Никель-кадмиевые батареи (аккумуляторы) как гальванический элемент питания с многоразовой подзарядкой

Никель-кадмиевый аккумулятор разработали в конце XIX столетия, но большую известность он приобрел в середине XX. На то время такая заряжаемая батарея считалась одной из лучших среди источников питания.

Никель-кадмиевые изделия можно встретить и сегодня, ведь они достаточно неприхотливы и надежны.

Общая информация

Никель-кадмиевые АКБ – гальванический элемент питания, который можно неоднократно заряжать. Его, в 1899 году, разработал швед Вальдмар Юнгнер.

Больше трех десятков лет никель-кадмиевый аккумулятор не был особо популярным, так как изготавливался из дорогих металлов, в чем очень проигрывал более дешевым свинцово-кислотным батареям.

Но все же прогресс не стоит на месте. Благодаря усовершенствованию методик производства никель-кадмиевые аккумуляторы стали на порядок лучше в плане технических показателей. А в 1947-ом была разработана абсолютно необслуживаемая (герметичная) батарея такого типа.

NiCd батарея: как устроена и как работает

Как вырабатывают электроэнергию NiCd аккумуляторы? Это происходит через взаимодействие кадмия с оксидом-гидроксидом никеля и водой. В последствии, возникает гидроксид никеля и гидроксид кадмия, что и провоцирует выработку электроэнергии.

Никель-кадмиевые аккумуляторы абсолютно герметичны. В середине у них находятся электроды (в их состав входят никель и кадмий), что разделены нейтральным сепаратором. Они залиты желеобразным электролитом (чаще всего, это гидроксид калия).

Анод – это сетка из стали или же фольга. Он покрыт пастой из оксид-гидроксида никеля вперемешку с проводящим материалом.

Катод – также является сеткой из стали или фольгой. В его составе присутствует впрессованный пористый кадмий.

NiCd элемент может давать порядка 1,2V. И чтобы напряжение и объем батареи сделать больше, разработчики, как правило, используют много параллельных электродов, разграниченных сепараторами.

Параметры никель-кадмиевых аккумуляторов

NiCd аккумуляторы обладают такими параметрами:

Никель-кадмиевые аккумуляторы производятся в разных корпусах. Плюс ко всему, они бывают стандартными и нестандартными по типу и размерам. Также делаются в дисковом и герметичном виде.

Для какой техники подходят

Такие аккумуляторы прекрасно подходят для устройств с большим потреблением энергии, а также для техники, которая подвергается серьезным нагрузкам:

•  троллейбусы, трамваи;
• электромобили;
• водная техника;
• вертолеты, самолеты;
• электрические инструменты;
• электрические бритвы;
• военная техника;
• мобильные радиостанции;
• радиоуправляемые игрушки;
• фонари для подводного плавания.

На сегодня очень ужесточились требования относительно экологии. Поэтому большинство АКБ самых распространенных типоразмеров (АА, ААА и прочие) делают по никель-металлогидридной и литий-ионной методике.

Но все же в работе остается и много NiCd аккумуляторов, что были произведены еще пару лет назад.

Никель-кадмиевые АКБ могут прослужить вам до десяти лет и больше. Так что такие батареи встречаются не только в той технике, о которой говорилось чуть выше.

Плюсы и минусы

Плюсы NiCd аккумулятора:

• прослужат вам, как можно дольше, неоднократно перезаряжаются;
• изделие долго хранится;
• можно быстро заряжать;
• выносит экстремальные нагрузки и морозы;
• не теряет своих свойств даже при неблагоприятных условиях;
• недорогой;
• может храниться разряженным порядка пяти лет;
• относительно перезарядки имеет среднюю степень стойкости.

