Акумулятор нікель кадмієвий sph fr 130. Ni-Cd, Ni-MH та Li-Ion акумулятори

Протягом цілих п'ятдесяти років портативні пристрої автономної роботимогли покладатися виключно на нікель-кадмієві джерела живлення. Але кадмій дуже токсичний матеріал, і в 1990-х на зміну нікель-кадмієвої технології прийшла екологічніша нікель-метал-гідридна. По суті, ці технології дуже схожі, і більшість характеристик нікель-кадмієвих акумуляторів передалися у спадок нікель-метал-гідридним. Але для деяких застосувань нікель-кадмієві акумулятори залишаються незамінними і використовуються до цього дня.

1. Нікель-кадмієві акумулятори (NiCd)

Винайдений Вальдмаром Юнгнером в 1899 році, нікель-кадмієвий акумулятор мав кілька переваг у порівнянні зі свинцево-кислотним, єдиним акумулятором, що існував тоді, проте був дорожчим через вартість матеріалів. Розвиток цієї технології був досить повільним, але в 1932 був зроблений значний прорив - як електрод став використовуватися пористий матеріал з активною речовиною всередині. Подальше вдосконалення було зроблено в 1947 році і вирішило проблему газопоглинання, що дозволило створити сучасну герметичну нікель-кадмієву батарею, що не обслуговується.

Протягом багатьох років саме NiCd батареї служили як джерела живлення для двосторонніх радіостанцій, екстреної медичної техніки, професійних відеокамер та електроінструменту. Наприкінці 1980-х були розроблені ультраємкі NiCd акумулятори, які вразили світ своєю ємністю, що на 60% перевищує показник стандартної батареї. Це було досягнуто завдяки розміщенню більшої кількостіактивної речовини в батареї, але додалися і недоліки - підвищився внутрішній опір та зменшилась кількість циклів заряду/розряду.

NiCd стандарт залишається одним з найнадійніших і найвибагливіших серед акумуляторних батарей, і авіаційна галузь залишається вірною цій системі. Проте, довговічність цих акумуляторів залежить від належного обслуговування. NiCd, і частково NiMH акумулятори, схильні до ефекту “пам'яті”, який призводить до втрати ємності, якщо періодично не робити повний цикл розряду. При порушенні рекомендованого режиму заряджання акумулятор ніби пам'ятає, що в попередні цикли роботи його ємність не була використана повністю, і при розряді електроенергію віддає тільки до певного рівня. ( Як відновити нікелевий акумулятор). У таблиці 1 перераховані переваги та недоліки стандартного нікель-кадмієвого акумулятора.

Переваги

Надійний; велика кількість циклів при правильному обслуговуванні Єдиний акумулятор, здатний до ультрашвидкої зарядки з мінімальним стресом Хороші навантажувальні характеристики, прощає їхнє перебільшення Тривалий термін зберігання; можливість зберігання у розрядженому стані Відсутність спеціальних вимог до зберігання та транспортування Хороша продуктивність при низьких температурах Найнижча вартість одного циклу роботи серед усіх акумуляторів Доступний у широкому діапазоні розмірів та варіантів виконання

Недоліки

Відносно низька питома енергоємність порівняно з новими системами Ефект "пам'яті"; необхідність періодичного обслуговування для його уникнення Кадмій є токсичним матеріалом, необхідна спеціальна утилізація Високий саморозряд; потребує підзарядки після зберігання Низька напруга осередку в 1,2 вольта, що вимагає побудови багатоосередкових систем для забезпечення високої напруги

Таблиця 1: Переваги та недоліки нікель-кадмієвих батарей.

2. Нікель-метал-гідридні акумулятори (NiMH)

Дослідження нікель-метал-гідридної технології почалися ще 1967 року. Проте нестабільність метал-гідриду гальмувала розробку, що призвело до розвитку нікель-водневої (NiH) системи. Нові гідридні сплави, виявлені в 1980-х, вирішили проблеми з безпекою і дозволили створити акумулятор з питомою енергоємністю на 40% більшою, ніж у стандартного нікель-кадмієвого.

Нікель-метал-гідридні акумулятори не позбавлені недоліків. Наприклад, їх процес зарядки складніший, ніж у NiCd. З саморозрядом в 20% за першу добу і наступною щомісячною в 10%, NiMH займають одну з лідируючих позицій у своєму класі. Модифікуючи гідридний сплав, можна досягти зниження саморозряду та корозії, але це додасть недолік у вигляді зменшення питомої енергоємності. Але у разі використання в електротранспорті ці модифікації дуже корисні, тому що підвищують надійність і збільшують термін служби батарей.

