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:
- Первая применяется в устройствах, имеющих повышенное энергопотребление за короткое время. Это всевозможные плееры, модели с радиоуправлением, фотоаппараты, видеокамеры. В общем, приборы, быстро расходующие энергию.
- 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:
- 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.
- Метод прекращения заряда по максимальному его времени .
- Прекращение заряда по абсолютной температуре . Тут температура аккумуляторной батареи контролируется в процессе заряда. При достижении максимального значения быстрый заряд прекращается.
- Метод прекращения по отрицательной дельте напряжения . Перед завершением зарядки батареи при осуществлении кислородного цикла повышается температура NiMH устройства, что приводит к понижению напряжения.
- Максимальное напряжение . Метод используется для отключения заряда устройств с повышенным внутренним сопротивлением. Последнее появляется в конце срока службы батареи по причине недостатка электролита.
- 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:
- Эти аккумуляторы гораздо чувствительнее к нагреву, нежели никель-кадмиевые, перегружать их нельзя . Перегрузка отрицательно скажется на токоотдаче (способности держать и выдавать накопленный заряд).
- 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.
- Хранить нужно аккумуляторы с небольшим количеством заряда , примерно 20-40% от номинальной емкости.
- После разрядки либо зарядки следует дать устройству остыть .
- 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.
- 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:
- Изготовители ограничили Ni-MH батареи десятью элементами , потому что с увеличением циклов заряд-разряд и срока службы появляется опасность перегрева и переполюсовки.
- Эти аккумуляторы работают в более узком температурном диапазоне, нежели никель-кадмиевые . Уже при -10 и +40°С они теряют свою работоспособность.
- При зарядке Ni-MH аккумулятора выделяют много тепла , поэтому нуждаются в предохранителях либо температурных реле.
- 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.
Во второй половине двадцатого века одними из лучших перезаряжаемых химических источников тока были аккумуляторные батареи, изготовленные по никель-кадмиевой технологии. Они до сих пор широко применяются в различных сферах благодаря своей надежности и непритязательности.
Содрежание
Что такое никель кадмиевый аккумулятор
Никель-кадмиевые батареи являются гальваническими перезаряжаемыми источниками тока, которые были изобретены в 1899 году в Швеции Вальдмаром Юнгнером. До 1932 года их практическое использование было очень ограниченным из-за дороговизны используемых металлов в сравнении со свинцово-кислотными АКБ.
Усовершенствование технологии их производства привело к значительному улучшению их эксплуатационных характеристик и позволило в 1947 году создать герметичный необслуживаемый АКБ с отличными параметрами.
Принцип работы и устройство Ni-Cd аккумулятора
Электрическую энергию эти АКБ производят благодаря обратимому процессу взаимодействия кадмия (Cd) с оксидом-гидроксидом никеля (NiOOH) и водой, в результате которого образуется гидроксид никеля Ni(OH)2 и гидроксид кадмия Cd(OH)2, обуславливающий появление электродвижущей силы.
Ni-Cd АКБ выпускаются в герметичных корпусах, в которых размещены электроды, разделенные нейтральным сепаратором, содержащие никель и кадмий, находящиеся в растворе желеобразного щелочного электролита (как правило, гидроксид калия, KOH).
Положительный электрод представляет собой стальную сетку или фольгу, покрытую пастой оксид-гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом
Отрицательный электрод - это стальная сетка (фольга) с впрессованным пористым кадмием.
Один никель кадмиевый элемент способен выдавать напряжение около 1,2 вольта, поэтому для увеличения напряжения и мощности батарей в их конструкции применяется множество параллельно соединенных электродов, разделенных сепараторами.
Технические характеристики и какие бывают Ni-Cd АКБ
Ni-Cd батареи имеют следующие технические характеристики:
- напряжение разряда одного элемента – около 0,9-1 вольт;
- номинальное напряжение элемента – 1,2 v, для получения напряжений 12v и 24v применяют последовательное соединение нескольких элементов;
- напряжение полного заряда – 1,5-1,8 вольт;
- рабочая температура: от -50 до +40 градусов;
- количество циклов заряда-разряда: от 100 до 1000 (в самых современных батареях – до 2000), в зависимости от используемой технологии;
- уровень саморазряда: от 8 до 30% в первый месяц после полного заряда;
- удельная энергоемкость – до 65 Вт*час/килограмм;
- срок эксплуатации – около 10 лет.
Ni-Cd АКБ выпускают в различных корпусах стандартных типоразмеров и в нестандартном исполнении, в том числе в дисковом, герметическом виде.
