Никель-кадмиевый аккумулятор - Nickel–cadmium battery

Никель-кадмиевый аккумулятор

Сверху вниз: никель-кадмиевые батареи типа «жевательная палочка», AA и AAA.
Удельная энергия	40–60 W ·час /кг
Плотность энергии	50–150 Вт · ч /L
Удельная мощность	150 Вт / кг
Эффективность заряда / разряда	70–90%[1]
Скорость саморазряда	10% / мес.
Долговечность цикла	2,000 циклы
Номинальное напряжение ячейки	1,2 В

В никель-кадмиевый аккумулятор (Ni-Cd аккумулятор или NiCad аккумулятор) является разновидностью аккумуляторная батарея с помощью гидроксид оксида никеля и металлический кадмий так как электроды. Аббревиатура Ni-Cd происходит из химические символы из никель (Ni) и кадмий (Cd): аббревиатура NiCad зарегистрированная торговая марка SAFT Corporation, хотя эта торговая марка обычно используется для описания всех Ni – Cd аккумуляторов.

Мокрая камера Никель-кадмиевые батареи были изобретены в 1899 году. Среди технологий перезаряжаемых аккумуляторов никель-кадмиевые батареи быстро потеряли долю рынка в 1990-х годах, превратившись в NiMH и Литий-ионный аккумуляторы; доля рынка упала на 80%.^{[нужна цитата ]} Никель-кадмиевый аккумулятор имеет напряжение на клеммах во время разряда около 1,2 В, которое немного уменьшается почти до конца разряда. Максимум электродвижущая сила Предлагаемый Ni-Cd аккумулятор составляет 1,3 В. Никель-кадмиевые батареи производятся в широком диапазоне размеров и мощностей, от портативных герметичных типов, взаимозаменяемых с угольно-цинковыми сухими элементами, до больших вентилируемых элементов, используемых для резервного питания и движущей силы. По сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов они предлагают хороший срок службы и производительность при низких температурах с хорошей емкостью, но их значительным преимуществом является способность обеспечивать практически полную номинальную емкость при высоких скоростях разряда (разрядка за один час или меньше). Однако материалы более дорогие, чем у свинцово-кислотная батарея, и ячейки имеют высокую скорость саморазряда.

Герметичные Ni-Cd элементы одно время широко использовались в портативных электроинструментах, фотооборудовании, фонарики, аварийное освещение, хобби R / C и портативные электронные устройства. Превосходная мощность Никель-металлогидрид батареи, а в последнее время их более низкая стоимость в значительной степени вытеснили их использование. Кроме того, воздействие на окружающую среду удаления токсичного металлического кадмия в значительной степени способствовало сокращению их использования. В Европейском Союзе никель-кадмиевые батареи теперь могут поставляться только для замены или для определенных типов нового оборудования, таких как медицинские приборы.^[2]

Большие вентилируемые никель-кадмиевые батареи с мокрыми ячейками используются в аварийном освещении, резервном питании и источники бесперебойного питания и другие приложения.

История

Первая никель-кадмиевая батарея была создана Вальдемар Юнгнер из Швеция в 1899 году. В то время единственным прямым конкурентом был свинцово-кислотная батарея, который был менее физически и химически устойчивым. После незначительных улучшений первых прототипов плотность энергии быстро увеличилась примерно до половины от плотности первичных батарей и значительно выше, чем у свинцово-кислотных батарей. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных количествах, но обнаружил, что составы железа отсутствуют. Работа Юнгнера была в значительной степени неизвестна в Соединенных Штатах. Томас Эдисон запатентовал никель- или кобальт-кадмиевую батарею в 1902 году.^[3] и адаптировал конструкцию батареи, когда представил никель-железную батарею в США через два года после ее создания Юнгнером. В 1906 году Юнгнер основал завод недалеко от Оскарсхамна, Швеция, по производству никель-кадмиевых аккумуляторов затопляемой конструкции.

В 1932 году активные материалы были осаждены внутри пористого никелированного электрода, а пятнадцатью годами позже были созданы герметичные никель-кадмиевые батареи.