3. Використання у споживчому сегменті

NiMH батареї в Наразіє одними з найдоступніших. Такі гіганти галузі як Panasonic, Energizer, Duracell та Rayovac визнали необхідність присутності на ринку недорогого та довговічного акумулятора, і пропонують нікель-метал-гідридні джерела живлення різних типорозмірів, зокрема АА та ААА. Виробниками витрачаються великі зусилля, щоби відвоювати частину ринку у лужних батарей.

У цьому сегменті ринку нікель-метал-гідридні батареї є альтернативою, що перезаряджається. лужним батареям, які з'явилися ще в 1990 році, але через обмежений життєвий цикл і слабкі навантажувальні характеристики не здобули успіху.

У таблиці 2 порівнюються питома енергоємність, напруга, саморозряд та час роботи батарей та акумуляторів споживчого сегмента. Представлені в АА, ААА та інших типорозмірах ці джерела живлення можуть використовуватися в портативних пристроях. Навіть якщо вони можуть трохи різниться номінальний вольтаж, стан розряду, зазвичай, настає при однаковому всім фактичному значенні напруги 1 У. Ця широта значень напруги допустима, оскільки портативні пристрої мають деяку гнучкість у плані діапазону напруг. Головне – необхідно разом використовувати лише однотипні електричні елементи. Проблеми безпеки та несумісність напруги перешкоджають розвитку літій-іонних батарей в АА та ААА типорозмірі.

Таблиця 2: Порівняння різних батарей типорозміру АА.

* Eneloop є торговою маркою корпорації Sanyo, заснованої на системі NiMH.

Високий показник саморозряду NiMH є причиною занепокоєння споживачів, що триває. Ліхтар або портативний пристрій з батареєю NiMH розрядиться, якщо не користуватися ним кілька тижнів. Пропозиція заряджати пристрій перед кожним використанням навряд чи знайде розуміння, особливо у випадку ліхтарів, які позиціонуються як джерела резервного освітлення. Перевага лужної батареї з терміном зберігання 10 років тут бачиться безперечним.

У нікель-метал-гідридній батареї від Panasonic та Sanyo під торговою маркою Eneloop вдалося значно зменшити саморозряд. Eneloop може зберігатися без підзарядки вшестеро довше ніж звичайна NiMH. Але недоліком такої покращеної батареї є трохи менша питома енергоємність.

У таблиці 3 наведено переваги та недоліки нікель-метал-гідридної електрохімічної системи. У таблиці не враховано характеристики Eneloop та інших споживчих торгових марок.

Переваги	На 30-40 відсотків більша ємність у порівнянні з NiCd Менш схильні до ефекту "пам'яті", можуть бути відновлені Прості вимоги до зберігання та транспортування; відсутність регулювання цих процесів Екологічно чисті; містять лише помірно токсичні матеріали Зміст нікелю робить утилізацію самоокупною Широкий діапазон робочих температур
Недоліки	Обмежений термін служби; глибокі розряди сприяють її зменшенню Складний алгоритм заряджання; чутливі до перезаряду Особливі вимоги до режиму підзарядки Виділяють тепло під час швидкого заряджання та розряду потужним навантаженням Високий саморозряд Кулонівська ефективність на рівні 65% (для порівняння у літій-іонних – 99%)

Таблиця 3: Переваги та недоліки NiMH батарей.

4. Залізо-нікелеві акумулятори (NiFe)

Після винаходу в 1899 році нікель-кадмієвого акумулятора шведський інженер Вальдмар Юнгнер продовжив дослідження і намагався замінити дорогий кадмій дешевшим залізом. Але низька ефективністьзаряду та надмірне газоутворення водню змусили його відмовитися від подальшого розвитку NiFe батареї. Він навіть не став патентувати цю технологію.

Залізо-нікелевий акумулятор (NiFe) використовує як катод гідрат окису нікелю, анода - залізо, а електроліту - водний розчингідроксиду калію. Осередок такого акумулятора генерує напругу в 1,2 В. NiFe стійкий до зайвого перезаряду і глибокого розряду; може експлуатуватися як резервне джерело живлення протягом більш ніж 20 років. Стійкість до вібрацій і високих температур зробили цей акумулятор найвикористанішим у гірничій промисловості в Європі; також він знайшов своє застосування для забезпечення живлення залізничної сигналізації, також використовується як тяговий акумулятордля навантажувачів. Можна зазначити, що під час Другої світової війни саме залізо-нікелеві батареї використовувалися у німецькій ракеті "Фау-2".

NiFe має низьку питому потужність – приблизно 50 Вт/кг. Також до недоліків варто віднести погану продуктивність за низьких температур і високий показник саморозряду (20-40 відсотків на місяць). Саме це, разом із високою вартістю виробництва, спонукає виробників залишатися вірними свинцево-кислотним батареям.

