Никель-металлогидридный (ni-mh) аккумулятор

Сегодня существует множество разных источников питания для техники и электроники, и по внешнему виду элемента далеко не всегда понятно, к какому типу он относится и какие имеет характеристики. Маркировка Ni-MH (от англ. nickel — metal hydride) означает, что перед вами никель-металлогидридный аккумулятор: его положительный электрод сделан на основе гидроксида никеля, а отрицательный — из металлического сплава, способного обратимо поглощать водород.

История появления ni mh аккумуляторов

Работы над никель-металлогидридными источниками питания начались во второй половине прошлого века — в конце 1960-х годов, и первые образцы делали для космической отрасли. Массовое производство удалось наладить только к концу 1980-х, когда нашли достаточно стабильные сплавы-накопители. Сам принцип — хранить водород не под давлением, а в составе сплава некоторых металлов — позволил заметно увеличить ёмкость элемента по сравнению с никель-кадмиевым и отказаться от токсичного кадмия.

Перебор различных сочетаний металлов в сплаве позволил постепенно улучшать характеристики таких батарей. Удалось подобрать составы, которые поглощают и отдают водород при невысоком давлении и близкой к комнатной температуре, — ключевую роль здесь играет никель в сплаве с редкоземельными металлами. Ресурс современных элементов составляет 300–500 циклов заряд-разряд при полном разряде и до 1000 циклов при неглубоком, а саморазряд — около 20–30 % за первый месяц хранения. В ходе развития этих аккумуляторов кадмиевый отрицательный электрод заменили металлогидридным: он занимает меньше объёма, поэтому в том же корпусе и при той же массе удалось почти вдвое увеличить количество активной массы положительного электрода, а значит и ёмкость.

Важно! Никель-металлогидридный аккумулятор не содержит токсичного кадмия, поэтому он безопаснее в обращении и утилизации и получил более широкое распространение, чем никель-кадмиевый.

Металлогидридный аккумулятор

Источники питания данного типа относятся к щелочным. Отрицательным электродом служит сплав-накопитель водорода на основе редкоземельных металлов и никеля, положительным — оксидно-никелевый электрод, активная масса которого состоит из гидроксида никеля. Между электродами находится пористый сепаратор, пропитанный электролитом — раствором гидроксида калия (KOH).

Герметичные элементы работают по принципу замкнутого кислородного цикла. Положительный электрод набирает заряд первым, и в конце заряда на нём начинает выделяться кислород. Он проходит через сепаратор к металлогидридному электроду и там снова восстанавливается до воды. Благодаря этому давление внутри корпуса не растёт и элемент можно сделать полностью закрытым. Чтобы цикл работал, ёмкость отрицательного электрода делают с запасом по отношению к положительному, а электролита заливают немного — так кислороду проще добраться до отрицательного электрода.

Никель металлгидридные аккумуляторные батареи по особенностям конструктивного исполнения разделяют на два вида:

• цилиндрические;
• призматические.

Цилиндрические ni mh батареи

В таких источниках питания электроды изготавливают в виде тонких металлических лент. Ленты вместе с сепаратором сворачивают в рулон и укладывают в корпус-банку. Электролитом служит раствор щёлочи, причём его намеренно немного: он почти полностью удерживается в порах сепаратора и электродов, что необходимо для работы кислородного цикла.

Сверху элемент герметично закрывается крышкой, в которую встроен предохранительный клапан. При избыточном давлении газов (у разных моделей порядка 2–4 МПа) клапан открывается, сбрасывает газ и затем снова закрывается.

Призматические ni mh батареи

В конструкции такого вида применяются электроды в виде плоских пластин; как и в первом случае, они разделены сепаратором из нетканого полипропилена толщиной до 0,25 мм. В верхней крышке устанавливают датчик давления либо предохранительный клапан, который срабатывает при давлении до 4 МПа. Плоская форма позволяет плотнее использовать объём корпуса, поэтому такие элементы широко применяют в составных батареях бытовой техники, аккумуляторного инструмента и радиоуправляемых моделей.

Виды электродов

Положительный электрод ni mh аккумулятора — оксидно-никелевый: его токопроводящую основу делают из металлокерамики, пенометалла (пеноникеля) или войлочных материалов. Отрицательный электрод — металлогидридный (металловодородный), он изготавливается из сплавов, обратимо поглощающих водород. Итого в элементе работают электроды двух типов:

• металловодородный;
• оксидноникелевый.

Металловодородные электроды

В качестве отрицательного электрода применяется сплав на основе лантана и никеля (LaNi₅ и его производные). Такой сплав обратимо поглощает водород в количестве, в сотни раз превышающем собственный объём металла, — именно в этом виде в аккумуляторе и хранится водород. Чтобы не расходовать дорогой чистый лантан, при производстве АКБ часто используют мишметалл — смесь редкоземельных элементов в соотношении, близком к природному: лантан, церий, неодим, празеодим.