Первая постановка в Соединенные Штаты началось в 1946 году. До этого момента батареи были «карманного типа», состоящие из никелированных стальных карманов, содержащих никель и кадмий активные материалы. Примерно в середине двадцатого века, спеченный Пластинчатые никель-кадмиевые батареи становятся все более популярными. При плавлении никелевого порошка при температуре значительно ниже его точки плавления с использованием высокого давления образуются спеченные пластины. Сформированные таким образом пластины являются высокопористыми, около 80 процентов по объему. Положительные и отрицательные пластины изготавливаются путем пропитки никелевых пластин в никель- и кадмиево-активных материалах соответственно. Спеченные пластины обычно намного тоньше, чем карманные, что приводит к большей площади поверхности на единицу объема и более высоким токам. Как правило, чем больше площадь поверхности реактивного материала в батарее, тем меньше ее внутреннее сопротивление.

С 2000-х годов все потребительские Ni – Cd аккумуляторы используют "рулет с вареньем "или" конфигурация "желе-валик". Эта конструкция включает несколько слоев положительного и отрицательного материала, свернутых в цилиндрическую форму. Такая конструкция снижает внутреннее сопротивление, поскольку большее количество электродов контактирует с активным материалом в каждой ячейке.^{[нужна цитата ]}

Характеристики

Максимальная скорость разряда никель-кадмиевых батарей зависит от их размера. Для общего Размер AA ячейка, максимальная скорость разряда составляет примерно 1,8 ампера; для Размер D Аккумуляторная батарея скорость разряда может достигать 3,5 ампер.^{[нужна цитата ]}

Изготовители моделей самолетов или лодок часто используют гораздо большие токи, до сотни ампер или около того, от специально сконструированных никель-кадмиевых батарей, которые используются для привода главных двигателей. 5–6 минут работы модели легко достижимы от довольно небольших батарей, поэтому достигается достаточно высокий показатель удельной мощности, сравнимый с внутреннее сгорание моторы, правда меньшей продолжительности. Однако в этом они были в значительной степени вытеснены литиевый полимер (Липо) и фосфат лития-железа (LiFe) аккумуляторы, которые могут обеспечить еще более высокую плотность энергии.

Напряжение

Ni – Cd элементы имеют номинальный потенциал 1,2 В (В). Это ниже 1,5 В щелочных и цинк-углеродных первичных элементов, и, следовательно, они не подходят для замены во всех случаях. Однако 1,5 В первичного щелочного элемента относятся к его начальному, а не среднему напряжению. В отличие от щелочных и цинк-углеродных первичных элементов, напряжение на клеммах никель-кадмиевых элементов незначительно изменяется при разряде. Поскольку многие электронные устройства предназначены для работы с первичными элементами, которые могут разряжаться до 0,90–1,0 В на элемент, относительно стабильного 1,2 В для Ni-Cd элемента достаточно для обеспечения работы. Некоторые сочтут почти постоянное напряжение недостатком, поскольку это затрудняет обнаружение низкого заряда батареи.

Никель-кадмиевые батареи, используемые для замены батарей на 9 В, обычно имеют только шесть ячеек для напряжения на клеммах 7,2 вольт. Хотя большинство карманных радиостанций удовлетворительно работают при таком напряжении, некоторые производители, такие как Варта сделал батареи на 8,4 В с семью ячейками для более ответственных применений.

Зарядка

Ni – Cd аккумуляторы можно заряжать с различной скоростью, в зависимости от того, как был изготовлен элемент. В Скорость заряда измеряется на основе процента ампер-час Емкость аккумулятора подается постоянным током на протяжении всего заряда. Независимо от скорости зарядки, аккумулятор должен получать больше энергии, чем его фактическая емкость, чтобы учесть потери энергии во время зарядки, при этом более быстрые заряды более эффективны. Например, заряд «за ночь» может состоять из подачи тока, равного одной десятой номинальной ампер-часов (C / 10), в течение 14–16 часов; то есть, аккумулятор емкостью 100 мАч потребляет 10 мА в течение 14 часов, всего 140 мАч для зарядки с такой скоростью. При быстрой зарядке, выполняемой при 100% номинальной емкости аккумулятора за 1 час (1С), аккумулятор удерживает примерно 80% заряда, поэтому для зарядки аккумулятора 100 мАч требуется 125 мАч (то есть примерно 1 час пятнадцать минут). Некоторые специализированные батареи можно зарядить всего за 10–15 минут при скорости заряда 4 ° C или 6 ° C, но это очень редко. Это также значительно увеличивает риск перегрева и вентиляции элементов из-за состояния внутреннего избыточного давления: скорость повышения температуры элемента определяется его внутренним сопротивлением и квадратом скорости зарядки. При скорости 4 ° C количество тепла, выделяемого в ячейке, в шестнадцать раз больше, чем при скорости 1 ° C. Обратной стороной более быстрой зарядки является более высокий риск перезарядки, которая может повредить аккумулятор. и повышенные температуры, которые должна выдержать ячейка (что потенциально сокращает ее срок службы).

