 (начальная)
Внутреннее сопротивление (включая внутренние схемы), мОм	100-200 при 6В	200-300 при 6В	<100 при 12В	150-250 при 7.2В	200-300 при 7.2В	200-2000 при 6В
Число циклов заряда/разряда (при снижении до 80% от начальной емкости)	1500	300-500	200-300	500-1000	300-500	50 (до 50%)
Время быстрого заряда	1 час типовое	2-4 часа	8-16 часа	2-4 часа	2-4 часа	2-3 часа
Устойчивость к перезаряду	средняя	низкая	высокая	очень низкая	низкая	средняя
Саморазряд / месяц (при комнатной температуре)	20%	30%	5%	10%	~10%	0.3%
Напряжение элемента (номинальное)	1.25В	1.25В	2В	3.6В	3.6В	1.5В
Ток нагрузки - пиковый - оптимальный	20C 1C	5C 0.5C и ниже	5C 0.2C	>2C 1C и ниже	>2C 1C и ниже	0.5C 0.2C и ниже
Температура при эксплуатации (только разряд)	-40 to 60°C	-20 to 60°C	-20 to 60°C	-20 to 60°C	0 to 60°C	0 to 65°C
Требования к обслуживанию	Через 30 – 60 дней	Через 60 – 90 дней	Через 3 – 6 месяцев	Не требуется	Не требуется	Не требуется
Типовая цена (US$, только для сравнения)	$50 (7.2В)	$60 (7.2В)	$25 (6В)	$100 (7.2В)	$100 (7.2В)	$5 (9В)
Цена на цикл (US$)	$0.04	$0.12	$0.10	$0.14	$0.29	$0.10-0.50
Начало коммерческого использования	1950	1990	1970	1991	1999	1992

таблица взята с

Ni-MH аккумуляторы (никель-металлогидридные) входят в группу щелочных. Представляют собой источники тока химического типа, где в качестве катода выступает оксид никеля, анода - водородный металлгидридный электрод. Щелочь является электролитом. Они похожи на никель-водородные аккумуляторы, но превосходят их по энергоемкости.

Производство Ni-MH аккумуляторов началось в середине двадцатого века. Разрабатывались они с учетом недостатков устаревших никель-кадмиевых батарей. В NiNH могут использоваться разные комбинации металлов. Для их производства были разработаны специальные сплавы и металл, работающие при комнатной температуре и низком водородном давлении.

Промышленное производство началось в восьмидесятых годах. Изготавливаются и совершенствуются сплавы и металл для Ni-MH и сегодня. Современные устройства подобного типа могут обеспечивать до 2 тысяч циклов заряд-разряд. Подобный результат достижим по причине применения никелевых сплавов с редкоземельными металлами.

Как используются эти устройства

Никель-металлогидридные аппараты широко используются для питания разного вида электроники, которая функционирует в автономном режиме. Обычно они делаются в виде ААА либо АА батарей. Имеются и другие исполнения. Например, промышленные батареи. Сфера использования Ni-MH аккумуляторов немного шире, чем у никель-кадмиевых, потому что в их составе нет токсичных материалов.

В данный момент реализуемые на отечественном рынке никель-металлогидридные батареи по емкости делятся на 2 группы - 1500-3000 мАч и 300-1000 мАч:

1. Первая применяется в устройствах, имеющих повышенное энергопотребление за короткое время. Это всевозможные плееры, модели с радиоуправлением, фотоаппараты, видеокамеры. В общем, приборы, быстро расходующие энергию.
2. Вторая используется при расходе энергии, который начинается после определенного интервала времени. Это игрушки, фонари, рации. На аккумуляторе работают приборы, умеренно употребляющие электроэнергию, находящиеся в автономном режиме продолжительное время.

Зарядка Ni-MH устройств

Зарядка бывает капельной и быстрой. Изготовители не рекомендуют первую, потому что при ней появляются сложности с точным определением прекращения подачи тока на устройство. По этой причине может возникнуть мощный перезаряд, что приведет к деградации аккумулятора. при помощи быстрого варианта. Коэффициент полезного действия тут несколько выше, чем у капельного вида зарядки. Ток выставляется - 0,5-1 С.

Как заряжается гидридный аккумулятор:

• определяется наличие батареи;
• квалификация устройства;
• предварительная зарядка;
• быстрая зарядка;
• дозарядка;
• поддерживающая зарядка.