Где используются никель кадмиевые АКБ
Эти батареи применяются в устройствах, которые потребляют большой ток, а также испытывают высокие нагрузки при эксплуатации в следующих случаях:
- на троллейбусах и трамваях;
- на электрокарах;
- на морском и речном транспорте;
- в вертолетах и самолетах;
- в электроинструментах (шуруповерты, дрели, электроотвертки и прочие);
- электробритвы;
- в военной технике;
- переносных радиостанциях;
- в игрушках на радиоуправлении;
- в фонарях для дайвинга.
В настоящее время из-за ужесточения экологических требований большинство аккумуляторов популярных типоразмеров ( , и другие) выпускается по никель-металлогидридной и литий-ионной технологиям. Вместе с тем, в эксплуатации еще находится множество Ni Cd АКБ различных типоразмеров, выпущенных несколько лет назад.
Ni-Cd элементы имеют продолжительный срок эксплуатации, который порой превышает 10 лет и поэтому еще можно встретить этот вид батарей во множестве электронных устройств, кроме тех, которые перечислены выше.
Плюсы и минусы Ni-Cd аккумулятора
Этот вид элементов питания имеет следующие положительные характеристики:
- большой срок эксплуатации и число циклов заряда-разряда;
- продолжительный срок службы и хранения;
- возможность быстрой зарядки;
- способность выдерживать большие нагрузки и низкие температуры;
- сохранение работоспособности в самых неблагоприятных условиях эксплуатации;
- невысокая стоимость;
- возможность хранить эти батареи в разряженном состоянии до 5 лет;
- средняя устойчивость к перезаряду.
В то же время, никель кадмиевые источники питания имеют ряд недостатков:
- наличие эффекта памяти, проявляющийся в потере емкости при зарядке АКБ, не дожидаясь полного разряда;
- необходимость профилактических работ (несколько циклов заряда-разряда) по набору полной емкости;
- полное восстановление АКБ после долговременного хранения требует трех-четырех циклов полного заряда-разряда;
- большой саморазряд (около 10% в первый месяц хранения), приводящий к практически полному разряду батареи за год хранения;
- невысокая энергетическая плотность по сравнению с другими элементами питания;
- высокая токсичность кадмия, из-за которой они запрещены в ряде стран, в том числе в ЕС, необходимость проводить утилизацию таких АКБ на специальном оборудовании;
- больший вес по сравнению с современными батареями.
Отличие Ni-Cd от Li-Ion или Ni-Mh источников
Батареи с активными компонентами, включающими никель и кадмий, имеют ряд отличий от более современных литий-ионных и никель-металлогидридных источников электроэнергии:
- Ni-Cd элементы, в отличие от и вариантов, имеют эффект памяти, обладают меньшей удельной емкостью при одинаковых размерах;
- NiCd источники более неприхотливы, сохраняют работоспособность при очень низких температурах, во много раз более устойчивы к перезаряду и сильному разряду;
- Li-Ion и Ni-Mh аккумуляторы стоят дороже, бояться перезаряда и сильного разряда, но имеют меньший саморазряд;
- срок эксплуатации и хранения Li-Ion аккумуляторов (2-3 года) в разы меньше, чем Ni Cd изделий (8-10 лет);
- никель-кадмиевые источники быстро теряют емкость при использовании в буферном режиме (например, в UPS). Хотя их можно после этого полностью восстановить путем глубокого разряда и заряда, лучше не использовать Ni Cd изделия в устройствах, где осуществляется их постоянная подзарядка;
- одинаковость режима заряда Ni-Cd и Ni-Mh батарей позволяет использовать одни и те же зарядные устройства, но при этом нужно учитывать тот факт, что у никель-кадмиевых АКБ более выражен эффект памяти.
Исходя из имеющихся отличий, нельзя сделать однозначный вывод о том, какие АКБ лучше, поскольку у всех элементов есть и сильные и слабые стороны.
Правила эксплуатации
В ходе эксплуатации в Ni Cd источниках питания происходит ряд изменений, которые приводят к постепенному ухудшению характеристик и, в конечном итоге, к утрате работоспособности:
- уменьшается полезная площадь и масса электродов;
- изменяется состав и объем электролита;
- происходит распад сепаратора и органических примесей;
- утрачивается вода и кислород;
- появляются утечки тока, связанные с ростом дендритов кадмия на пластинах.