Безопасный диапазон температур при использовании составляет от -20 ° C до 45 ° C. Во время зарядки температура аккумулятора обычно остается низкой, примерно такой же, как температура окружающей среды (реакция зарядки поглощает энергию), но когда аккумулятор почти полностью заряжен, температура повышается до 45–50 ° C. Некоторые зарядные устройства обнаруживают это повышение температуры, чтобы отключить зарядку и предотвратить чрезмерную зарядку.

Когда никель-кадмиевый аккумулятор не находится под нагрузкой или зарядом, он саморазряжается примерно на 10% в месяц при 20 ° C, а при более высоких температурах - до 20% в месяц. Можно выполнять постоянный заряд при уровнях тока, достаточно высоких, чтобы компенсировать эту скорость разряда; чтобы аккумулятор был полностью заряжен. Однако, если аккумулятор будет храниться неиспользованным в течение длительного периода времени, его следует разрядить не более чем до 40% емкости (некоторые производители рекомендуют полностью разрядить и даже замкнуть накоротко после полной разрядки.^{[нужна цитата ]}) и хранить в прохладном сухом месте.

Перезарядка

Герметичные никель-кадмиевые элементы состоят из сосуда под давлением, который должен содержать кислород и водород, образующиеся в газообразном состоянии, до тех пор, пока они не смогут рекомбинировать обратно в воду. Такое образование обычно происходит во время быстрой зарядки и разрядки, а также в условиях чрезмерной зарядки. Если давление превышает предел предохранительного клапана, вода в виде газа теряется. Поскольку емкость сконструирована таким образом, чтобы содержать точное количество электролита, эта потеря быстро повлияет на емкость элемента и его способность принимать и передавать ток. Чтобы обнаружить все условия перезарядки, требуется большая сложность схемы зарядки, и дешевое зарядное устройство в конечном итоге повредит даже самые качественные элементы.^[4]

Электрохимия

Полностью заряженный Ni-Cd элемент содержит:

• а оксид-гидроксид никеля (III) положительный электродная пластина
• а кадмий пластина отрицательного электрода
• а разделитель, и
• ан щелочной электролит (гидроксид калия ).

Ni-Cd аккумуляторы обычно имеют металлический корпус с уплотнительной пластиной, снабженный самоуплотняющейся пластиной. предохранительный клапан. Пластины положительного и отрицательного электрода, изолированные друг от друга сепаратором, свернуты по спирали внутри корпуса. Это известно как конструкция с желеобразным валиком и позволяет никель-кадмиевым элементам обеспечивать гораздо более высокий максимальный ток, чем щелочные элементы аналогичного размера. Щелочные элементы имеют каркасную конструкцию, в которой корпус элемента заполнен электролитом и содержит графитовый стержень, который действует как положительный электрод. Поскольку относительно небольшая площадь электрода находится в контакте с электролитом (в отличие от конструкции с желейным валиком), внутреннее сопротивление для щелочного элемента эквивалентного размера выше, что ограничивает максимальный ток, который может подаваться.

В химические реакции у кадмиевого электрода во время разряда находятся:

${\displaystyle \mathrm {Cd+2OH^{-}\rightarrow Cd(OH)_{2}+2e^{-}} }$

Реакции на электроде из оксида никеля следующие:

${\displaystyle \mathrm {2NiO(OH)+2H_{2}O+2e^{-}\rightarrow 2Ni(OH)_{2}+2OH^{-}} }$

Чистая реакция во время разряда

${\displaystyle \mathrm {2NiO(OH)+Cd+2H_{2}O\rightarrow 2Ni(OH)_{2}+Cd(OH)_{2}.} }$

Во время перезарядки реакции идут справа налево. Щелочной электролит (обычно КОН) не расходуется в этой реакции, и поэтому его удельный вес в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, это не показатель степени их заряда.