При быстрой зарядке нужно иметь хорошее ЗУ. Оно должно контролировать окончание процесса по разным, независимым друг от друга критериям. К примеру, у Ni-Cd аппаратов достаточно контроля по дельте напряжения. А у NiMH нужно, чтобы аккумулятор следил за температурой и дельтой как минимум.

Для правильной работы Ni-MH следует помнить «Правило трех П»: «Не перегревать», «Не перезаряжать», «Не переразряжать».

Чтобы предупредить перезарядку батарей, используются такие методы контролирования:

1. Прекращение заряда по скорости изменения температуры . При использовании данной методики во время зарядки температура батареи находится под постоянным контролем. Когда показатели поднимаются быстрее, чем нужно, зарядка прекращается.
2. Метод прекращения заряда по максимальному его времени .
3. Прекращение заряда по абсолютной температуре . Тут температура аккумуляторной батареи контролируется в процессе заряда. При достижении максимального значения быстрый заряд прекращается.
4. Метод прекращения по отрицательной дельте напряжения . Перед завершением зарядки батареи при осуществлении кислородного цикла повышается температура NiMH устройства, что приводит к понижению напряжения.
5. Максимальное напряжение . Метод используется для отключения заряда устройств с повышенным внутренним сопротивлением. Последнее появляется в конце срока службы батареи по причине недостатка электролита.
6. Максимальное давление . Метод применяется для призматических аккумуляторов большой емкости. Уровень разрешенного давления в таком устройстве зависит от его размера и конструкции и находится в интервале 0,05-0,8 МПа.

Для уточнения времени зарядки Ni-MH аккумулятора с учетом всех характеристик можно применить формулу: время зарядки (ч) = емкость (мАч) / сила тока зарядного устройства (мА). Например, имеется аккумулятор с емкостью 2000 миллиамперчасов. Ток заряда в ЗУ - 500 мА. Емкость делится на ток и получается 4. То есть батарея будет заряжаться 4 часа.

Обязательные правила, которых нужно придерживаться для правильного функционирования никель-металлогидридного устройства:

1. Эти аккумуляторы гораздо чувствительнее к нагреву, нежели никель-кадмиевые, перегружать их нельзя . Перегрузка отрицательно скажется на токоотдаче (способности держать и выдавать накопленный заряд).
2. Металлогидридные аккумуляторы после приобретения можно «потренировать» . Сделать 3-5 циклов зарядки/разрядки, что позволит достигнуть придела емкости, потерянной при перевозке и хранении устройства после выхода с конвейера.
3. Хранить нужно аккумуляторы с небольшим количеством заряда , примерно 20-40% от номинальной емкости.
4. После разрядки либо зарядки следует дать устройству остыть .
5. Если в электронном устройстве используется одинаковая сборка аккумуляторов в режиме дозаряда , то время от времени нужно разряжать каждый из них до напряжения 0,98, а потом полностью заряжать. Эту процедуру циклирования рекомендуется выполнять один раз на 7-8 циклов дозарядки аккумуляторов.
6. Если нужно разрядить NiMH, то следует придерживаться минимального показателя 0,98 . Если напряжение упадет ниже 0,98, то он может перестать заряжаться.

Восстановление Ni-MH аккумуляторов

Из-за «эффекта памяти» данные устройства иногда теряют некоторые характеристики и большую часть емкости. Это происходит при многократных циклах неполной разрядки и последующей зарядке. В результате такой работы устройство «запоминает» меньшую границу разрядки, по этой причине понижается его емкость.

Чтобы избавиться от данной проблемы, нужно постоянно выполнять тренировку и восстановление. Лампочкой либо зарядным устройством разряжается до 0,801 вольта, далее батарея полностью заряжается. Если долгое время аккумулятор не проходил процесс восстановления, то желательно произвести 2-3 подобных цикла. Тренировать его желательно раз в 20-30 дней.

Изготовители аккумуляторов Ni-MH утверждают, что «эффект памяти» отнимает примерно 5% емкости. Восстановить ее можно с помощью тренировок. Важным моментом при восстановлении Ni-MH является наличие у ЗУ функции разрядки с контролем минимального напряжения. Что нужно для недопущения сильного разряда устройства при восстановлении. Это незаменимо, когда неизвестна начальная степень заряда, и предположить ориентировочное время разряда невозможно.

Если неизвестна степень заряженности батареи, разряжать ее следует под полным контролем напряжения, иначе подобное восстановление приведет к глубокой разрядке. При восстановлении целой батареи сначала рекомендуется провести полную зарядку, чтобы выровнять степень заряда.