Для того, чтобы максимально уменьшить повреждения батареи, возникающие при ее эксплуатации и хранении, необходимо избегать неблагоприятных воздействий на АКБ, которые связаны со следующими факторами:
- заряд не полностью заряженной батареи приводит к обратимой утрате ее емкости из-за уменьшения общей площади активного вещества в результате кристаллообразования;
- регулярный сильный перезаряд, который приводит к перегреву, увеличенному газообразованию, утрате воды в электролите и разрушает электроды (особенно анод) и сепаратор;
- недозаряд, приводящий к преждевременному истощению батареи;
- долговременная эксплуатация при очень низких температурах приводит к изменению состава и объема электролита, увеличивается внутреннее сопротивление АКБ и ухудшаются ее эксплуатационные характеристики, в частности падает емкость.
При сильном увеличении давления внутри батареи в результате быстрого заряда большим током и сильной деградации кадмиевого катода в АКБ может выделяться избыточный водород, что приводит к резкому увеличению давления, которое может деформировать корпус, нарушает плотность сборки, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает рабочее напряжение.
В АКБ, оборудованных аварийным клапаном сброса давления, опасность деформации можно предотвратить, но необратимых изменений химического состава батареи избежать невозможно.
Зарядку Ni Cd аккумуляторов нужно производить током 10% (при необходимости быстрого заряда в специальных АКБ – током до 100% за 1 час) величины их емкости (например, 100 мА при емкости 1000 mAh) в течение 14-16 часов. Самый лучший режим их разряда – током, равным 20% от емкости батареи.
Как восстановить Ni Cd аккумулятор
Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.
В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.
Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.
Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:
- проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
- к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
- на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
- вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
- при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;
Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.
Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.
Хранение и утилизация
Хранить никель кадмиевые батареи лучше в разряженном состоянии при низкой температуре в сухом месте. Чем меньше температура хранения таких АКБ, тем меньше у них саморазряд. Качественные модели могут храниться до 5 лет без существенного ущерба техническим характеристикам. Для ввода их в эксплуатацию достаточно провести их зарядку.
Вредные вещества, содержащиеся в одной батарее АА, способны загрязнить около 20 квадратных метров территории. Для безопасной утилизации Ni Cd аккумуляторов, их нужно сдавать в пункты переработки, откуда их переправляют на заводы, где их должны разрушать в специальных герметизированных печах, оборудованных фильтрами, улавливающими токсичные вещества.
Вам так же может быть интересно
Эксплуатация автомобильного аккумулятора с неполным зарядом может очень негативно отразиться на эксплуатационных характеристиках АКБ.
Из года в год аккумуляторы продолжают выталкивать обычные батарейки с рынка. Это происходит мз-за
Все батарейки делятся на множество типов. В быту их называют по-разному, однако современная классификация
Яркие, привлекательные внешне аккумуляторы, навевающие мысли о гонках Формула-1, красочные расцветки, эргономичные формы, это
История изобретения
Исследования в области технологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в 70-е годы XX века и были предприняты как попытка преодоления недостатков . Однако, применяемые в то время металл-гидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH аккумуляторов застопорился. Новые металл-гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980. Начиная с конца восьмидесятых годов XX века NiMH аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии . Их разработчики отмечали, что для NiMH технологии имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.
Параметры
- Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч /кг): 300 Вт·ч/кг .
- Удельная энергоёмкость: около - 60-72 Вт·ч/кг.
- Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм ³): около - 150 Вт·ч/дм³.
- ЭДС: 1,25 .
- Рабочая температура: −60…+55 °C .(-40… +55)
- Срок службы: около 300-500 циклов заряда/разряда.
Описание
Никель-металл-гидридные аккумуляторы форм фактора "Крона", как правило- начальным напряжением 8,4 вольта, постепенно снижает напряжение до 7,2 вольт, а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов . Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую емкость при тех же габаритах, но меньший срок службы - от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.
NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти ». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.
Экологически безопасны.
Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда - 15-16 часов (типичная рекомендация производителя).
Хранение
Аккумуляторы нужно хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 градусов . При хранении желательно регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1,37 . Если же напряжение упало, необходимо зарядить аккумуляторы заново. Единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, - это Ni-Cd аккумуляторы .
NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)
Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (the low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее многие мировые производители представили свои LSD NiMH аккумуляторы.
Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженный» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.
По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трех недель. Обычные NiMH аккумуляторы теряют до 10% емкости зарядом в течение первых 24 часов после заряда, зетем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5% емкости в день. Для LSD NiMH этот параметр как правило находится в диапазоне от 0,04% до 0,1% емкости в день. Производители утверждают, что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:
Из недостатков следует отметить сравнительно чуть меньшую емкость. В настоящее время (2012 год) максимально достигнутая паспортная емкость LSD - 2700 mAh.