Когда Юнгнер построил первые Ni-Cd батареи, он использовал оксид никеля в положительном электроде, и утюг и кадмиевые материалы - отрицательно. Только позже чистый металлический кадмий и никель гидроксид были использованы. Примерно до 1960 года химическая реакция не была полностью изучена. Было несколько предположений относительно продуктов реакции. Спор был окончательно разрешен инфракрасная спектроскопия, которые выявили гидроксид кадмия и гидроксид никеля.

Другой исторически важный вариант базовой Ni-Cd ячейки - добавление литий гидроксид к электролиту гидроксида калия. Это считалось^{[кем? ]} чтобы продлить срок службы, сделав элемент более устойчивым к воздействию электрического тока. Никель-кадмиевые батареи в их современном виде в любом случае чрезвычайно устойчивы к неправильному использованию электричества, поэтому такая практика была прекращена.

Вентилируемые аккумуляторные батареи

Вид сбоку на вентилируемую аккумуляторную батарею самолета

Структура элемента в вентилируемой аккумуляторной батарее

Вентилируемая камера (мокрая камера, затопленная ячейка) Никель-кадмиевые батареи используются, когда требуется большая емкость и высокая скорость разряда. Традиционные никель-кадмиевые батареи герметичного типа, что означает, что зарядный газ обычно рекомбинируется, и они не выделяют газ, если только не произойдет серьезный перезаряд или не возникнет неисправность. В отличие от типичных NiCd-ячеек, которые герметичны, вентилируемые ячейки имеют вентиляционное отверстие или низкий клапан сброса давления который выделяет любой образующийся кислород и водород при быстрой перезарядке или разрядке. Так как аккумулятор не сосуд под давлением, он безопаснее, меньше весит, имеет более простую и экономичную конструкцию. Это также означает, что аккумулятор обычно не повреждается из-за чрезмерного заряда, разряда или даже отрицательного заряда.

Они используются в авиации, железнодорожном и общественном транспорте, резервное питание для телекоммуникаций, запуска двигателей для резервных турбин и т. д. Использование никель-кадмиевых батарей с вентилируемыми ячейками приводит к уменьшению размера, веса и требований к обслуживанию по сравнению с другими типами батарей. NiCd-аккумуляторы с вентилируемыми ячейками имеют длительный срок службы (до 20 лет и более, в зависимости от типа) и работают при экстремальных температурах (от −40 до 70 ° C).

Стальной аккумуляторный ящик содержит последовательно соединенные элементы для получения желаемого напряжения (1,2 В на номинал элемента). Ячейки обычно делаются из легкого и прочного материала. полиамид (нейлон ), с несколькими никель-кадмиевыми пластинами, сваренными вместе для каждого электрода внутри. Сепаратор или лайнер из силикон резина действует как изолятор и газовая преграда между электродами. Ячейки залиты электролит 30% водный раствор из гидроксид калия (КОН ). В удельный вес уровня электролита не указывает, разряжена батарея или полностью заряжена, но изменяется в основном с испарение воды. В верхней части ячейки имеется пространство для избыточного электролита и выпускное отверстие для сброса давления. Большие никелированные медные шпильки и толстые соединительные звенья гарантируют минимум эквивалентное последовательное сопротивление для аккумулятора.

Удаление газов означает, что батарея либо разряжается с высокой скоростью, либо заряжается с большей скоростью, чем номинальная. Это также означает, что электролит, потерянный во время вентиляции, необходимо периодически заменять посредством текущего обслуживания. В зависимости от циклы заряда-разряда и тип батареи это может означать период обслуживания от нескольких месяцев до года.

