Ni-Cd аккумуляторы — правила эксплуатации

Никель-кадмиевые аккумуляторы – распространенные накопители электроэнергии, изобретенные в далеком 1899 году. Их относят к группе щелочных АКБ. Батареи до сих пор актуальны, несмотря на ограничения в изготовлении и эксплуатации из соображений защиты окружающей среды (кадмий относится к ядовитым веществам). Но не пользоваться ими вовсе не получается, так как этот тип батарей актуален для ряда устройств, которые неспособны работать с другими аккумуляторами. Сами по себе устройства характерны простотой в обслуживании, имеют длительный срок службы. Ni-Cd аккумулятор – его особенности, принцип работы, характеристики – об этом в статье.

Конструкция

Батарея включает в себя два электрода, заряженные разноименными зарядами, между которыми предусмотрен сепаратор, то есть разграничитель. Каждый элемент находится в электролите, и герметично закрыт в корпусе, обычно сделанном из металла или пластика.

Электрод с положительным зарядом содержит в составе никелевый гидроксид-оксид. Отрицательный сделан из кадмия. Электролитом служит высокоактивная щелочь KOH – не пахнущая и не взрывоопасная.

Изготавливая электроды, металл фольгируют – это позволяет увеличить площадь взаимодействия. Сепаратором выступает материал, устойчивый к воздействию щелочи. Так как корпус АКБ герметичен, в ходе эксплуатации она не теряет электролит.

Токосъемные контакты расположены сверху батареи. В корпусе предусмотрено отверстие для доливки

щелочи. Через него же выходят избыточные газы, образуемые в ходе зарядки батареи. Электродами служат специальные пластины, и сепаратор, разделяющий их, не ограничивает протекание электролита.

Аккумуляторный источник питания Ni-Cd в плане исполнения бывает:

• призматический. Электроды – пластины, уложенные друг на друга через разделитель;
• цилиндрический. Электроды имеют вид ленты, свернутой в рулон. Разделитель также присутствует – между анодом и катодом.

Принцип работы

Электроэнергию эти аккумуляторы производят за счет обратимого процесса: кадмий взаимодействует с оксидом-гидроксидом никеля и водой. Как итог – происходит образование гидроксида никеля и гидроксида кадмия – появляется электродвижущая сила.

Такой тип АКБ можно хранить разряженной и с нею ничего не будет, характеристики не изменятся. Иной аккумулятор, например, никель-магниевый, на такое не способен. Срок эксплуатации батареи варьируется – 100 – 900 циклов и более. Есть промышленные варианты, рассчитанные на работу до 25 лет.

Особенность Ni-Cd батареи в том, что она характерна низким сопротивлением, поэтому получая заряд, не греется (даже если используется большой ток). Нагревание происходит только при получении полного заряда, то есть когда начинается перезаряд.

Технические характеристики

Параметры АКБ:

• напряжение разряда для одного элемента – 0.9 – 1 В;
• номинальное напряжение – 1.2 В (чтобы получить 12 или 24 В, можно последовательно соединить несколько батарей);
• напряжение при полном заряде – 1.5 – 1.8 В;
• диапазон рабочих температур – от -50 до +40°;
• циклы заряда-разряда – 100 – 1000 (зависит от технологии; есть модели, где кол-во циклов достигает 2000);
• уровень саморазряда – 8 – 30% (в месяц, при полном заряде);
• емкость – не более 65 Вт*час/кг;
• срок службы – порядка 10 лет.

Выпускается батарея в стандартном и нестандартном исполнении, например, в виде диска. В цилиндрических моделях ток разряда нельзя увеличить более чем на 20% от емкости.

Плюсы и минусы

Как и у других аккумуляторных батарей, у Ni-Cd есть свои преимущества и недостатки. Есть сферы, где им трудно подобрать замену, поэтому пока не появится новая технология, они будут пользоваться спросом. Благодаря своим характеристикам они остаются конкурентоспособными. Достоинства источника питания:

• функционируют в диапазоне температур от -50 до +40° (при этом их допускается заряжать при температуре ниже 0). Параметры высокие, но то, как будет себя вести питаемое устройство в таких условиях – другая история;
• долго хранятся с сохранением характеристик будучи разряженными;
• выдерживают до 2000 циклов разряда-заряда;
• безопасны. Например, если разгерметизируется корпус, они не загорятся, как батареи Li-ion. Их допускается транспортировать по воздуху;
• низкий уровень сопротивления. За счет этого они не греются, даже если для зарядки применяется большой ток;
• цена. Если сравнивать стоимость аккумуляторных батарей, пересчитывая цену на цикл – Ni-Cd наиболее доступны.

Есть и отрицательные качества:

• сравнительно высокий параметр саморазряда. Порядка 10% полезной емкости может уйти в течение суток, а полный разряд наступает через месяц-два. Но сейчас есть технологии, благодаря которым появляются Ni-Cd модели АКБ, теряющие за месяц всего 10 – 12% емкости;
• если батарея долго хранится без использования, восстанавливать ее придется придерживаясь особой методики;
• есть так называемый «эффект памяти», поэтому заряжать аккумулятор необходимо по максимуму;
• никель-кадмий характерен низкой энергетической плотностью;
• чтобы полностью восстановить батарею, ее надо периодически «тренировать» – 3 – 4 раза полностью заряжать-разряжать;
• большой размер и масса в сравнении с невысокой емкостью (наряду с другими источниками питания).

Эффект памяти следует затронуть подробнее. Это одна из особенностей таких батарей – они запоминают параметр напряжения, до которого были разряжены, и в новом цикле выдают энергию только до этого показателя. Соответственно, если израсходовать 50% заряда и поставить никель-кадмиевую АКБ на зарядку, конечная емкость снизится на 50%.