Если аккумулятор отработал несколько лет, то восстановление зарядом и разрядом может быть бесполезным. Полезно оно для профилактики в процессе работы устройства. При эксплуатации NiMH вместе с появлением «эффекта памяти» происходит изменения объема и состава электролита. Стоит помнить, что разумнее восстанавливать элементы аккумулятора по отдельности, чем всю батарею целиком. Срок годности аккумуляторов - от одного года до пяти (зависит от конкретной модели).

Достоинства и недостатки

Значительное повышение энергетических параметров никель-металлогидридных аккумуляторов не является единственным их достоинством перед кадмиевыми. Отказавшись от использования кадмия, производители начали использовать более экологически чистый металл. Гораздо легче решаются вопросы с .

Благодаря этим достоинствам и тому, что в изготовлении используется металл - никель, производство Ni-MH устройств резко выросло, если сравнивать с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Удобны они и тем, что для уменьшения разрядного напряжения при длительных перезарядках проводить полную разрядку (до 1 вольта) надо раз в 20-30 дней.

Немного о недостатках:

1. Изготовители ограничили Ni-MH батареи десятью элементами , потому что с увеличением циклов заряд-разряд и срока службы появляется опасность перегрева и переполюсовки.
2. Эти аккумуляторы работают в более узком температурном диапазоне, нежели никель-кадмиевые . Уже при -10 и +40°С они теряют свою работоспособность.
3. При зарядке Ni-MH аккумулятора выделяют много тепла , поэтому нуждаются в предохранителях либо температурных реле.
4. Повышенный самозаряд , наличие которого обусловлено реакцией оксидно-никелевого электрода с водородом из электролита.

Деградация Ni-MH батарей определяется понижением сорбирующей способности отрицательного электрода при циклировании. В цикле разрядки-зарядки происходит изменение объема кристаллической решетки, что способствует образованию ржавчины, трещин во время реакции с электролитом. Появление коррозии происходит при поглощении батареей водорода и кислорода. Это приводит к уменьшению количества электролита и повышению внутреннего сопротивления.

Нужно учитывать, что характеристики батарей зависят от технологии обработки сплава отрицательного электрода, его структуры и состава. Металл для сплавов тоже имеет значение. Все это заставляет производителей очень внимательно выбирать поставщиков сплавов, а потребителей - завод-изготовитель.

Данная статья про Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы уже давно является классикой на просторах российского интернета. Рекомендую ознакомиться …

Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы по своей конструкции являются аналогами никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, а по электрохимическим процессам — никель-водородных аккумуляторов. Удельная энергия Ni-MH аккумулятора существенно выше удельной энергии Ni-Cd и водородных аккумуляторов (Ni-H2)

ВИДЕО: Аккумуляторы никель-металлгидридные (NiMH)

Сравнительные характеристики аккумуляторов

Параметры	Ni-Cd	Ni-H2	Ni-MH
Номинальное напряжение, V	1.2	1.2	1.2
Удельная энергия: Втч/кг | Втч/л	20-40 60-120	40-55 60-80	50-80 100-270
Срок службы: годы | циклы	1-5 500-1000	2-7 2000-3000	1-5 500-2000
Саморазряд, %	20-30 (за 28 сут.)	20-30 (за 1 сут.)	20-40 (за 28 сут.)
Рабочая температура, °С	-50 — +60	-20 — +30	-40 — +60

***Большой разброс некоторых параметров в таблице вызван различным назначением (конструкциями) аккумуляторов. Кроме того, в таблице не учитываются данные по современным аккумуляторам с низким саморазрядом

