Источники питания с электродом из кадмия используются для питания многих приборов и аппаратов. Несмотря на повышенную вредность для здоровья и окружающей атмосферы, пока не представляется возможным полностью заменить их на аналоги. Они нашли постоянное применение в электронике с токами разряда, имеющими повышенное значение.
- История создания ni cd аккумуляторных батарей
- Устройство никель кадмиевых аккумуляторов
- Химические реакции протекающие в батарее
- Основные процессы в АКБ
- Реакции на катоде
- Реакции на аноде
- Основные технические характеристики
- Маркировка никель кадмиевых аккумуляторов
- Области применения ni cd аккумуляторов
- Особенности эксплуатации
- Достоинства и недостатки
- Как восстановить ni cd аккумулятор
- Восстановление при помощи воды
- Метод запзаппинг
- Разряд-заряд
История создания ni cd аккумуляторных батарей
Годом, когда был произведен первый ni cd аккумулятор считается 1899. Тогда изготовление нового источника питания было слишком накладное из-за дороговизны технологии добычи некоторых материалов для АКБ, поэтому разработки временно отложили. Вторую жизнь он получил в 1932 году, когда был открыт метод, при котором активное вещество получилось осадить на электроде из никеля.
В 1947 году ученые смогли добиться восстановления газов, выделяющихся при зарядке внутри батареи без их дополнительного вывода. С тех пор в промышленности начали производить никель кадмиевые аккумуляторы в герметичном корпусе, которые используются для питания в современных приборах и электронике. На рынке представлен широкий спектр АКБ от различных производителей.
В последнее время ni cd аккумуляторы теснят их усовершенствованные аналоги ni mh, а также источники питания с литиевыми электродами. Аналоги нашли широкое распространение в портативной электронике. Главной причиной такого изменения это вредность кадмия, и дорогостоящей утилизации для которой требуется применять специальные технологии. Однако некоторое оборудование способно работать только там, где используется ni cd аккумулятор.
Важно! Источники питания с кадмиевыми электродами являются вредными для здоровья человека и атмосферы, требуют специальной утилизации.
Устройство никель кадмиевых аккумуляторов
Конструкция таких источников питания состоит из двух электродов заряженными разноименными зарядами, разделенных между собой сепаратором, все элементы помещены в электролит и герметично закрыты в пластиковом или металлическом корпусе.
Положительный электрод имеет в своем составе никелевый гидроксид-оксид (NiOOH), а отрицательный электрод выполняется из кадмия. В качестве электролита применяется высокоактивная щелочь KOH, она не подвержена воздействию огня и невзрывоопасна, не имеет запаха.
Благодаря фольгированию металла при изготовлении электродов удалось добиться увеличения площади взаимодействия. В качестве сепаратора применяется материал, который не подвержен растворению в щелочи. В результате герметичности корпуса никель кадмиевые аккумуляторы не расходуют электролит в процессе эксплуатации.
В верхней части корпуса находятся токосъемные контакты с их помощью возможно соединение отдельных элементов в батареи. Также крышка имеет отверстие с пробкой для доливки щелочи, а также улетучивания избыточных газов в процессе зарядки АКБ.
Сами электроды представлены в виде пластин, разделенных между собой специальным материалом. Одноименно заряженные пластины собираются в один пучок и сварным способом соединяются с контактом на крышке корпуса АКБ. Сепаратор не препятствует свободному протеканию электролита между электродами.
По типу исполнения источники питания с кадмиевым электродом разделяют на два вида:
- Призматические. В них электроды выполняют в виде пластин и укладывают друг на друга через сепаратор.
- Цилиндрические. В таких батареях электроды изготавливают в виде ленты и сворачивают в рулоны, между катодом и анодом также располагают сепаратор.
Интересно знать! Одиночные гальванические элементы, батарейки способны выдавать напряжение около 1 В, поэтому для питания электротехники их собирают в батареи.
Химические реакции протекающие в батарее
Для рассмотрения процессов, которые хранит ni cd аккумулятор необходимо рассмотреть каждую реакцию отдельно.
Основные процессы в АКБ
В результате эксплуатации при циклах заряд-разряд внутри никель кадмиевых АКБ протекают следующие реакции:
- Зарядка. 2Ni(OH)2+Cd(OH)2 ⇒ 2NiOOН+Cd+2H2O;
- Разрядка. 2NiOOH+Cd+2H2O ⇒ 2Ni(OH)2+Cd(OH)2.