Напряжение вентилируемого элемента быстро возрастает в конце заряда, что позволяет использовать очень простую схему зарядного устройства. Обычно батарея заряжается постоянным током со скоростью 1 СА до тех пор, пока все элементы не достигнут по крайней мере 1,55 В. Другой цикл зарядки следует со скоростью 0,1 СА, снова до тех пор, пока все элементы не достигнут 1,55 В. Заряд завершается выравнивающим или максимальным током. до зарядки, обычно не менее 4 часов по тарифу 0,1 CA. Целью избыточного заряда является вытеснение как можно большего количества (если не всех) газов, собранных на электродах, водорода на отрицательном полюсе и кислорода на положительном полюсе, и некоторые из этих газов рекомбинируют с образованием воды, которая, в свою очередь, поднимает уровень электролита до наивысшего уровня, после чего можно безопасно регулировать уровни электролита. Во время перезарядки или подзарядки напряжение элемента превысит 1,6 В, а затем начнет медленно падать. Ни одна ячейка не должна подниматься выше 1,71 В (сухой элемент) или падать ниже 1,55 В (нарушение газового барьера).^{[нужна цитата ]}

В воздушной установке с электрической системой плавающей батареи напряжение регулятора устанавливается для зарядки батареи при постоянном потенциале заряда (обычно 14 или 28 В). Если это напряжение установлено слишком высоким, это приведет к быстрой потере электролита. Неисправный регулятор заряда может позволить зарядному напряжению значительно превысить это значение, что приведет к сильному перезаряду с выкипанием электролита.^{[нужна цитата ]}

Приложения

Восемь NiCd батарей в батарейном блоке

Герметичные никель-кадмиевые элементы могут использоваться по отдельности или собраны в аккумуляторные блоки, содержащие два или более элемента. Маленькие ячейки используются для переносных электроника и игрушки (например, солнечные садовые фонари), часто с использованием элементов, изготовленных тех же размеров, что и первичные клетки. Когда Ni-Cd батареи заменяются первичными элементами, более низкое напряжение на клеммах и меньшая емкость в ампер-часах могут снизить производительность по сравнению с первичными элементами. Миниатюрные кнопочные элементы иногда используются в фотоаппаратуре, переносных лампах (фонариках или фонариках), резервных компьютерах с памятью, игрушках и новинках.

Специальные никель-кадмиевые батареи используются в беспроводных и беспроводных телефонах, в аварийном освещении и других устройствах. При относительно низком внутреннее сопротивление, они могут поставлять высокие импульсные токи. Это делает их подходящим выбором для электрических моделей самолетов, лодок и автомобилей с дистанционным управлением, а также для беспроводных электроинструментов и вспышек для фотоаппаратов.

Более крупные затопленные ячейки используются для стартерные батареи самолета, электрические транспортные средства, и резервная мощность.

Популярность

Прогресс в технологиях производства батарей во второй половине двадцатого века сделал производство батарей все более дешевым. В целом возросла популярность устройств с батарейным питанием. По состоянию на 2000 год около 1,5 миллиард Ni – Cd аккумуляторы производились ежегодно.^[5]Вплоть до середины 1990-х годов никель-кадмиевые батареи занимали подавляющее большинство рынка аккумуляторных батарей в домашней электронике.

В какой-то момент на никель-кадмиевые батареи приходилось 8% всех продаж портативных вторичных (перезаряжаемых) батарей в ЕС, в Великобритании - 9,2% (утилизация), а в Швейцарии - 1,3% всех продаж портативных батарей.^[6][7][8]

В ЕС 2006 г. Директива по батареям ограничили продажу никель-кадмиевых аккумуляторов потребителям для портативных устройств.

Доступность

Ni – Cd элементы доступны в тех же размерах, что и щелочные батареи, от AAA до D, а также несколько многоячеечных размеров, включая эквивалент 9-вольтовой батареи. Полностью заряженный одиночный никель-кадмиевый элемент без нагрузки имеет разность потенциалов от 1,25 до 1,35 вольт, которая остается относительно постоянной, когда батарея разряжается. Так как почти полностью разряженная щелочная батарея может упасть до 0,9 вольт, никель-кадмиевые и щелочные элементы обычно взаимозаменяемы для большинства приложений.

В дополнение к одиночным элементам существуют батареи, содержащие до 300 элементов (номинальное напряжение 360 вольт, фактическое напряжение без нагрузки от 380 до 420 вольт). Такое количество ячеек в основном используется в автомобилях и в тяжелых промышленных условиях. Для портативных приложений количество ячеек обычно ниже 18 ячеек (24 В). Доступны промышленные залитые батареи емкостью от 12,5 Ач до нескольких сотен Ач.