История Ni-MH аккумулятора

Разработка никель-металл-гидридных (Ni-MH) аккумуляторных батарей началась в 50-70-х гг прошлого века. В результате был создан новый способ сохранения водорода в никель-водородных батареях, которые использовались в космических аппаратах. В новом элементе водород накапливался в сплавах определенных металлов. Сплавы, абсорбирующие водород в объеме в 1000 раз больше их собственного объема, были найдены в 1960-х годах. Эти сплавы состоят из двух или нескольких металлов, один из которых абсорбирует водород, а другой является катализатором, способствующим диффузии атомов водорода в решетку металла. Количество возможных комбинаций применяемых металлов практически не ограничено, что дает возможность оптимизировать свойства сплава. Для создания Ni-MH аккумуляторов потребовалось создание сплавов, работоспособных при малом давлении водорода и комнатной температуре. В настоящее время работа по созданию новых сплавов и технологий их обработки продолжается во всем мире. Сплавы никеля с металлами редкоземельной группы могут обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда аккумулятора при понижении емкости отрицательного электрода не более чем на 30 %. Первый Ni-MH аккумулятор, в котором в качестве основного активного материала металлгидридного электрода применялся сплав LaNi5, был запатентован Биллом в 1975 г. В ранних экспериментах с металлгидридными сплавами, никель-металлгидридные аккумуляторы работали нестабильно, и требуемой емкости батарей достичь не получалось. Поэтому промышленное использование Ni-MH аккумуляторов началось только в середине 80-х годов после создания сплава La-Ni-Co, позволяющего электрохимически обратимо абсорбировать водород на протяжении более 100 циклов. С тех пор конструкция Ni-MH аккумуляторных батарей непрерывно совершенствовалась в сторону увеличения их энергетической плотности. Замена отрицательного электрода позволила повысить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора. Поэтому Ni-MH аккумуляторы имеют по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами значительно более высокими удельными энергетическими характеристиками. Успех распространению никель-металлгидридных аккумуляторных батарей обеспечили, высокая энергетическая плотность и нетоксичностъ материалов, используемых при их производстве.

Основные процессы Ni-MH аккумуляторов

В Ni-MH аккумуляторах в качестве положительного электрода используется оксидно-никелевый электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, а электрод из сплава никеля с редкоземельными металлами, поглощающий водород, используется вместо отрицательного кадмиевого электрода. На положительном оксидно-никелевом электроде Ni-MH аккумулятора протекает реакция:

Ni(OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e — (заряд) NiOOH + H 2 O + e — → Ni(OH) 2 + OH — (разряд)

На отрицательном электроде металл с абсорбированным водородом превращается в металлгидрид:

M + H 2 O + e — → MH + OH- (заряд) MH + OH — → M + H 2 O + e — (разряд)

Общая реакция в Ni-MH аккумуляторе записывается в следующем виде:

Ni(OH) 2 + M → NiOOH + MH (заряд) NiOOH + MH → Ni(OH) 2 + M (разряд)

Электролит в основной токообразующей реакции не участвует. После сообщения 70-80 % емкости и при перезаряде на оксидно-никелевом электроде начинает выделяться кислород,

2OH- → 1/2O 2 + H2O + 2e — (перезаряд)

который восстанавливается на отрицательном электроде:

1/2O 2 + H 2 O + 2e — → 2OH — (перезаряд)

Две последние реакции обеспечивают замкнутый кислородный цикл. При восстановлении кислорода обеспечивается еще и дополнительное повышение емкости металлгидридного электрода за счет образования группы ОН — .

Конструкция электродов Ni-MH аккумуляторов

Металлводородный электрод

Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является водород-абсорбирующий сплав, который может поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий свой собственный объем. Самое большое распространение получили сплавы типа LaNi5, в которых часть никеля заменена марганцем, кобальтом и алюминием для увеличения стабильности и активности сплава. Для уменьшения стоимости некоторые фирмы-производители вместо лантана применяют миш-металл (Мm, который представляет собой смесь редкоземельных элементов, их соотношение в смеси близко к соотношению в природных рудах), включающий кроме лантана также церий, празеодим и неодим. При зарядно-разрядном циклировании имеет место расширение и сжатие на 15-25% кристаллической решетки водородабсорбирующих сплавов из-за абсорбции и десорбции водорода. Такие изменения ведут к образованию трещин в сплаве из-за увеличения внутреннего напряжения. Образование трещин вызывает увеличение площади поверхности, которая подвергается коррозии при взаимодействии со щелочным электролитом. По этим причинам разрядная емкость отрицательного электрода постепенно понижается. В аккумуляторе с ограниченным количеством электролита, это порождает проблемы, связанные с перераспределением электролита. Коррозия сплава приводит к химической пассивности поверхности из-за образования стойких к коррозии оксидов и гидроксидов, которые повышают перенапряжение основной токообразующей реакции металлогидридного электрода. Образование продуктов коррозии происходит с потреблением кислорода и водорода из раствора электролита, что, в свою очередь, вызывает снижение количества электролита в аккумуляторе и повышение его внутреннего сопротивления. Для замедления нежелательных процессов диспергирования и коррозии сплавов, определяющих срок службы Ni-MH аккумуляторов, применяются (помимо оптимизации состава и режима производства сплава) два основных метода. Первый метод заключается в микрокапсулировании частиц сплава, т.е. в покрытии их поверхности тонким пористым слоем (5-10 %) — по массе никеля или меди. Второй метод, нашедший наиболее широкое применение в настоящее время, заключается в обработке поверхности частиц сплава в щелочных растворах с формированием защитных пленок, проницаемых для водорода.