При каждом цикле заряда-разряда кристаллическая решётка сплава расширяется и сжимается. Такие деформации постепенно дробят зёрна металла, в нём появляются микротрещины, и щёлочь получает доступ к свежей, ничем не защищённой поверхности. Образующиеся продукты коррозии в работе элемента уже не участвуют, поэтому его ёмкость снижается.

Электролита в герметичном элементе ограниченное количество, и долить его невозможно. Коррозия сплава расходует воду из электролита, сепаратор подсыхает — внутреннее сопротивление источника питания растёт, и напряжение сильнее «проседает» под нагрузкой. Чтобы ослабить этот эффект, изготовители используют два способа. В первом случае частицы сплава покрывают тонкой медной или никелевой плёнкой. При втором способе их обрабатывают в горячем растворе щёлочи, и на поверхности образуется защитный слой.

Интересно знать! Если элемент разгерметизировался и электролит высох, восстановить ni mh аккумулятор уже невозможно.

Оксидноникелевые электроды

Положительный оксидно-никелевый электрод источника питания может изготавливаться несколькими способами.

 Ламельные

Такие электроды собирают из перфорированной стальной ленты, покрытой никелем: из неё делают коробочки-ламели, которые заполняют активной массой и набирают в единый электрод. Толщина самой ленты — около 0,1 мм.

Спеченные металлокерамические

Данные электроды представляют собой металлокерамические изделия. Их основа — каркас с многочисленными порами, в которых размещается активная масса. Каркас делают из карбонильного никелевого порошка с добавкой порообразователя, и эту смесь напрессовывают на металлическую сетку-токоотвод.

После напрессовки заготовку спекают при температуре около 960 °С в восстановительной атмосфере: порообразователь (карбонат аммония) разлагается, оставляя после себя поры, а частицы никеля спекаются в прочный каркас. Таким методом получают основу толщиной до 2,3 мм с размером пор не более 20 мкм. Затем её пропитывают раствором соли никеля и обрабатывают щёлочью — в порах осаждается гидроксид никеля, то есть активная масса электрода.

Прессованные

При изготовлении прессованных положительных электродов активную массу — смесь гидроксидов никеля и кобальта со связующим — спрессовывают с металлической сеткой. Давление, применяемое при этом, составляет около 60 МПа.

Металловойлочные

Применение волокон углерода и никеля позволило использовать в металлогидридных аккумуляторах металловойлочные электроды. Их основу делают из углеграфитного фетра, покрытого никелем; толщина такой основы доходит до 10 мм, а высокая пористость позволяет вместить много активной массы. Активные вещества вводят в войлок разными способами — пропиткой, намазкой или электрохимическим осаждением.

Интересно знать! Иногда вместо войлочных материалов применяют пеноникель: его получают никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной атмосфере, при котором полимерная основа выгорает.

Основные технические характеристики

К основным техническим параметрам металлгидридных АКБ можно отнести:

• удельная энергия — 60–120 Вт·ч/кг;
• внутреннее сопротивление — десятки мОм у одного элемента (у сборки на 6 В — около 200–300 мОм);
• ресурс — 300–500 циклов при полном разряде, до 1000 циклов при неглубоком;
• время заряда: быстрый режим — 1–2 ч, стандартный током 0,1С — 14–16 ч;
• саморазряд — до 20 % в первые сутки после заряда и порядка 10–20 % за последующий месяц (у элементов с низким саморазрядом, LSD, — в несколько раз меньше);
• номинальное напряжение элемента — 1,2 В (у свежезаряженного — около 1,4 В);
• оптимальный ток разряда — 0,2–0,5С, то есть 0,2–0,5 от численного значения ёмкости;
• максимальный (кратковременный) ток разряда — до 3–5С;
• рабочие температуры: разряд от −20 до +60 °С, заряд от 0 до +45 °С;
• срок службы — 3–5 лет.

Области применения

Ni mh батареи применяются в портативной электронике и бытовой технике. Чаще всего встречаются типоразмеры АА и ААА, которыми напрямую заменяют одноразовые щелочные батарейки, но выпускают и другие исполнения — элементы типа С и D, «кроны» на 8,4 В, а также составные сборки для инструмента, радиомоделей и медицинской техники. Благодаря отсутствию кадмия металлгидридные АКБ распространены шире, чем никель-кадмиевые.

По значению емкости можно выделить две основные группы батарей:

• до 1000 мАч — типоразмер ААА и элементы меньших размеров;
• от 1000 до 3000 мАч — типоразмер АА и крупнее.

Первая группа элементов питания используется в приборах с небольшим и неравномерным потреблением энергии: ёмкость расходуется понемногу и с длительными перерывами в работе. Это пульты, навигаторы, фонарики, настенные часы, игрушки.

Вторая группа используется для питания приборов, которые потребляют много энергии за короткое время, то есть работают большими токами. К такой технике относятся фотоаппараты со вспышкой, радиоуправляемые модели, электроинструмент и портативные плееры.

Правила зарядки

Правильная эксплуатация и грамотный заряд заметно продлевают срок службы ni mh аккумулятора. На ресурс влияют глубина разряда, скорость заряда и то, насколько точно определяется его окончание. В зависимости от условий эксплуатации срок службы составляет от 3 до 5 лет.