Сравнение с другими батареями

Недавно, никель-металлогидрид и литий-ионный батареи стали коммерчески доступными и более дешевыми, при этом батареи прежнего типа теперь конкурируют по стоимости с никель-кадмиевыми батареями. Там, где важна плотность энергии, никель-кадмиевые батареи сейчас находятся в невыгодном положении по сравнению с никель-металлогидридными и литий-ионными батареями. Однако никель-кадмиевые батареи по-прежнему очень полезны в приложениях, требующих очень высокой скорости разряда, поскольку они могут выдерживать такой разряд без повреждений или потери емкости.

По сравнению с другими видами аккумуляторных батарей, никель-кадмиевые батареи имеют ряд явных преимуществ:

• Батареи труднее повредить, чем другие батареи, терпя глубокая разрядка на длительные периоды. Фактически, никель-кадмиевые батареи при длительном хранении обычно хранятся полностью разряженными. Это контрастирует, например, с литий-ионные батареи, которые менее стабильны и будут безвозвратно повреждены при разрядке ниже минимального напряжения.
• Аккумулятор очень хорошо работает в суровых условиях, идеально подходит для использования в портативных инструментах.
• Никель-кадмиевые батареи обычно служат дольше с точки зрения количества циклов заряда / разряда, чем другие аккумуляторные батареи, такие как свинцово-кислотные батареи.
• В сравнении с свинцово-кислотные батареи, Ni – Cd аккумуляторы имеют гораздо более высокую плотность энергии. Никель-кадмиевый аккумулятор меньше и легче сопоставимого свинцово-кислотного аккумулятора, но не сопоставимого никель-металл-гидридного или литий-ионного аккумулятора. В случаях, когда важны размер и вес (например, самолет), никель-кадмиевые батареи предпочтительнее более дешевых свинцово-кислотных аккумуляторов.
• В потребительских приложениях никель-кадмиевые батареи напрямую конкурируют с щелочные батареи. Никель-кадмиевый элемент имеет меньшую емкость, чем эквивалентный щелочной элемент, и стоит дороже. Однако, поскольку химическая реакция щелочной батареи необратима, многоразовая никель-кадмиевая батарея имеет значительно больший общий срок службы. Были попытки создать аккумуляторные щелочные батареи, или специальные зарядные устройства для зарядки одноразовых щелочных батарей, но ни одно из них не нашло широкого применения.
• Напряжение на клеммах никель-кадмиевой батареи снижается медленнее по мере ее разряда по сравнению с угольно-цинковыми батареями. Поскольку напряжение щелочной батареи значительно падает при падении заряда, большинство потребительских приложений хорошо приспособлены для работы с немного более низким напряжением никель-кадмиевых элементов без заметной потери производительности.
• Емкость никель-кадмиевой батареи не сильно зависит от очень высоких разрядных токов. Даже при скорости разряда до 50 ° C никель-кадмиевый аккумулятор почти полностью соответствует своей номинальной емкости. Напротив, свинцово-кислотная батарея обеспечивает только половину своей номинальной емкости при разряде при относительно скромных 1,5 ° C.
• Максимальный непрерывный ток потребления никель-кадмиевых батарей обычно составляет около 15 ° C. По сравнению с никель-металлгидридными батареями, где максимальный непрерывный потребляемый ток составляет не более 5С.
• Никель – металл гидрид (NiMH ) батареи являются новейшим и наиболее похожим конкурентом никель-кадмиевых батарей. По сравнению с никель-кадмиевыми батареями, никель-металлгидридные батареи имеют большую емкость, менее токсичны и теперь более рентабельны. Однако никель-кадмиевые батареи имеют меньшую саморазряд ставка (например, 20% в месяц для никель-кадмиевой батареи, по сравнению с 30% в месяц для традиционной NiMH при идентичных условиях), хотя NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD) теперь доступны, которые имеют значительно более низкий саморазряд, чем Ni-Cd или традиционные NiMH аккумуляторы. Это приводит к предпочтению никель-кадмиевых аккумуляторов по сравнению с никель-металл-гидридными батареями без LSD в приложениях, где ток, потребляемый батареей, ниже, чем собственная скорость саморазряда батареи (например, телевизионные пульты дистанционного управления). В обоих типах элементов скорость саморазряда максимальна для состояния полного заряда и несколько снижается для состояний низкого заряда. Наконец, никель-кадмиевый аккумулятор аналогичного размера имеет немного меньшее внутреннее сопротивление и, следовательно, может обеспечить более высокую максимальную скорость разряда (что может быть важно для таких приложений, как электроинструменты).