Але залізо-нікелева електрохімічна система активно розвивається і в недалекому майбутньому здатна стати альтернативою свинцево-кислотною в деяких галузях. Перспективно виглядають експериментальна модель ламельної конструкції, в ній вдалося знизити саморозряд акумулятора, він став практично несприйнятливий до згубного впливу пере-і недозарядки, а його термін служби очікується на рівні 50 років, що можна порівняти з 12-річним терміном служби свинцево-кислотної батареїу режимі роботи за глибоких циклічних розрядів. Очікувана ціна такої батареї NiFe буде порівнянна з ціною літій-іонної, і всього в чотири рази перевищувати ціну свинцево-кислотної.

NiFe акумулятори, як і NiCdі NiMH, Вимагають особливих правил зарядки - крива напруги має синусоїдальну форму. Відповідно, використовувати зарядний пристрій для свинцево-кислотногоабо літій-іонногоакумулятора не вийде, це може навіть нашкодити. Як і всі батареї на основі нікелю, NiFe бояться перезаряджання - він викликає розкладання води в електроліті і призводить до її втрати.

Знижену внаслідок неправильної експлуатації ємність такого акумулятора можна відновити шляхом застосування високих струмів розрядки (пропорційних значенню ємності акумулятора). Цю процедурунеобхідно проводити до трьох разів із тривалістю періоду розряду в 30 хвилин. Також слід стежити за температурою електроліту - вона повинна перевищувати 46°С.

5. Нікель-цинкові акумулятори (NiZn)

Нікель-цинковий акумулятор схожий на нікель-кадмієвий тим, що використовує лужний електроліт і нікелевий електрод, але відрізняється за напругою - NiZn забезпечує 1,65 на комірку, в той час як NiCd і NiMH мають показник в 1,20 на комірку. Заряджати NiZn акумулятор необхідно постійним струмомзі значенням напруги 1,9 на комірку, також варто пам'ятати, що цей вид акумуляторів не розрахований для роботи в режимі підзарядки. Питома енергоємність становить 100Вт/кг, а кількість можливих циклів – 200-300 разів. NiZn не має у своєму складі токсичних матеріалів та може бути легко утилізований. Випускається у різних типорозмірах, зокрема АА.

У 1901 році Томас Едісон отримав патент США на нікель-цинкову батарею, що перезаряджається. Пізніше його розробки вдосконалили ірландський хімік Джеймс Драмм, який встановив ці акумулятори на автомотриси, які курсували за маршрутом Дублін-Брей з 1932 по 1948 рік. NiZn не отримав належного розвитку через сильний саморозряд і короткий життєвий цикл, викликаний утвореннями дендритів, що також часто призводило до короткого замикання. Але вдосконалення складу електроліту зменшило цю проблему, що дало підставу знову розглядати NiZn для комерційного використання. Низька вартістьВисока вихідна потужність і широкий діапазон робочих температур роблять цю електрохімічну систему вкрай привабливою.

6. Нікель-водневі акумулятори (NiH)

Коли в 1967 році почалася розробка нікель-метал-гідридних батарей, дослідники зіткнулися з нестабільністю гідритів металу, що викликало зрушення у бік розвитку нікель-водневого (NiH) акумулятора. Осередок такого акумулятора включає інкапсульований в посудину електроліт, нікелевий і водневий (водень укладений в сталевий балон під тиском 8207 бар) електроди.

З досвіду експлуатації

NiMH елементи широко рекламуються, як елементи з високою енергоємністю, що не бояться холоду та не мають пам'яті. Купивши цифрову фотокамеру Canon PowerShot A 610, я природно забезпечив її ємною пам'яттю на 500 знімків вищої якості, а для збільшення тривалості зйомок купив 4 NiMH елементи ємністю 2500 ма* годину фірми Duracell.

Порівняємо характеристики елементів, що випускаються промисловістю:

Параметри		Іонно-літієві Li-ion	Нікель-кадмієві NiCd	Нікель- метал-гідридні NiMH	Свинцево-кислотні Pb
Тривалість служби, циклів зарядки/розрядки		1-1,5 роки	500-1000		3 00-5000
Енергетична ємність, Вт * год / кг
Струм розряду, мА*ємність акумулятора
Напруга одного елемента,
Швидкість саморозряду		2-5% на місяць	10% за першу добу, 10% за кожний наступний місяць	вдвічі вище NiCd	40% на рік
Діапазон допустимих температур, градуси Цельсія	зарядки
	розрядки		-20... +65
Діапазон допустимих напруг,		2,5-4,3 (коксові), 3,0-4,3 (графітові)			5,25-6,85 (для батарей 6 В), 10,5-13,7 (для батарей 12 В)

Таблиця 1.