Тем не менее, при тестировании аккумуляторов Sanyo Eneloop XX с паспортной емкостью 2500mAh (min 2400mAh) оказалось, что все из аккумуляторов партии в 16 штук (сделаны в Японии, проданы в Ю.Корее) имеют емкость даже больше - от 2550 mAh до 2680 mAh. Тестировалось зарядкой LaCrosse BC-9009.
Неполный список аккумуляторов долгого хранения (с низким саморазрядом):
- Prolife от Fujicell
- Ready2Use Accu от Varta
- AccuEvolution от AccuPower
- Hybrid, Platinum, и OPP Pre-Charged от Rayovac
- eneloop от Sanyo
- eniTime от Yuasa
- Infinium от Panasonic
- ReCyko от Gold Peak
- Instant от Vapex
- Hybrio от Uniross
- Cycle Energy от Sony
- MaxE и MaxE Plus от Ansmann
- EnergyOn от NexCell
- ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu от Duracell
- Pre-Charged от Kodak
- nx-ready от ENIX energies
- Imedion от
- Pleomax E-Lock от Samsung
- Centura от Tenergy
- Ecomax от CDR King
- R2G от Lenmar
- LSD ready to use от Turnigy
Другие преимущества NiMH аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH)
Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление чем обычные NiMH батареи. Это сказывается весьма положительно в приложениях с высоким токопотреблением:
- Более стабильное напряжение
- Уменьшенное тепловыделение особенно на режимах быстрого заряда/разряда
- Более высокая эффективность
- Способность к высокой импульсной токоотдаче (Пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
- Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (Пример: пульты ДУ, часы.)
Методы заряда
Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 - 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 - 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для восстановления эффекта «памяти», метод «FLEX Negative Pulse Charging» или «Reflex Charging»).
Контроль окончания заряда по изменению напряжения
Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.
Существует ещё так называемый «inflexion» - метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).
Контроль окончания заряда по изменению температуры
При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора 60°С.
Области применения
Замена стандартного гальванического элемента, электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.
Выбор емкости аккумуляторов
При использовании NiMH аккумуляторов далеко не всегда следует гнаться за большой ёмкостью. Чем более ёмкий аккумулятор, тем выше (при прочих равных условиях) его ток саморазряда. Для примера рассмотрим аккумуляторы ёмкостью 2500 мАч и 1900 мАч. Полностью заряженные и не используемые в течение, например, месячного срока аккумуляторы потеряют часть своей электрической ёмкости вследствие саморазряда. Более ёмкий аккумулятор будет терять заряд значительно быстрее, чем менее ёмкий. Таким образом по прошествии, например, месяца аккумуляторы будут иметь примерно равный заряд, а по прошествии ещё большего времени изначально более ёмкий аккумулятор будет содержать меньший заряд.
С практической точки зрения аккумуляторы высокой ёмкости (1500-3000 мАч для AA-батарей) есть смысл использовать в устройствах с высоким потреблением энергии в течение короткого времени и без предварительного хранения. Например:
- В радиоуправляемых моделях;
- В фотоаппарате - для увеличения количества снимков, сделанных в относительно короткий промежуток времени;
- В прочих устройствах, в которых заряд будет выработан за относительно короткий срок.
Аккумуляторы же низкой ёмкости (300-1000 мАч для AA-батарей) скорее подойдут для следующих случаев:
- Когда использование заряда начинается не сразу после зарядки, а по прошествии значительного времени;
- Для периодического использования в устройствах (ручные фонари, GPS-навигаторы, игрушки, рации);
- Для длительного использования в устройстве с умеренным энергопотреблением.
Производители
Никель-металл-гидридные аккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе:
- Camelion
- Lenmar
- Наша сила
- НИАИ ИСТОЧНИК
- Космос
См. также
Литература
- Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.
Примечания
Ссылки
- ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
- ГОСТ Р МЭК 61436-2004 Аккумуляторы никель-металл-гидридные герметичные
- ГОСТ Р МЭК 62133-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Требования безопасности для портативных герметичных аккумуляторов и батарей из них при портативном применении
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | |
Основные типы аккумуляторов:
Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы
Для аккумуляторного инструмента никель-кадмиевые аккумуляторы являются фактическим стандартом. Инженерам хорошо известны их достоинства и недостатки, в частности Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторы содержат кадмий – тяжёлый металл повышенной токсичности.
У никель-кадмиевых аккумуляторов есть так называемый «эффект памяти» суть которого сводится к тому, что при заряде не полностью разряженного аккумулятора его новый разряд возможен только до того уровня, с которого его зарядили. Другими словами аккумулятор «помнит» уровень остаточного заряда, с которого его полностью зарядили.