Оксидноникелевый электрод

Оксидно-никелевые электроды в массовом производстве изготавливаются в следующих конструктивных модификациях: ламельные, безламельные спеченные (металлокерамические) и прессованные, включая таблеточные. В последние годы начинают использоваться безламельные войлочные и пенополимерные электроды.

Ламельные электроды

Ламельные электроды представляют собой набор объединенных между собой перфорированных коробочек (ламелей), произведенных из тонкой (толщиной 0,1 мм) никелированной стальной ленты.

Спеченные (металлокерамические) электроды

электроды данного типа состоят из пористой (с пористостью не менее 70%) металлокерамической основы, в порах которой располагается активная масса. Основу изготовляют из карбонильного никелевого мелкодисперсного порошка, который в смеси с карбонатом аммония или карбамидом (60-65% никеля, остальное — наполнитель) напрессовывают, накатывают или напыляют на стальную или никелевую сетку. Затем сетку с порошком подвергают термообработке в восстановительной атмосфере (обычно в атмосфере водорода) при температуре 800-960 °С, при этом карбонат аммония или карбамид разлагается и улетучивается, а никель спекается. Полученные таким образом основы имеют толщину 1-2,3 мм, пористость 80-85% и радиус пор 5-20 мкм. Основу поочередно пропитывают концентрированным раствором нитрата никеля или сульфата никеля и нагретым до 60-90 °С раствором щелочи, которая побуждает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. В настоящее время используется также электрохимический метод пропитки, при котором электрод подвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля. Из-за образования водорода раствор в порах пластины подщелачивается, что приводит к осаждению оксидов и гидроксидов никеля в порах пластины. К разновидностям спеченных электродов причисляют фольговые электроды. Электроды производят нанесением на тонкую (0,05 мм) перфорированную никелевую ленту с двух сторон, методом пульверизации, спиртовой эмульсии никелевого карбонильного порошка, содержащей связующие вещества, спеканием и дальнейшей химической или электрохимической пропиткой реагентами. Толщина электрода составляет 0,4-0,6 мм.

Прессованные электроды

Прессованные электроды изготавливают методом напрессовки под давлением 35-60 МПа активной массы на сетку или стальную перфорированную ленту. Активная масса состоит из гидроксида никеля, гидроксида кобальта, графита и связующего вещества.

Металловойлочные электроды

Металловойлочные электроды имеют высокопористую основу, сделанную из никелевых или углеродных волокон. Пористость этих основ — 95 % и более. Войлочный электрод выполнен на базе никелированного полимерного или углеграфитового фетра. Толщина электрода в зависимости от его предназначения находится в диапазоне 0,8-10 мм. Активная масса вносится в войлок разными методами в зависимости от его плотности. Вместо войлока может использоваться пеноникель , получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В высокопористую среду вносятся обычно методом намазки паста, содержащая гидроксид никеля, и связующее. После этого основа с пастой сушится и вальцуется. Войлочные и пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и большим ресурсом.

Конструкция Ni-MH аккумуляторов

Ni-MH аккумуляторы цилиндрической формы

Положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, свернуты в виде рулона, который вставлен в корпус и закрыт герметизирующей крышкой с прокладкой (рисунок 1). Крышка имеет предохранительный клапан, срабатывающий при давлении 2-4 МПа в случае сбоя при эксплуатации аккумулятора.

Рис.1. Конструкция никель-металлгидридного (Ni-MH) аккумулятора: 1-корпус, 2-крышка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-колектор положительного электрода, 6-изоляционное кольцо, 7-отрецательный электрод, 8-сепаротор, 9-положительный электрод, 10-изолятор.

Ni-MH аккумуляторы призматической формы

В призматических Ni-MH аккумуляторах положительные и отрицательные электроды размещены поочередно, а между ними размещается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. На крышке как правило устанавливается клапан или датчик давления (рисунок 2).

Рис.2. Конструкция Ni-MH аккумулятора: 1-корпус, 2-крышка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-изоляционная прокладка, 6-изолятор, 7-отрецательный электрод, 8-сепаротор, 9-положительный электрод.

В Ni-MH аккумуляторах используется щелочной электролит, состоящий из КОН с добавкой LiOH. В качестве сепаратора в Ni-MH аккумуляторах применяются нетканые полипропилен и полиамид толщиной 0,12-0,25 мм, обработанные смачивателем.