К минусам также относят материалы производства. Кадмий считается ядовитым металлом, и просто выбрасывать использованную батарею в мусорник нельзя. Есть страны, где изготовление Ni-Cd источников питания запрещено, но использовать при этом их разрешается.

Отличия от Ni-Mh, Li-ion

Такие компоненты как никель и кадмий давно используются при производстве аккумуляторных батарей. Литий-ионные и никель-металлогидридные АКБ относятся к современным, и между ними есть ряд различий:

• эффект памяти у Ni-Cd батарей более выражен, а удельная емкость меньше при тех же размерах;
• никель-кадмиевые источники питания неприхотливы в обслуживании, способны сохранять стабильность работы даже при минусовых температурах, устойчивее перезаряду-переразряду;
• Li-ion и Ni-Mh батареи дороже, но уровень саморазряда у них ниже;
• никель-кадмиевые АКБ служат до 10 лет, тогда как Li-ion – 2 – 3 года;
• работая в буферном режиме, Ni-Cd источники питания быстро расходуют емкость. При этом глубокий разряд и заряд восстанавливает их. Поэтому не рекомендуется использовать такие аккумуляторы в электроприборах, где они могли бы подзаряжаться.

Отличия от Ni-Mh и Li-ion есть, причем как положительные, так и отрицательные, поэтому выделить фаворита не представляется возможным.

Правила эксплуатации

Пользуясь такими батареями, необходимо понимать, что в ходе работы в них происходят изменения, приводящие к снижению эксплуатационных параметров, а впоследствии и к выходу из строя:

• сокращается площадь и масса электродов;
• объем и состав электролита также подвергается изменениям;
• деформируется сепаратор;
• расходуется вода, кислород;
• на пластинах появляются дендриты, выступающие причиной утечек тока.

Есть правила эксплуатации, придерживаясь которых реально продлить «срок жизни» АКБ. Какие факторы способны повлиять на работоспособность батареи:

• если заряжать не полностью заряженную АКБ, ее общая емкость снизится – из-за кристаллообразования уменьшается площадь вещества;
• не допускается перезаряд – это не только увеличивает газообразование, но и приводит к утрате воды в электролите и разрушению электродов, сепаратора;
• из-за недозаряда батарея быстро истощится;
• независимо от того, что аккумулятор Ni-Cd типа можно использовать при низких температурах, долго при таком сценарии он не протянет – из-за мороза снизится объем электролита, поменяется его состав, как итог – упадет емкость.

Быстрый заряд большим током также не стоит практиковать – увеличится давление в корпусе АКБ, начнет деградировать кадмиевый катод. Это приведет к деформации корпуса, нарушению плотности, увеличению внутреннего сопротивления и уменьшению рабочего напряжения.

Выпускают батареи с клапаном для сброса давления, что предотвращает деформации, но если химический состав изменится, уже ничего не исправить.

Как заряжать АКБ

Для подзарядки требуется ток 10% от параметра емкости (100 мА на 1000 мАч) на протяжении 14 – 16 часов. Рекомендуемый ток – 20% от емкости. Если не придерживаться этих значений, внутри начнет увеличиваться давление, выделяться кислород, что приведет к необратимым последствиям.

Схема ЗУ предполагает использование автоматических и реверсивных зарядок.

Хранение и утилизация

Оптимальные условия хранения разряженной батареи: сухое место и низкая температура. Саморазряд будет меньше, если окружающая температура будет минусовой. Если речь идет о качественных моделях, они способны пролежать без действия порядка 5 лет, и их технические характеристики не изменятся. Чтобы начать пользоваться батареей, необходимо будет только ее зарядить.

Выбрасывать в мусорный бак Ni-Cd источники питания нельзя. В составе одной батарейки содержится вредных веществ в таком количестве, которого хватит для загрязнения 20 м2 территории. Утилизация предполагает сдачу АКБ в пункты переработки.

Восстановление аккумулятора

Когда емкость АКБ потеряна, ее можно восстановить полным разрядом (не более 1 В на элемент) и последующим зарядом в стандартном режиме. Чтобы вернуть больше емкости, подобную «тренировку» проводят несколько раз.

Если метод разряда-заряда не подходит, восстанавливают емкость токовыми импульсами (их величина должна в десятки раз превышать емкость) в течение нескольких секунд. К тому же, сильные токи устраняют внутреннее замыкание в АКБ – «выжигаются» дендриты. Для реализации метода требуется использование промышленного активатора.

Полностью вернуть емкость не получится, так как состав и свойства электролита меняются, а пластины распадаются, но продлить «срок жизни» – реально.

Как просто восстановить уровень заряда:

1. «Минус» соединяют с катодом мощной батареи, к примеру, автомобильной. Для этого берут провод, имеющий сечение от 1.5 мм2.
2. Второй конец кабеля крепят к «плюсу».
3. Свободным концом второго провода быстро касаются к плюсовой клемме (в секунду примерно 2 – 3 касания). В месте контакта кабеля могут привариться – этого нельзя допускать.
4. Взяв вольтметр, проверяют напряженность восстанавливаемой АКБ. Если отсутствует – цикл повторяют.
5. Когда в батарее появится электродвижущая сила – ее ставят на зарядку.

Дендриты, образуемые в корпусе батарейки, можно разрушить – для этого источник питания замораживают на 2 – 3 часа, а после отстукивают.

Экспериментальный способ восстановления – высверлить корпус источника питания и залить туда дистиллированную воду. Но сохранить герметичность при таких манипуляциях сложно, и такой риск не оправдан.

За счет своих характеристик и доступности Ni-Cd аккумуляторы продолжают сохранять конкурентоспособность, хоть и были придуманы более столетия назад. А ряд их недостатков нивелируется за счет применения новых технологий производства.