З таблиці бачимо NiMH елементи мають високу енергетичну ємність, що робить їх кращими при виборі.

Для їх заряджання було куплено інтелектуальний зарядний пристрій DESAY Full-Power Harger, що забезпечує зарядку NiMH елементів з їх тренуванням. Елементи воно заряджалося якісно, ​​але... Однак на шостій зарядці воно наказало довго жити. Вигоріла електроніка.

Після заміни зарядного пристрою та кількох циклів заряд-розряд, акумулятори стали сідати на другому – третьому десятку знімків.

Виявилося, що незважаючи на запевнення, NiMH елементи теж мають пам'ять.

А більшість сучасних портативних пристроїв, що їх використовують, мають вбудований захист, що відключає живлення при досягненні деякого. мінімальної напруги. Це не дозволяє виконувати повну розрядку акумулятора. Тут і починає грати роль пам'ять елементів. Не повністю розряджені елементи одержують неповний заряд і їхня ємність падає з кожною перезарядкою.

Якісні зарядні пристрої дозволяють виконувати заряджання без втрати ємності. Але щось я не зміг знайти у продажу такого для елементів ємністю 2500маh. Залишається періодично проводити їхнє тренування.

Тренування елементів NiMH

Все написане нижче не відноситься до елементів акумуляторної батареїякі мають сильний саморозряд . Їх можна лише викинути, досвід показує, тренування вони не піддаються.

Тренування NiMHелементів полягає у кількох (1-3) циклах розрядки - зарядки.

Розряджання виконується до зниження напруги на акумуляторному елементі до 1В. Бажано розряджати елементи індивідуально. Причина в тому, що здатність приймати заряд може бути різною. І вона посилюється під час зарядки без тренування. Тому відбувається до передчасного спрацьовування захисту за напругою вашого пристрою (плеєра, фотоапарата, ...) та подальшої зарядки нерозрядженого елемента. Результат цього наростаюча втрата ємності.

Розрядку необхідно виконувати у спеціальному пристрої (Рис.3), що дозволяє виконувати її індивідуально кожному за елемента. Якщо немає контролю напруги, розрядка виконувалася до помітного зниження яскравості лампочки.

А якщо Ви засічете час горіння лампочки, ви зможете визначити ємність акумулятора, вона обчислюється за формулою:

Місткість = Струм розрядки х Час розрядки = I х t (А * год)

Акумулятор ємністю 2500 ма годину здатний віддавати в навантаження струм 0,75 А протягом 3,3 години, якщо отриманий в результаті розрядки час менше, відповідно і менше залишкова ємність. І при зменшенні ємності Вам необхідно продовжити тренування акумулятора.

Зараз для розрядки елементів акумуляторів я застосовую пристрій, виготовлений за схемою показаною на рис.3.

Він виготовлений зі старого зарядного пристрою і виглядає так:

Тільки тепер лампочок 4 штуки, як у рис.3. Про лампочки треба сказати окремо. Якщо лампочка має струм розрядки рівний номінальному для даного акумулятораабо трохи менший її можна використовувати як навантаження та індикатор, інакше лампочка лише індикатор. Тоді резистор повинен мати таку величину, щоб сумарний опір El 1-4 і паралельного їй резистора R 1-4 було близько 1,6 Ом. Заміна лампочки на світлодіод неприпустима.

Приклад лампочки яка може бути використана як навантаження - це криптонова лампочка для кишенькового ліхтаря на 2,4 В.

Особливий випадок.

Увага! Виробники не гарантують нормальну роботуакумуляторів при зарядних струмах перевищують струм прискореної зарядки I зар повинен бути менше ємності акумулятора. Так для акумуляторів ємністю 2500ма * год він повинен бути нижче 2,5А.

Буває, що NiMH елементи після розрядки мають напругу менше 1,1 В. У цьому випадку необхідно застосувати прийом, описаний у наведеній вище статті в журналі СВІТ ПК. Елемент чи послідовна група елементів підключається до джерела живлення через автомобільну лампочку 21 Вт.

Ще раз звертаю Вашу увагу! Такі елементи обов'язково треба перевірити саморозряд! Найчастіше саме елементи зі зниженою напругою мають підвищений саморозряд. Ці елементи легше викинути.

Заряджання переважно індивідуальне для кожного елемента.

Для двох елементів напругою 1,2 В зарядна напруга не повинна перевищувати 5-6В. При форсованій зарядці лампочка одночасно є індикатором. При зниженні яскравості лампочки можна перевірити напругу на елементі NiMH. Воно буде більше 1,1 В. Зазвичай, ця початкова форсована зарядка займає від 1 до 10 хвилин.

Якщо NiMH елемент, що при форсованій зарядці протягом декількох хвилин не збільшує напругу, гріється - це привід зняти його з зарядки і відбракувати.