У никель-кадмиевых аккумуляторов все же есть и свои негативные свойства:

• эффект памяти – в процессе заряда NiCd изделие теряет в объеме, не дожидаясь абсолютной разрядки;
• в целях профилактики относительно набора полного объема необходимо проводить несколько рабочих циклов;
• чтобы восстановить аккумулятор после того, как он долго пролежал, нужно провести 3-4 рабочих цикла;
• не устойчивы к саморазрядке (в первый месяц хранения он составляет порядка 10%), за так называемый нерабочий год могут полностью сесть;
• если сравнивать с другими батареями, у никель-кадмиевой небольшая энергетическая плотность;
• эти изделия запрещены в некоторых государствах из-за повышенной токсичности и необходимости утилизировать их на спецоборудовании;
• большой вес.

Чем отличаются от Li-ion и Ni-MH батарей

Никель-кадмиевые аккумуляторы разнятся от источников питания современного образца – литий-ионных и никель-металлогидридных:

У всех этих аккумуляторов свои плюсы и минусы. Поэтому ответить однозначно, какой лучше, очень сложно. Каждый выбирает то изделие, которое наиболее ему подходит.

Как правильно использовать NiCd батарею

Во время работы в никель-кадмиевом аккумуляторе происходят различные изменения, что постепенно приводят к утрате свойств, и в результате – к потере работоспособности:

Чтобы снизить риск повреждения NiCd АКБ при ее использовании и хранении, лучше избегать различных неблагоприятных факторов:

При повышенном давлении в середине аккумулятора, что возникает из-за стремительной подпитки большим током, а также сильной деградации кадмиевого отрицательного электрода, может возникнуть лишний водород.

А высокий скачок давления искривляет корпус, нарушая плотность сборки, кроме того, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.

Если в АКБ есть специальный клапан, через который сбрасывается давление, деформация может и не произойти. Но химический состав батареи все равно подвергнется необратимым изменениям.

Подпитывать никель-кадмиевые аккумуляторы нужно током с показателем 1/10 от объема. К примеру, при объеме в 2000мАч он будет соответствовать 200мА. Если есть нужда подпитать изделие быстро, используйте на протяжении часа до 100% тока.

При обычной зарядке на это уходит порядка 14-16 часов. Наиболее подходящий способ разрядки таких батарей – ток с параметром в 20% от объема.

Процесс возобновления батареи

При утере объема аккумулятор можно восстановить, прибегнув к абсолютной разрядке (до 1V на элемент) и дальнейшей зарядке в обычном режиме. Для более полноценного возобновления проведите эту процедуру несколько раз.

Второй вариант – восстановление через короткие токовые импульсы (их значение должно быть в десятки раз выше объема АКБ) длительностью в несколько секунд.

Таким образом, вы убираете замыкание внутри аккумулятора, которое появляется из-за нарастания дендритов методом их выжигания мощным током. Есть индустриальные активаторы, что оказывают подобное воздействие.

Из-за непоправимого изменения в химическом растворе и деградации пластин восстановить полный изначальный объем аккумулятора у вас не получится. Но увеличить срок работы изделия вполне реально.

Процесс самостоятельного восстановления емкости:

Также можно попробовать разрушить дендриты батареи, заморозив их на 2-3 часа, после чего их резко отстукать. В процессе заморозки они становятся хрупкими и ломаются при таком воздействии. Теоретически это может помочь.

Есть и другие методы восстановления. Например, добавить очищенную воду в старую батарею, предварительно просверлив ее корпус. Но после такого она уже не будет абсолютно герметичной. Не забывайте и про вредность никель-кадмиевых аккумуляторов. Так что рисковать своим здоровьем ради пары рабочих циклов лучше не нужно.

Как сберегать и утилизировать NiCd АКБ

Сберегать такие батареи лучше всего разряженными – в сухом помещении и при небольших температурах. Это снижает риск саморазрядки.

Качественные изделия пролежат порядка пяти лет без серьезного вреда своим свойствам. Чтобы потом они заработали, нужно просто их зарядить.

Но помните: вредные вещества в одной батарее типоразмера АА могут загрязнить площадь порядка 20м2. Поэтому, чтобы не причинять вред экологии, никель-кадмиевые аккумуляторы следует относить в специальные пункты приема. Оттуда их отправляют на перерабатывающие заводы. Там их утилизируют в герметизированных печках с фильтрами, которые улавливают токсины.