При режиме перезарядки на катоде наблюдаются такие процессы:
2OH ⇒1/2O2+H2O+2e−.
В результате происходит выделение кислорода, который проникает через сепаратор и взаимодействует с анодом, начинается реакция:
1/2O2+Cd+H2 ⇒ Cd(OH)2.
Вышеперечисленные химические уравнения показывают циркуляцию атомов кислорода, тем самым стабилизируется внутренне давление при режиме перезаряда. Также при данном режиме на аноде может выделяться водород с последующим его окислением на катоде:
H2O+e−⇒ OH−+1/2H2;
NiOOH+1/2H2⇒ Ni(OH)2.
В герметичных батареях быстрый процесс выделения газообразного водорода может привести к взрыву, поэтому емкость для электрода с кадмием изготавливают значительно больше, чем у никелевого.
Реакции на катоде
На никелевом электроде в зависимости от условий эксплуатации протекают различные реакции:
- Зарядка. Ni(OH)2+OH—⇒ NiOOH+H2O+e—;
- Разрядка. NiOOH+H2O+e—⇒ Ni(OH)2+OH—.
Восполнение заряда необходимо проводить с незначительной перезарядкой, в результате чего образуется NiOOH, благодаря такому соединению активная масса электродов ni cd батареи не теряет свою активную массу в значительном количестве.
Реакции на аноде
На кадмиевой пластине аккумулятора происходят следующие процессы:
- Зарядка. Cd(OH)2+2e−⇒ Cd+2OH−;
- Разрядка. Cd+2OH−⇒ Cd(OH)2+2e−.
Собственная емкость отрицательного полюса значительно выше, чем у положительного. Благодаря такому свойству анод на протяжении всего срока эксплуатации не теряет значения внутреннего потенциала.
Основные технические характеристики
Источники питания с кадмиевым электродом имеют следующие основные технические свойства:
- Минимальное значение разрядного напряжения 0,9 В.
- Значение нормального рабочего напряжения 1,2 В, при необходимости создания вольтажа 24 В и 12 В, одиночные элементы собирают в батареи при последовательном соединении.
- Напряжение ni cd аккумулятора при полном заряде 1,5 В.
- Диапазон рабочих температур от -50°С до +40°С, такие показатели выгодно выделяют данный тип источника питания в отличие от аналогов.
- В зависимости от условий эксплуатации достигается количество рабочих циклов до 2000.
- Самостоятельный разряд составляет 25% от начальной емкости.
- Удельная энергетическая емкость до 65 Вт*ч/кг.
- Срок службы nicd аккумуляторов составляет значение до 10 лет.
Маркировка никель кадмиевых аккумуляторов
Ni cd аккумуляторы, как и любое электрическое оборудование имеет собственную маркировку благодаря которой становится возможным узнать основные технические параметры элемента. Основные символы расшифровывают так:
- Первые цифры указывают на количество отдельных элементов, соединенных в батарею.
- Буквенное обозначение НК или К обозначает, что перед вами никель кадмиевый аккумулятор.
- Латинские буквы L или H уточняют режим разряда АКБ. L- длительный разряд, H- кратковременный разрядный режим.
- Последующее цифровое значение указывают на собственную емкость источника питания.
- Буквы Р(П) обозначают, что емкость элемента выполнена из пластика.
- К- тип сборной конструкции батареи, каркасная.
Области применения ni cd аккумуляторов
Основные сферы использования никель кадмиевых аккумуляторов — это источники питания, для оборудования которое имеет повышенные токи разряда. В такой электротехнике ni cd аккумуляторы способны обеспечивать стабильную мощность, а также не подвержены перегреву в процессе эксплуатации при максимальном токе, в отличие от аналогов. Данные батареи применяются для питания разнообразного транспорта такого как троллейбусы, небольшой водный транспорт, а также для тяги в электрических карах.
До появления литиевых широко применялись кадмиевые батареи для питания переносного инструмента, а также в плоском исполнении использовались в компьютерах при питании независимой памяти. Использовались они в фотоаппаратах, калькуляторах, фонариках и приборах для улучшения слуха. Они способны длительно храниться в разряженном состоянии, не подвержены пагубному действию пониженных температур. Благодаря малому внутреннему сопротивлению и пониженному удельному весу кадмиевые батареи до сих пор применяются для питания бортовой сети в авиации и переносных радиостанциях.