Рекомендую використовувати зарядні пристрої лише з можливістю тренування (регенерації) елементів під час перезаряджання. Якщо таких немає, то через 5-6 робочих циклів в апаратурі, не чекаючи повної втрати ємності, проводити їх тренування і відбраковувати елементи, що мають сильний саморозряд.

І вони Вас не підведуть.

В одному з форумів прокоментували цю статтюнаписано тупо, але більше нічого немаєТак це не "тупо", а просто і доступно для виконання на кухні кожному хто потребує допомоги. Тобто максимально просто. Просунуті можуть поставити контролер, підключити комп'ютер, ......, але це вже інша історія.

Щоб не здавалося тупо

Існують "розумні" зарядники для елементів NiMH.

Такий зарядник працює з кожним акумулятором окремо.

Він вміє:

1. індивідуально працювати з кожним акумулятором у різних режимах,
2. заряджати акумулятори в швидкому та повільному режимі,
3. індивідуальний РК-дисплей для каздого акумуляторного відсіку,
4. незалежно заряджати кожен із акумуляторів,
5. заряджати від одного до чотирьох акумуляторів різної ємностіта типорозміру (АА або ААА),
6. захищати акумулятор від перегріву,
7. захищати кожен акумулятор від перезаряджання,
8. визначення закінчення зарядки з падіння напруги,
9. визначати несправні акумулятори,
10. попередньо розряджати акумулятор до залишкової напруги,
11. відновлювати старі акумулятори (тренування заряд-розряд),
12. перевіряти ємність акумуляторів,
13. відображати на РК дисплеї: - струм заряду, напруга, відображення поточної ємності.

Найголовніше, ПІДЧЕРКАЮ , даного типупристрої дозволяють працювати індивідуально з кожним акумулятором.

За відгуками користувачів, такий зарядний пристрій дозволяє відновити більшість запущених акумуляторів, а справні експлуатувати весь гарантований термін експлуатації.

На жаль, я таким зарядником не користувався, оскільки в провінції його купити просто неможливо, але у форумах Ви можете знайти багато відгуків.

Головне не заряджайте на великих струмах, Не дивлячись на заявлений режим зі струмами 0,7 - 1А, це все ж таки малогабаритний пристрій і може розсіяти потужність 2-5 Вт.

Висновок

Будь-яке відновлення NiMh акумуляторів суворо індивідуальна (з кожним окремим елементом) робота. З постійним контролемі відбракуванням елементів, що не приймають зарядку.

І найкраще займатися їх відновленням за допомогою інтелектуальних зарядних пристроїв, які дозволяють індивідуально виконувати відбраковування та цикл заряду – розряд з кожним елементом. А оскільки таких пристроїв, що автоматично працюють з акумуляторами будь-якої ємності, не існує, то вони призначені для елементів строго певної ємності або повинні мати керовані струми зарядки, розрядки!

Історія винаходу

Дослідження в галузі технології виготовлення NiMH акумуляторівпочалися в 70-ті роки XX століття і були здійснені як спроба подолання недоліків. Однак, застосовувані на той час метал-гідридні сполуки були нестабільні, і необхідних характеристик не було досягнуто. В результаті процес розробки NiMH акумуляторів зупинився. Нові метал-гідридні з'єднання, досить стійкі для застосування в акумуляторах, були розроблені в 1980. Починаючи з кінця вісімдесятих років XX століття NiMH акумулятори постійно вдосконалювалися, головним чином за щільністю енергії, що запасається. Їхні розробники відзначали, що для NiMH технології є потенційна можливість досягнення ще більших щільностей енергії.

Параметри

• Теоретична енергоємність (Вт · год / кг): 300 Вт · год / кг.
• Питома енергоємність: близько - 60-72 Вт · год / кг.
• Питома енергощільність (Вт·ч/дм³): близько - 150 Вт·ч/дм³.
• ЕРС: 1,25 .
• Робоча температура: −60…+55 °C .(-40… +55)
• Термін служби: близько 300-500 циклів заряду/розряду.

Опис

Нікель-метал-гідридні акумулятори форм фактора "Крона", як правило, початковою напругою 8,4 вольта, поступово знижує напругу до 7,2 вольт, а потім, коли енергія акумулятора буде вичерпана, напруга швидко знижується. Цей тип акумуляторів розроблено для заміни нікель-кадмієвих акумуляторів. Нікель-метал-гідридні акумулятори мають приблизно на 20% більшу ємність при тих же габаритах, але менший термін служби - від 200 до 300 циклів заряду/розряду. Саморозряд приблизно в 1,5-2 рази вищий, ніж у нікель-кадмієвих акумуляторів.

