ГлавнаяТехнические статьи и рекомендации инженеров ТОК ЭлектрониксБатареи никель-кадмиевые
Батареи никель-кадмиевые

Батареи никель-кадмиевые

04.11.2015

Первые щелочные аккумуляторы NiFe были изобретены в 1899 году шведом по имени Юнгнер. Электроды из никеля и кадмия появились лишь в 1932 году, а коммерческое использование началось в 60-е годы. Сегодня NiCd — наиболее популярный тип аккумуляторов для небольших потребительских решений. Главным фактором успеха беспроводного оборудования у потребителей можно считать параметры и стоимость NiCd батарей.

Они предлагают высокую энергетическую плотность (высокое содержание энергии относительно веса), отличные возможности для высокоточных нагрузок и длительный срок службы, выраженный в циклах. Емкость аккумуляторов обычно составляет от нескольких мАч до 10 Ач. Ранее эти батареи имели только одну конструкцию, но теперь они доступны в разных исполнениях в зависимости от назначения. Например, у одних была очень высокая емкость, у других — быстрое время зарядки или способность работать при повышенной окружающей температуре.

Элемент содержит отрицательный кадмиевый электрод и положительный никелевый электрод. Электролит из гидроксида калия в водном растворе действует в качестве проводника второго рода. Для защиты от короткого замыкания электроды изолированы друг от друга пористым сепаратором, обычно из пластика. В цилиндрических элементах электроды намотаны спирально для создания как можно большей поверхности (высокой емкости) с как можно более тонким сепаратором (низкое внутреннее сопротивление = высокий ток разряда). Электрохимические процессы в аккумуляторах работают таким образом, что все газы, образующиеся в процессе зарядки (образование кислорода электролизом воды) удаляются из газовой фазы. Естественно, что все элементы оснащены предохранительным клапаном, защищающим от образования избыточного давления при очень большой перезарядке.

Зарядка

Никель-кадмиевые батареи заряжаются постоянным током. Напряжение элемента составляет 1.2 В. В процессе зарядки следует сообщить элементу больше энергии, чем при отводе энергии в процессе разрядки. Можно предположить, что зарядка должна составлять 140% от потребленной емкости, то есть добиться коэффициента зарядки 1.4. Зарядку можно выразить следующей формулой:

I = C x 1.4/t, где

I — ток зарядки в А

C — емкость в Ач

1.4 — коэффициент зарядки

t — время зарядки в часах

Напряжение элемента в процессе зарядки постоянно возрастает и к концу цикла достигает 1.45—1.5 В. При токах зарядки ниже 0.2 С процесс не требует контроля. Зарядка должна производиться при комнатной температуре. При подключении следует проверить полярность. При нарушении полярности аккумулятор выйдет из строя.

Скоростная зарядка (0.5—1.5 С)

NiCd батареи в состоянии принимать высокий заряд за очень короткое время. Чем меньше время зарядки, тем тщательнее должен контролироваться процесс. Напряжение элемента аккумулятора в процессе зарядки постоянно возрастает и затем слегка падает при полной разрядке. В то же время, температура элемента резко повышается. Современные зарядные устройства используют метод ΔV, то есть они улавливают такое снижение напряжения и прекращают зарядку. Первым делом следует избегать избыточного повышения температуры элемента, так это сокращает его срок службы. Поэтому в качестве дополнительной защиты рекомендуется использовать плавкий предохранитель (с автоматическим воостановлением). Температура поверхности полностью заряженного элемента при скоростной зарядке составляет примерно 45 ˚. Предохранитель подключается последовательно с зарядным устройством на внешней строне аккумулятора. Это прерывает зарядку, если температура превысит 45 ˚. Скоростная зарядка <1C должна производиться с контрольным таймером в соответствии с приведенной выше формулой и в сочетании с предохранителем во избежание перегрева элементов. Скоростная зарядка не подходит для высокотемпературных элементов или кнопочных батарей.

Капельная подзарядка

Данный метод зарядки предназначен для высокотемпературных и кнопочных батарей. Он означает, что аккумулятор постоянно подзаряжается, чтобы быть готовым к использованию в случае нарушения питания, например, в UPS-ах компьютеров. Цилиндрические NiCd элементы должны заряжаться токами 0.03—0.05 С, а кнопочные батареи — 0.01 С. Цилиндрический элемент емкостью 800 мАч должен заряжаться, таким образом, током 24—40 мА.

Разрядка

Никель-кадмиевый элемент обладает уникальными нагрузочными свойствами. Можно заряжать элемент током до 100 С, но только в течение короткого промежутка времени. Максимальный отвод тока не должен постоянно превышать 8—10 С в течение 4-5 минут. К преимуществам NiCd элемента относится также и то, что в течение всей разрядки напряжение остается стабильным (1.2 В). Окончательное напряжение (полюсное напряжение к моменту, когда у элемента уже нет свободной емкости) обычно определяется как 1.0 В. К недостаткам NiCd батарей можно отнести высокий уровень саморазрядки — 1% в день, что выражается в низком коэффициенте преобразования в процессе капельной подзарядки и по этой причине в последующей компенсации.

Срок службы

Многим приходилось слышать, что срок службы NiCd-батарей рассчитан на 1000 зарядок и разрядок. Однако при этом надо иметь в виду, что это число в значительной степени зависит от того, как проводились эти операции. Как отмечалось выше, в случае перезарядки внутренняя температура элемента повышается, что приводит к ускорению разрушения материлов элемента. То же самое происходит при сильной разрядке. При разрядке аккумулятора, состоящего из нескольких элементов, наблюдается различие в остаточной емкости, так что некоторые элементы достигают конечного напряжения раньше других. Такие элементы остаются переразряженными, что оказывает негативное влияние на срок службы всего аккумулятора. В случае большой переразрядки, когда напряжение элемента падает до 0.2 В, элемент может изменить свою полярность. NiCd батареи работают лучше при полном цикле, то есть разряжаются до 1.0 В до начала новой зарядки. В этом случае удается избежать различий в остаточной емкости и добиться лучшего функционирования батарей.

Заключительный комментарий по разделу «Никель-кадмиевые батареи»

Вес является очевидным преимуществом NiCd-батарей, особенно когда он мал относительно емкости. Срок службы также удовлетворительный для аккумуляторов этого типа. Поцесс зарядки требует точности, если вы хотите проводить скоростную зарядку без ущерба для срока службы аккумулятора. NiCd-батареи — температурно зависимы, так как внутреннее сопротивление повышается с падением температуры. Сегодня на рынке предлагаются такие типы NiCd-батарей, которые способны работать при высокой окружающей температуре.

NiCd-батареи содержат чрезвычайно опасный материал для окружающей среды — кадмий. В настоящее время подходящей альтернативы для батарей этого типа не существует. При утилизации батарей следует обращаться в специализированные службы.