Положительный электрод

В Ni-MH аккумуляторах применяются положительные оксидно-никелевые электроды, аналогичные используемым в Ni-Cd аккумуляторах. В Ni-MH аккумуляторах в основном применяются металлокерамические, а в последние годы — войлочные и пенополимерные электроды (см. выше).

Отрицательный электрод

Практическое применение в Ni-MH аккумуляторах нашли пять конструкций отрицательного металлогидридного электрода (см. выше): — ламельная, когда порошок водород-абсорбирующего сплава со связующим веществом или без связующего, запрессован в никелевую сетку; — пеноникелевая, когда паста со сплавом и связующим веществом вводится в поры пеноникелевой основы, а потом сушится и прессуется (вальцуется); — фольговая, когда паста со сплавом и связующим веществом наносится на перфорированную никелевую или стальную никелированную фольгу, а потом сушится и прессуется; — вальцованная, когда порошок активной массы, состоящей из сплава и связующего вещества, наносится вальцеванием (прокаткой) на растяжную никелевую решетку или медную сетку; — спеченная, когда порошок сплава напрессовывается на никелевую сетку и после этого спекается в атмосфере водорода. Удельные емкости металлогидридных электродов разных конструкций близки по значению и определяются, в основном, емкостью применяемого сплава.

Характеристики Ni-MH аккумуляторов. Электрические характеристики

Напряжение разомкнутой цепи

Значение напряжения разомкнутой цепи Uр.ц. Ni-MH-системы точно определить тяжело вследствие зависимости равновесного потенциала оксидно-никелевого электрода от степени окисленности никеля, а также зависимости равновесного потенциала металлогидридного электрода от степени насыщения его водородом. Через 24 часа после заряда аккумулятора, напряжение разомкнутой цепи заряженного Ni-MH аккумулятора находится в интервале 1,30-1,35В.

Номинальное разрядное напряжение

Uр при нормированном токе разряда Iр = 0,1-0,2С (С — номинальная емкость аккумулятора) при 25°С составляет 1,2-1,25В, обычное конечное напряжение — 1В. Напряжение уменьшается с ростом нагрузки (см. рисунок 3)

Рис.3. Разрядные характеристики Ni-MH аккумулятора при температуре 20°С и разных нормированных токах нагрузки: 1-0,2С; 2-1С; 3-2С; 4-3С

Ёмкость аккумуляторов

С повышением нагрузки (уменьшение времени разряда) и при понижении температуры емкость Ni-MH аккумулятора уменьшается (рисунок 4). Особенно заметно действие снижения температуры на емкость при больших скоростях разряда и при температурах ниже 0°С.

Рис.4. Зависимость разрядной емкости Ni-MH аккумулятора от температуры при разных токах разряда: 1-0,2С; 2-1С; 3-3С

Сохранность и срок службы Ni-MH аккумуляторов

При хранении происходит саморазряд Ni-MH аккумулятора. По прошествии месяца при комнатной температуре потеря емкости составляет 20-30%, а при дальнейшем хранении потери уменьшаются до 3-7% в месяц. Скорость саморазряда повышается при увеличении температуры (см. рисунок 5).

Рис.5. Зависимость разрядной емкости Ni-MH аккумулятора от времени хранения при разных температурах: 1-0°С; 2-20°С; 3-40°С

Зарядка Ni-MH аккумулятора

Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы Ni-MH аккумулятора в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка понижается с увеличением глубины и скорости разряда. Наработка зависит от скорости заряда и способа контроля его окончания. В зависимости от типа Ni-MH аккумуляторов, режима работы и условий эксплуатации аккумуляторы обеспечивают от 500 до 1800 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы (в среднем) от 3 до 5 лет.