NiMH акумулятори практично позбавлені «ефекту пам'яті». Це означає, що заряджати не повністю розряджений акумулятор можна, якщо він не зберігався більше кількох днів у такому стані. Якщо ж акумулятор був частково розряджений, а потім не використовувався протягом тривалого часу (більше 30 днів), перед зарядом його необхідно розрядити.

Екологічно безпечні.

Найбільш сприятливий режим роботи: заряд невеликим струмом, 0,1 номінальної ємності, час заряду – 15-16 годин (типова рекомендація виробника).

Зберігання

Акумулятори слід зберігати повністю зарядженими в холодильнику, але не нижче 0 градусів. При зберіганні бажано регулярно (раз на 1-2 місяці) перевіряти напругу. Воно не повинно падати нижче 1,37. Якщо напруга впала, необхідно зарядити акумулятори знову. Єдиний вид акумуляторів, які можуть зберігатись розрядженими, - це Ni-Cd акумулятори.

NiMH акумулятори з низьким саморозрядом (LSD NiMH)

Нікель-метал-гідридні акумулятори з низьким саморозрядом (LSD NiMH), вперше були представлені в листопаді 2005 фірмою Sanyo під торговою маркою Eneloop. Пізніше багато світових виробників представили свої LSD NiMH акумулятори.

Цей тип акумуляторів має знижений саморозряд, а значить має більш тривалий термін зберігання в порівнянні зі звичайними NiMH. Акумулятори продаються як «готові до використання» або «попередньо заряджені» і позиціонуються як заміна лужних батарей.

У порівнянні зі звичайними акумуляторами NiMH, LSD NiMH є найбільш корисними, коли між зарядженням та використанням акумулятора може пройти більше трьох тижнів. Звичайні NiMH акумулятори втрачають до 10% ємності зарядом протягом перших 24 годин після заряду, зетем струм саморозряду стабілізується на рівні до 0,5% ємності на день. Для LSD NiMH цей параметр зазвичай знаходиться в діапазоні від 0,04% до 0,1% ємності на день. Виробники стверджують, що покращивши електроліт і електрод, вдалося досягти наступних переваг LSD NiMH щодо класичної технології:

З недоліків слід зазначити порівняно меншу ємність. В даний час (2012) максимально досягнута паспортна ємність LSD - 2700 mAh.

Тим не менш, при тестуванні акумуляторів Sanyo Eneloop XX з паспортною ємністю 2500mAh (min 2400mAh) виявилося, що всі з акумуляторів партії в 16 штук (зроблені в Японії, продані в Ю.Кореї) мають ємність навіть більше - від 2550 mAh . Тестувалося зарядкою LaCrosse BC-9009.

Неповний список акумуляторів довгого зберігання(З низьким саморозрядом):

• Prolife від Fujicell
• Ready2Use Accu від Varta
• AccuEvolution від AccuPower
• Hybrid, Platinum, та OPP Pre-Charged від Rayovac
• eneloop від Sanyo
• eniTime від Yuasa
• Infinium від Panasonic
• ReCyko від Gold Peak
• Instant від Vapex
• Hybrio від Uniross
• Cycle Energy від Sony
• MaxE та MaxE Plus від Ansmann
• EnergyOn від NexCell
• ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu від Duracell
• Pre-Charged від Kodak
• nx-ready від ENIX energies
• Imedion від
• Pleomax E-Lock від Samsung
• Centura від Tenergy
• Ecomax від CDR King
• R2G від Lenmar
• LSD ready to use від Turnigy

Інші переваги NiMH акумуляторів із низьким саморозрядом (LSD NiMH)

Нікель-метал-гідридні акумулятори з низьким саморозрядом зазвичай мають значно нижчий внутрішній опір ніж звичайні батареї NiMH. Це позначається дуже позитивно у додатках з високим струмоспоживанням:

• Більш стабільна напруга
• Зменшене тепловиділення особливо на режимах швидкого заряду/розряду
• Вища ефективність
• Здатність до високої імпульсної струмовіддачі (Приклад: заряджання спалаху фотоапарата відбувається швидше)
• Можливість тривалої роботи в пристроях з низьким енергоспоживанням (Приклад: пульти дистанційного керування, годинник.)

Методи заряду

Зарядка проводиться електричним струмом при напрузі на елементі до 1,4 - 1,6 В. Напруга на повністю зарядженому елементі без навантаження становить 1,4 В. Напруга при навантаженні змінюється від 1,4 до 0,9 В. Напруга без навантаження повністю розрядженому акумуляторі становить 1,0 - 1,1 В (подальша розрядка може зіпсувати елемент). Для заряджання акумулятора використовується постійний або імпульсний струм з короткочасними негативними імпульсами (для відновлення ефекту пам'яті, метод FLEX Negative Pulse Charging або Reflex Charging).