Основным недостатком никель-кадмиевых батарей является их более высокая стоимость и использование кадмия. Этот тяжелый металл представляет опасность для окружающей среды и очень токсичен для всех высших форм жизни. Они также более дорогие, чем свинцово-кислотные батареи, потому что никель и кадмий стоят дороже. Одним из самых больших недостатков является то, что батарея имеет очень заметный отрицательный температурный коэффициент. Это означает, что с повышением температуры ячейки внутреннее сопротивление падает. Это может вызвать значительные проблемы с зарядкой, особенно с относительно простыми системами зарядки, используемыми для свинцово-кислотные тип батарейки. Свинцово-кислотные батареи можно заряжать, просто подключив динамо по их мнению, с помощью простой системы электромагнитного отключения, когда динамо-машина неподвижна или происходит перегрузка по току, Ni-Cd аккумулятор при аналогичной схеме зарядки будет демонстрировать тепловой разгон, при котором зарядный ток будет продолжать расти до тех пор, пока -сработал предохранитель тока или батарея разрядилась. Это главный фактор, препятствующий его использованию в качестве аккумуляторных батарей для запуска двигателя. Сегодня с системами зарядки на основе генераторов с твердотельными регуляторами создание подходящей системы зарядки было бы относительно простым, но производители автомобилей неохотно отказываются от проверенных технологий.^[9]

Эффект памяти

Ni – Cd аккумуляторы могут страдать от "эффект памяти "если они разряжены и перезаряжены в то же состояние заряда сотни раз. Очевидным признаком является то, что батарея «запоминает» точку цикла разряда, в которой началась перезарядка, и во время последующего использования испытывает внезапное падение напряжения в этой точке, как если бы батарея была разряжена. Емкость аккумулятора практически не снижается. Некоторая электроника, рассчитанная на питание от никель-кадмиевых батарей, способна выдерживать это пониженное напряжение достаточно долго, чтобы напряжение вернулось в норму. Однако, если устройство не может работать в течение этого периода пониженного напряжения, оно не сможет получить достаточно энергии от батареи, и для всех практических целей батарея будет казаться «мертвой» раньше, чем обычно.

Есть свидетельства того, что история с эффектом памяти возникла на орбитальных спутниках, где они обычно заряжались в течение двенадцати часов из 24 в течение нескольких лет.^[10] По прошествии этого времени было обнаружено, что емкость аккумуляторов значительно снизилась, но они все еще годны для использования. Маловероятно, что эта точная повторяющаяся зарядка (например, 1000 зарядов / разрядов с вариабельностью менее 2%) могла когда-либо быть воспроизведена людьми, использующими электрические товары. Первоначальный документ с описанием эффекта памяти был написан учеными GE из их отдела по производству аккумуляторных батарей в Гейнсвилле, штат Флорида, и позже отозван ими, но ущерб был нанесен. Маловероятно, что это реальное явление, но оно обрело собственную жизнь как городской миф.^{[нужна цитата ]}

Батарея выдерживает тысячи циклов зарядки / разрядки. Также можно уменьшить эффект памяти, полностью разряжая батарею примерно раз в месяц.^{[нужна цитата ]} Таким образом, очевидно, что батарея не «запоминает» точку в цикле зарядки.