Для пополнения заряда часто применяют режим быстрого заряда. Он допустим только для элементов с высокоактивными электродами, рассчитанных на большие токи, и требует контроля температуры и напряжения. Такие аккумуляторы ставят в электроинструмент, радиоуправляемые модели, медицинское и измерительное оборудование, а раньше — в ноутбуки и мобильные телефоны.

Быстрый заряд разработчики рекомендуют проводить в три ступени:

1. Первый этап. Заряд ведут током около 1С, то есть численно равным ёмкости элемента (например, 2000 мА для элемента на 2000 мАч). Так набирают примерно 70–80 % ёмкости, после чего по признакам окончания заряда ток снижают.
2. Второй этап. Додозаряд током 0,1С в течение не более 30 минут — он выравнивает заряд элементов в батарее.
3. Третий этап. Поддерживающая подзарядка током 0,02–0,05С, компенсирующая саморазряд элемента.

Важно! При стандартном (медленном) режиме заряжают током 0,1С в течение 14–16 часов — такой режим не требует точного определения конца заряда. Напряжение на элементе при этом поднимается примерно до 1,45–1,5 В.

Чтобы аккумулятор не вышел из строя при заряде, его основные параметры нужно постоянно контролировать. Производители зарядных устройств используют несколько признаков окончания быстрого заряда, по которым устройство снижает ток или отключается:

• Достижение предельной температуры элемента. Способ неточный: на холоде аккумулятор успевает перезарядиться, а в жару заряд прервётся слишком рано и элемент останется недозаряженным.
• Контроль скорости роста температуры (метод dT/dt). Работает надёжнее абсолютного температурного порога, в том числе при низкой температуре окружающего воздуха, и позволяет полнее использовать ёмкость аккумулятора.
• Падение напряжения после пика в конце заряда (метод −ΔV): у заряженного элемента напряжение снижается примерно на 10–20 мВ.
• Истечение заданного времени заряда — простая страховка, которую применяют вместе с другими способами.
• В ni mh аккумуляторах призматической конструкции применяют также контроль роста внутреннего давления газов.
• Достижение предельного напряжения на элементе.

Важно! Заряжать металлгидридные батареи при пониженной температуре нужно малым током: на холоде кислородный цикл не успевает срабатывать, и давление внутри элемента растёт.

Условия безопасной эксплуатации

Для продления срока службы и сохранения всех технических характеристик металлгидридных АКБ необходимо соблюдать рекомендации производителя. К таким требованиям относят:

• соблюдение нормального температурного режима;
• запрещается разряжать элемент ниже 1,0 В (для батареи — ниже 1,0 В на каждый элемент);
• не допускается короткое замыкание электродов между собой, при этом может произойти полное разрушение аккумулятора;
• запрещается использовать в одной батарее старые и новые элементы, а также элементы разной ёмкости или степени заряда — слабый элемент уйдёт в переполюсовку и выйдет из строя;
• не рекомендуется припаивать провода и токоотводы к корпусу элемента: от нагрева повреждаются сепаратор и уплотнения, поэтому применяют точечную сварку или держатели для батареек.

Хранить ni mh аккумуляторы следует в сухом прохладном месте при температуре от 0 до +20 °С. Нельзя оставлять их на долгое хранение полностью разряженными: глубокий разряд и длительное пребывание в таком состоянии приводят к потере ёмкости. Обычные элементы из-за саморазряда имеет смысл подзаряжать примерно раз в месяц, элементы с низким саморазрядом (LSD) — значительно реже.

Достоинства и недостатки

Основные преимущества металлгидридных аккумуляторов:

• ёмкость в 1,5–2 раза выше, чем у никель-кадмиевых элементов того же размера;
• отсутствие вредных элементов, таких как кадмий;
• слабо выраженный «эффект памяти»;
• пологая разрядная характеристика: напряжение держится около 1,2 В почти до конца разряда, поэтому элементами АА и ААА можно напрямую заменять одноразовые батарейки.

Основные недостатки никель металлгидридных аккумуляторов:

• хуже переносят большие токи разряда и работу в широком диапазоне нагрузок, чем никель-кадмиевые;
• требуют точного контроля заряда — температурных датчиков и «умного» зарядного устройства;
• элементы легко выходят из строя при ошибке сборки батареи — неверной полярности или смешивании разных по ёмкости элементов;
• повышенный саморазряд по сравнению с никель-кадмиевыми;
• для расширения рабочего температурного диапазона и повышения стойкости сплава приходится применять дорогие легирующие металлы;
• значительная и необратимая потеря ёмкости при глубоком разряде и переполюсовке элемента.

Выбирая источник питания для той или иной техники, обращайте внимание на его основные параметры: ёмкость, допустимый ток разряда, саморазряд и рабочий температурный диапазон. Правильная эксплуатация и контроль заряда заметно продлят срок службы аккумуляторной батареи и сократят расходы на её замену.