Контроль закінчення заряду зміни напруги

Одним із методів визначення закінчення заряду є метод -V. На зображенні показаний графік напруги на елементі під час заряду. Зарядний пристрій заряджає акумулятор постійним струмом. Після того, як акумулятор повністю заряджений, напруга починає падати. Ефект спостерігається лише за досить великих струмах зарядки (0,5С..1С). Зарядний пристрій повинен визначити це падіння та вимкнути заряджання.

Існує ще так званий «inflexion» – метод визначення закінчення швидкої зарядки. Суть методу полягає в тому, що аналізується не максимум напруги на акумуляторі, а максимум похідної напруги за часом. Тобто швидка зарядка припиниться у той момент, коли швидкість зростання напруги буде максимальною. Це дозволяє завершити фазу швидкого заряджання раніше, коли температура акумулятора ще не встигла значно піднятися. Однак метод вимагає вимірювання напруги з більшою точністю та деяких математичних обчислень (обчислення похідної та цифрової фільтрації отриманого значення).

Контроль закінчення заряду зміни температури

При зарядці елемента постійним струмом більша частина електричної енергії перетворюється на хімічну енергію. Коли акумулятор повністю заряджений, то електрична енергія, що підводиться, буде перетворюватися в тепло. При досить великому зарядному струмі можна визначити закінчення заряду різкого збільшення температури елемента, встановивши датчик температури акумулятора. Максимальна припустима температура акумулятора 60°С.

Області застосування

Заміна стандартного гальванічного елемента, електромобілі, дефібрилятори, ракетно-космічна техніка, системи автономного енергопостачання, радіоапаратура, освітлювальна техніка.

Вибір ємності акумуляторів

При використання NiMHакумуляторів далеко не завжди слід гнатися за великою ємністю. Чим більш ємний акумулятор, тим вище (за інших рівних умов) його струм саморозряду. Наприклад розглянемо акумулятори ємністю 2500 мАч і 1900 мАч. Повністю заряджені та не використовувані протягом, наприклад, місячного терміну акумулятори втратить частину своєї електричної ємності внаслідок саморозряду. Більш ємний акумулятор втрачатиме заряд значно швидше, ніж менший. Таким чином, через місяць, наприклад, акумулятори будуть мати приблизно рівний заряд, а після ще більшого часу спочатку більш ємний акумулятор міститиме менший заряд.

З практичної точки зору акумулятори високої ємності (1500-3000 мАг для AA-батарей) є сенс використовувати у пристроях з високим споживанняменергії протягом короткого часу та без попереднього зберігання. Наприклад:

• У радіокерованих моделях;
• У фотоапараті - збільшення кількості знімків, зроблених у відносно короткий проміжок часу;
• В інших пристроях, в яких заряд буде вироблений за короткий термін.

Акумулятори ж низької ємності (300-1000 мАг для AA-батарей) скоріше підійдуть для наступних випадків:

• Коли використання заряду починається не відразу після зарядки, а після значного часу;
• Для періодичного використання у пристроях (ручні ліхтарі, GPS-навігатори, іграшки, рації);
• Для тривалого використання у пристрої із помірним енергоспоживанням.

Виробники

Нікель-метал-гідридні акумулятори виробляються різними фірмами, в тому числі:

• Camelion
• Lenmar
• Наша сила
• НІАІ ДЖЕРЕЛО
• Космос

Див. також

Література

• Кришталев Д. А. Акумулятори. М: Смарагд, 2003.

Примітки

Посилання

• ГОСТ 15596-82 Джерела струму хімічні. терміни та визначення
• ГОСТ Р МЕК 61436-2004 Акумулятори нікель-метал-гідридні герметичні
• ГОСТ Р МЭК 62133-2004 Акумулятори та акумуляторні батареї, що містять лужний та інші некислотні електроліти. Вимоги безпеки для портативних герметичних акумуляторів та батарей із них при портативному застосуванні

Гальванічний елемент	Гальванічний елемент Даніеля Лужний елемент | Сухий елемент Концентраційний елемент Повітряно-цинковий елемент Нормальний елемент Вестона
Електричні акумулятори	Свинцево-кислотний | Срібно-цинковий | Нікель-кадмієвий | Нікель-метал-гідридний | Нікель-цинковий акумулятор | Літій-іонний | Літій-полімерний | Літій-залізо-сульфідний | Літій-залізо-фосфатний | Літій-титанатний |Ванадієвий | Залізо-нікелевий
Паливні елементи	прямий метанольний | Твердооксидні | Лужний
Моделі

Нікель металогідридні акумулятори є джерелом струму на основі хімічної реакції. Маркуються Ni-MH. Конструктивно є аналогом раніше розроблених нікеле-кадмієвих акумуляторів (Ni-Cd), а по хімічних реакціях, що відбуваються, аналогічні нікеле-водневим акумуляторам. Належать до категорії лужних джерел живлення.