Для обеспечения надежной работы Ni-MH аккумулятора в течение гарантированного срока нужно соблюдать рекомендации и инструкцию производителя. Наибольшее внимание следует уделить температурному режиму. Желательно избегать переразрядов (ниже 1В) и коротких замыканий. Рекомендуется использовать Ni-MH аккумуляторы по назначению, избегать сочетания бывших в употреблении и неиспользованных аккумуляторов, не припаивать непосредственно к аккумулятору провода или прочие части. Ni-MH аккумуляторы более чувствительны к перезаряду, чем Ni-Cd. Перезаряд может привести к тепловому разгону. Зарядка как правило производится током Iз=0,1С на протяжении 15 часов. Компенсационный подзаряд производят током Iз=0,01-0,03С на протяжении 30 часов и более. Ускоренный (за 4 — 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. При таких зарядах процесс контролируется по изменению температуры ΔТ и напряжения ΔU и другим параметрам. Быстрый заряд применяется, например, для Ni-MH аккумуляторов, питающих ноутбуки, сотовые телефоны, электрические инструменты, хотя в ноутбуках и сотовых телефонах сейчас в основном используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Рекомендуется также трехступенчатый способ заряда: первый этап быстрого заряда (1С и выше), заряд со скоростью 0,1С в течение 0,5-1 ч для заключительной подзарядки, и заряд со скоростью 0,05-0,02С в качестве компенсационного подзаряда. Информация о способах заряда Ni-MH аккумуляторов обычно содержится в инструкциях фирмы-производителя, а рекомендуемый ток зарядки указан на корпусе аккумулятора. Зарядное напряжение Uз при Iз=0,3-1С лежит в интервале 1,4-1,5В. По причине выделения кислорода на положительном электроде, количество электричества преданного при заряде (Qз) больше разрядной емкости (Ср). При этом отдача по емкости (100 Ср/Qз) составляет 75-80% и 85-90% соответственно для дисковых и цилиндрических Ni-MH аккумуляторов.

Контроль заряда и разряда

Для исключения перезаряда Ni-MH аккумуляторных батарей могут применятся следующие методы контроля заряда с соответствующими датчиками, устанавливаемыми в аккумуляторные батареи или зарядные устройства:

• метод прекращения заряда по абсолютной температуре Тmax. Температура батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а при достижении максимального значения быстрый заряд прерывается;
• метод прекращения заряда по скорости изменения температуры ΔT/Δt. При применении этого метода крутизна температурной кривой аккумуляторной батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а когда этот параметр становится выше определенно установленного значения, заряд прерывается;
• метод прекращения заряда по отрицательной дельте напряжения -ΔU. В конце заряда аккумулятора при осуществлении кислородного цикла начинает повышаться его температура, приводя к уменьшению напряжения;
• метод прекращения заряда по максимальному времени заряда t;
• метод прекращения заряда по максимальному давлению Pmax. Используется обычно в призматических аккумуляторах больших размеров и емкости. Уровень допустимого давления в призматическом аккумуляторе зависит от его конструкции и лежит в интервале 0,05-0,8 МПа;
• метод прекращения заряда по максимальному напряжению Umax. Применяется для отключения заряда аккумуляторов с высоким внутренним сопротивлением, которое появляется в конце срока службы из-за недостатка электролита или при пониженной температуре.

При применении метода Тmax аккумуляторная батарея может быть слишком перезаряжена, если температура окружающей среды понижается, либо батарея может получить недостаточно заряда, если температура окружающей среды значительно повышается. Метод ΔT/Δt может применяться очень эффективно для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды. Но если при более высоких температурах применять только этот метод, то аккумуляторы внутри аккумуляторных батарей будут подвергаться нагреванию до нежелательно высоких температур до того, как может быть достигнуто значение ΔT/Δt для отключения. Для определенного значения ΔT/Δt может быть получена большая входная емкость при более низкой температуре окружающей среды, чем при более высокой температуре. В начале заряда аккумуляторной батареи (как и в конце заряда) происходит быстрое повышение температуры, что может привести к преждевременному отключению заряда при применении метода ΔT/Δt. Для исключения этого разработчики зарядных устройств используют таймеры начальной задержки срабатывания датчика при методе ΔT/Δt. Метод -ΔU является эффективным для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды, а не при повышенных температурах. В этом смысле метод похож на метод ΔT/Δt. Для обеспечения прекращения заряда в тех случаях, когда непредвиденные обстоятельства препятствуют нормальному прерыванию заряда, рекомендуется также использовать контроль по таймеру, регулирующему длительность операции заряда (метод t). Таким образом, для быстрого заряда аккумуляторных батарей нормированными токами 0,5-1С при температурах 0-50 °С целесообразно применять одновременно методы Тmax (с температурой отключения 50-60 °С в зависимости от конструкции аккумуляторов и батарей), -ΔU (5-15 мВ на аккумулятор), t (обычно для получения 120 % номинальной емкости) и Umax (1,6-1,8 В на аккумулятор). Вместо метода -ΔU может использоваться метод ΔT/Δt (1-2 °С/мин) с таймером начальной задержки (5-10 мин). Про контроль заряда так же см. соответствуюшую статью После проведения быстрого заряда аккумуляторной батареи, в зарядных устройствах предусматривают переключение их на подзаряд нормированным током 0,1С — 0,2С в течение определенного времени. Для Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется заряд при постоянном напряжении, так как может произойти «тепловой выход из строя» аккумуляторов. Это связано с тем, что в конце заряда происходит повышение тока, который пропорционален разности между напряжением электропитания и напряжением аккумулятора, а напряжение аккумулятора в конце заряда понижается из-за повышения температуры. При низких температурах скорость заряда должна быть уменьшена. В противном случае кислород не успеет рекомбинироваться, что приведет к росту давления в аккумуляторе. Для эксплуатации в таких условиях рекомендуются Ni-MH аккумуляторы с высокопористыми электродами.