Эффект с похожими симптомами на эффект памяти - это так называемый снижение напряжения или ленивый эффект батареи. Это результат многократной перезарядки; Симптомом является то, что батарея кажется полностью заряженной, но быстро разряжается после короткого периода работы. В редких случаях большая часть потерянной емкости может быть восстановлена ​​за несколько циклов глубокого разряда, функция часто обеспечивается автоматическими зарядными устройствами. Однако этот процесс может сократить срок годности аккумулятора.^{[нужна цитата ]} При правильном обращении никель-кадмиевый аккумулятор может работать не менее 1000 циклов, прежде чем его емкость упадет ниже половины исходной емкости. Многие домашние зарядные устройства называют «умными зарядными устройствами», которые отключаются и не повреждают батарею, но это, похоже, обычная проблема.^{[нужна цитата ]}

Воздействие на окружающую среду

Ni – Cd батареи содержат от 6% (для промышленных батарей) до 18% (для коммерческих батарей) кадмий, что является токсичный тяжелый металл и поэтому требует особой осторожности при утилизации батарей. в Соединенные Штаты, часть стоимости батареи - это плата за ее надлежащую утилизацию в конце срока службы. В соответствии с так называемой «директивой о батареях» (2006/66 / EC) продажа потребительских никель-кадмиевых батарей в Европейском союзе запрещена, за исключением использования в медицинских целях; системы сигнализации; аварийное освещение; и переносные электроинструменты. Эта последняя категория запрещена с 2016 года.^[11] В соответствии с той же директивой ЕС использованные промышленные Ni – Cd батареи должны собираться их производителями для переработки на специальных предприятиях.

Кадмий, являясь тяжелым металлом, может вызвать значительное загрязнение при утилизации свалка или сожженный. Из-за этого во многих странах сейчас работают переработка отходов программы для улавливания и переработки старых батарей.

Смотрите также

• Утилизация батарей
• Сравнение типов батарей
• Список размеров батарей
• Список типов батарей
• Соотношение мощности и веса

Рекомендации

1. Вален, Ларс Оле и обувь, Марк I. (2007). Влияние рабочих циклов PHEV и HEV на производительность аккумулятора и аккумуляторного блока (PDF). Конференция 2007 Plug-in Highway Electric Vehicle: Труды. Проверено 11 июня 2010 года.
2. «Батареи - Окружающая среда - Европейская Комиссия». ec.europa.eu. Получено 18 октября 2014.
3. Патент США 0692507
4. Технический справочник GP Nickel Cadmium
5. "Solucorp представляет на международных рынках предотвращающую загрязнение, самоременяющуюся батарею Ni-Cd". Деловой провод. 2006-10-19. Получено 2008-08-01.
6. Утилизация батарей В архиве 2013-10-08 в Wayback Machine, DEFRA, 2006 г.
7. Статистика INOBAT В архиве 2012-03-25 в Wayback Machine, 2008
8. Статистика EPBA В архиве 2012-03-21 в Wayback Machine, 2000
9. Дэвид Линден, Томас Редди, Справочник батарей Третье издание, Макгроу-Хилл, 2001 г., ISBN  0071359788, главы 27 и 28
10. Гудман, Марти (1997-10-13). "Свинцово-кислотные или никель-кадмиевые батареи?". Статьи о поездках на велосипедах и освещении. Харрис Циклери. Получено 2009-02-18.
11. «Депутаты Европарламента запрещают кадмий в аккумуляторах электроинструментов и ртуть в кнопочных элементах». Европейский парламент.

дальнейшее чтение

• Бергстром, Свен. «Никель-кадмиевые батареи - карманного типа». Журнал Электрохимического общества, сентябрь 1952 г. 1952 г. Электрохимическое общество.
• Эллис, Г. Б., Мандель, Х. и Линден, Д. "Спеченные пластинчатые никель-кадмиевые батареи". Журнал Электрохимического общества, Электрохимическое общество, сентябрь 1952 г.
• General Electric, "Руководство по разработке никель-кадмиевых батарей", 1971 г.
• Компания Marathon Battery, "Уход и обслуживание никель-кадмиевых аккумуляторов"
• SAFT, "Никель-кадмиевые авиационные аккумуляторные батареи, руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию (OMM)", 2002 г.

внешняя ссылка

• «Никель-кадмиевый аккумулятор работает столько же, сколько и автомобиль». Популярная наука, Август 1948 г., стр. 113–118.
• Никель-кадмиевые авиационные батареи, руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию (PDF)
• История никель-кадмиевых батарей Alcad в Реддиче, 1918 - 1993 гг.