Особенности эксплуатации
Если восстанавливать заряд никель кадмиевых аккумуляторов, может возникать перегрев электролита, на это рассчитаны многие зарядные устройства, которые прекращают при этом зарядку. Для увеличения срока службы необходимо соблюдать правила эксплуатации. Производители рекомендуют полный разряд и быструю подзарядку в процессе работы батареи.
Хранить данные источники питания необходимо при полном разряде практически до нулевого значения, сроки хранения при этом могут достигать 5 лет. Такие условия выгодно отличают никель кадмиевый аккумулятор от аналогичных. Для восстановления после хранения следует провести несколько циклов заряд-разряд, рекомендуется за сутки перед непосредственным применением. В результате своеобразной тренировки получиться добиться возрождения первоначальной емкости АКБ. При неполном разряде и последующей зарядке емкость может преждевременно снижаться, спасти может полный разряд и полный заряд.
Утилизацию кадмиевых батарей запрещается просто выбрасывать совместно с бытовыми отходами, так как вещества, содержащиеся в них, отличаются повышенной вредностью. После прихода аккумулятора в полную негодность его необходимо сдавать в пункты приема и переработки.
Достоинства и недостатки
К преимуществам ni cd аккумулятора следует отнести такие полезны свойства:
- Повышенный срок службы, а также большое число рабочих циклов.
- Возможность хранения до 5 лет в разряженном состоянии, причем потом можно восстановить значение внутренней емкости.
- Присутствие режима быстрого заряда.
- Сохранение работоспособности при низких и высоких рабочих температурах.
- Не подвержены пагубному воздействию режимов перезаряда.
- Низкая стоимость.
К основным отрицательным показателям относят:
- присутствие такого свойства, как «эффект памяти»;
- необходимость применения тренировки несколькими циклами заряд-разряд;
- повышенный самостоятельный разряд;
- невысокая плотность энергии в отличие от аналогов;
- высокая вредность применяемого в качестве электрода кадмия;
- имеют вес выше, чем у аналогов.
Как восстановить ni cd аккумулятор
При полном выходе из строя данных аккумуляторов возникает вопрос, а существует вероятность его восстановления. Многие специалисты в электронике постоянно спорят на эту тему, стоит ли это делать и как. Существует несколько основных способов возвращения первоначальной емкости ni cd аккумулятору.
Восстановление при помощи воды
В качестве панацеи может послужить обычная дистиллированная вода. Перед началом самого процесса необходимо подготовить следующие приспособления и инструменты:
- кислота для пайки;
- медицинский одноразовый шприц;
- электрический паяльник;
- небольшое количество дистиллированной воды.
Изначально необходимо найти вышедший из строя элемент, для этого измеряется значение напряжения, плохих элементов оно стремиться или равно нулю. Затем в корпусе аккумулятора сверлится отверстие, при этом важно не повредить электроды.
Важно! В никель кадмиевых АКБ герметичного исполнения невозможно самовозгорание, в отличие от литиевых.
В шприц набираем необходимое количество воды, и аккуратно заливаем в аккумулятор, торопиться не следует нужно дать возможность ей свободно пропитаться. После заполнения отверстие в корпусе аккуратно запаивают при помощи кислоты и паяльника. Элемент проверяется прибором и устанавливается в устройство для восстановления заряда. Такой способ продлевает жизнь АКБ, но ненадолго.
Метод запзаппинг
Особенность такого метода заключается в применении повышенных импульсов тока при заряде. При использовании такого способа необходимо соблюдать требования безопасности, а также следует иметь первоначальные знания в электротехнике. Ток заряда ni cd аккумуляторов может достигать при этом 20 А, что может быть опасно для жизни.
Интересно знать! Запзаппинг позволяет восстановить аккумуляторные батареи, хранившиеся до 20 лет.
Разряд-заряд
Чтобы устранить неприятный «эффект памяти» необходимо понизить значение напряжения до значения 0,8 В, а потом восстановить его до номинального показания. При продолжительном сроке хранения следует провести несколько таких циклов. Производители рекомендуют для продления работоспособности батареи тренировать ее таким образом как минимум раз в месяц.
Существует также метод заморозки никель кадмиевых батарей, такой способ вызывает сомнения у многих специалистов и у разработчиков источников питания.
Исходя из всех полезных свойств ni cd аккумуляторы не уступают своим аналогам по техническим характеристикам. До сих пор они являются самыми дешевыми, применение современных технологий делает их надежными и безопасными при соблюдении требований эксплуатации.