Достоинства и недостатки Ni-MH аккумуляторов

Значительное увеличение удельных энергетических параметров не единственное достоинство Ni-MH аккумуляторов перед Ni-Cd аккумуляторами. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически чистым производствам. Легче решается и проблема утилизации вышедших из строя аккумуляторов. Эти достоинства Ni-MH аккумуляторов определили более быстрый рост объемов их производства у всех ведущих мировых аккумуляторных компаний по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами.

У Ni-MH аккумуляторов нет «эффекта памяти», свойственного Ni-Cd аккумуляторам из-за образования никелата в отрицательном кадмиевом электроде. Однако эффекты, связанные с перезарядом оксидно-никелевого электрода, сохраняются. Уменьшение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих перезарядах так же, как и у Ni-Cd аккумуляторов, может быть устранено при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1В — 0.9В. Такие разряды достаточно проводить 1 раз в месяц. Однако никель-металлогидридные аккумуляторы уступают никель-кадмиевым, которые они призваны заменить, по некоторым эксплуатационным характеристикам:

• Ni-MH аккумуляторы эффективно работают в более узком интервале рабочих токов, что связано с ограниченной десорбцией водорода металлгидридного электрода при очень высоких скоростях разряда;
• Ni-MH аккумуляторы имеют более узкий температурный диапазон эксплуатации: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 °С и выше +40 °С, хотя в отдельных сериях аккумуляторов корректировка рецептур обеспечила расширение температурных границ;
• в течении заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется больше теплоты, чем при заряде Ni-Cd аккумуляторов, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термо-предохранители или термо-реле, которые располагают на стенке одного из аккумуляторов в центральной части батареи (это относится к промышленным аккумуляторным сборкам);
• Ni-MH аккумуляторы имеют повышенный саморазряд, что определяется неизбежностью реакции водорода, растворенного в электролите, с положительным оксидно-никелевым электродом (но, благодаря использованию специальных сплавов отрицательного электрода, получилось достигнуть снижения скорости саморазряда до величин, близких к показателям для Ni-Cd аккумуляторов);
• опасность перегрева при заряде одного из Ni-MH аккумуляторов батареи, а также переполюсования аккумулятора с меньшей емкостью при разряде батареи, возрастает с рассогласованием параметров аккумуляторов в результате продолжительного циклирования, поэтому создание батарей более чем из 10 аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями;
• потери емкости отрицательного электрода, которые имеют место в Ni-MH аккумуляторе при разряде ниже 0 В, необратимы, что выдвигает более жесткие требования к подбору аккумуляторов в батарее и контролю процесса разряда, чем в случае использования Ni-Cd аккумуляторов, как правило рекомендуется разряд до 1 В/ак в батареях незначительного напряжения и до 1,1 В/ак в батарее из 7-10 аккумуляторов.

Как уже отмечалось ранее, деградация Ni-MH аккумуляторов определяется прежде всего понижением при циклировании сорбирующей способности отрицательного электрода. В цикле заряда-разряда происходит изменение объема кристаллической решетки сплава, что приводит к образованию трещин и последующей коррозии при реакции с электролитом. Образование продуктов коррозии происходит с поглощением кислорода и водорода, в результате чего уменьшается общее количество электролита и повышается внутреннее сопротивление аккумулятора. Следует заметить, что характеристики Ni-MH аккумуляторов существенно зависят от сплава отрицательного электрода и технологии обработки сплава для повышения стабильности его состава и структуры. Это вынуждает изготовителей аккумуляторов внимательно относиться к выбору поставщиков сплава, а потребителей аккумуляторов — к выбору компании-изготовителя.

По материалам сайтов pоwеrinfо.ru, «Чип и Дип»