Итак, при заряде не полностью разряженного Ni-Cd аккумулятора происходит уменьшение его ёмкости.
Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Опишем только самый простой и надёжный способ.
При использовании аккумуляторного инструмента с Ni-Cd аккумуляторными батареями следует придерживаться простого правила: заряжать только полностью разряженные аккумуляторы.
Рекомендуется хранить Ni-Cd Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи в разряженном состоянии, желательно чтобы разряд не был глубоким, в противном случае это может вызвать необратимые процессы в батарее.
Плюсы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Низкая цена Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Возможность отдавать наибольший ток нагрузки
- Возможность быстрого заряда аккумуляторной батареи
- Сохранение высокой ёмкости аккумулятора до -20°C
- Большое количество циклов заряда-разряда. При правильной эксплуатации подобные аккумуляторы отлично работают и допускают до 1000 циклов заряда-разряда и более
Минусы Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов
- Относительно высокий уровень саморазряда – Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% своей ёмкости в первые сутки после полного заряда.
- Во время хранения Ni-Cd Никель-кадмиевый аккумулятор теряет порядка 8-10% заряда каждый месяц
- После длительного хранения ёмкость Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора восстанавливается после 5 циклов разряда-заряда.
- Для продления срока службы Ni-Cd Никель-кадмиевого аккумулятора рекомендуется каждый раз полностью его разряжать для предотвращения проявления «эффекта памяти»
Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы
Эти аккумуляторы предлагаются на рынке как менее токсичные (по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами) и более экологически безопасные, как в производстве, так и при утилизации.
На практике Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы действительно демонстрируют весьма большую ёмкость при габаритах и массе, несколько меньших, чем у стандартных Ni-Cd Никель-кадмиевых аккумуляторов.
Благодаря практически полному отказу от применения токсичных тяжелых металлов в конструкции Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов последние после использования могут быть утилизованы вполне безопасно и без экологических последствий.
У никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижен «эффект памяти». На практике «эффект памяти» практически незаметен из-за высокого саморазряда этих аккумуляторов.
При эксплуатации Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов желательно разряжать их в процессе работы не полностью.
Хранить Ni-MH Никель-металлогидридные аккумуляторы следует в заряженном состоянии. При длительных (более месяца) перерывах в работе аккумуляторы следует перезаряжать.
Плюсы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
- Нетоксичные аккумуляторы
- Меньший «эффект памяти»
- Хорошая работоспособность при низкой температуре
- Большая ёмкость по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
Минусы Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов
- Более дорогой тип аккумуляторов
- Величина саморазряда примерно в 1.5 раза выше по сравнению с Ni-Cd Никель-кадмиевыми аккумуляторами
- После 200-300 циклов разряда-заряда рабочая ёмкость Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов несколько снижается
- Батареи Ni-MH Никель-металлогидридных аккумуляторов имеют ограниченный срок службы
Li-Ion Литий-ионные аккумуляторы
Несомненным достоинством литий-ионных аккумуляторов является практически незаметный «эффект памяти».
Благодаря этому замечательному свойству Li-Ion аккумулятор можно заряжать или подзаряжать по мере необходимости, исходя из потребностей. Например, можно подзарядить не полностью разряженный литий-ионный аккумулятор перед важной, ответственной или продолжительной работой.
К сожалению эти аккумуляторы являются наиболее дорогими аккумуляторными батареями. Кроме того литий-ионные аккумуляторы имеют ограниченный срок службы, независящий от числа циклов разряд-заряд.
Резюмируя можно предположить, что литий-ионные аккумуляторы лучше всего пригодны для случаев постоянной интенсивной эксплуатации аккумуляторного инструмента.
Плюсы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Отсутствует «эффект памяти» и поэтому появляется возможность заряжать и подзаряжать аккумулятор по мере необходимости
- Высокая ёмкость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Небольшая масса Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Рекордно-низкий уровень саморазряда – не более 5% в месяц
- Возможность быстрого заряда Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
Минусы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Высокая стоимость Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов
- Сокращается время работы при температуре ниже нуля градусов Цельсия
- Ограниченный срок службы
Примечание
Из практики эксплуатации Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов в телефонах, фотокамерах и т.д. можно отметить, что эти аккумуляторы служат в среднем от 4 до 6 лет и выдерживают за это время около 250-300 циклов разряда-заряда. При этом абсолютно точно замечено: больше циклов разряд-заряд – короче срок службы Li-Ion Литий-ионных аккумуляторов!
Следите за новостями в нашей группе Вконтакте
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»