Історичний екскурс

Необхідність у джерелах харчування, що перезаряджаються, виникла давно. Для різних видів техніки потрібні були компактні моделі з підвищеною ємністю збереження заряду. Завдяки космічній програмі розробили спосіб збереження водню в акумуляторних батареях. Це були перші нікелі водневі екземпляри.

Розглядаючи конструкцію, виділяються основні елементи:

1. електрод(метал гідридний водневий);
2. катод(нікелевий оксид);
3. електроліт(Калію гідроксид).

Раніше використовувані матеріали виготовлення електродів були нестабільні. Але постійні досліди та вивчення призвели до того, що оптимальний склад було отримано. На даний момент для виготовлення електродів використовують гідрит лантану та нікелю (La-Ni-CO). Але різні виробники застосовують інші сплави, де нікель або частина його заміщають алюмінієм, кобальтом, марганцем, які стабілізують і активують сплав.

Хімічні реакції, що проходять

При заряді та розряді всередині акумуляторів відбуваються хімічні реакції, пов'язані з абсорбуванням водню. Реакції можна записати у такому вигляді.

• Під час заряджання: Ni(OH)2+M→NiOOH+MH.
• Під час розряду: NiOOH+MH→Ni(OH)2+M.

На катоді протікають такі реакції із виділенням вільних електронів:

• Під час заряджання: Ni(OH)2+ОН→NiOOH+H2О+е.
• Під час розряду: NiOOH+ H2О+е →Ni(OH)2+ОН.

На аноді:

• Під час заряджання: М+H2О+е →МH+ОH.
• Під час розряду: МН+ОН →М+. H2О+е.

Конструкція акумуляторів

Основний випуск нікель металогідридних акумуляторів виробляється у двох формах: призматичної та циліндричної.

Циліндричні Ni-MH елементи

У конструкцію входять:

• циліндричний корпус;
• кришка корпусу;
• клапан;
• клапанний ковпачок;
• анод;
• колектор аноду;
• катод;
• кільце діелектричне;
• сепаратор;
• ізоляційний матеріал.

Анод із катодом розділені між собою за допомогою сепаратора. Дана конструкція згорнута рулоном та поміщена в корпус акумулятора. Герметизацію виробляють за допомогою кришки та прокладки. На кришці передбачено запобіжний клапан. Він призначений для того, щоб при підвищенні тиску всередині акумулятора до 4 МПа при спрацьовуванні випускав надлишки летких сполук, що утворюються при хімічних реакціях.

Багато хто зустрічався мокрими або шапкою, що покрилися, джерелами харчування. Це результат роботи клапана при перезарядженні. Характеристики змінюються та подальша експлуатація їх неможлива. За його відсутності акумулятори просто спухають і втрачають свою працездатність.

Призматичні Ni-MH елементи

У конструкцію входять такі елементи:

Призматична конструкція передбачає послідовне розміщення анодів і катодів з поділом їх сепаратором. Зібрані таким чином блок, вони поміщаються в корпус. Корпус виготовляється пластиковим або металевим. Кришка герметизує конструкцію. Для безпеки та контролю за станом елемента живлення на кришці розміщують датчик тиску та клапан.

Як електроліт використовується луг – суміш гідроксиду калію (КОН) та гідроксиду літію (LiOH).

Для Ni-MH елементів ізолятором виступає поліпропілен або нетканий поліамід. Товщина матеріалу складає 120-250 мкм.

Для виробництва анодів виробники використовують металокераміку. Але останнім часом для зниження вартості використовують повсть та пінополімери.

При виробництві катодів використовуються різні технології:

Характеристики

напруга. У вільному стані внутрішній ланцюг акумулятора розімкнений. І її виміряти досить важко. Проблеми викликає рівновагу потенціалів на електродах. Але після повної зарядкипісля доби напруга на елементі становить 1,3-1,35В.

Напруга розряду при струмі, що не перевищує 0,2А і температури навколишнього повітря 25°С становить 1,2-1,25В. Мінімальне значення – 1В.

Енергетична ємність, Вт∙ч/кг:

• теоретична – 300;
• питома – 60–72.

Саморозряд залежить від температури зберігання. Зберігання за кімнатної температури викликає втрату ємності до 30% протягом першого місяця. Потім швидкість уповільнюється до 7% за 30 днів.

Інші параметри:

• Електрична рушійна сила (ЕРС) – 1,25В.
• Енергетична щільність – 150 Вт∙год/дм3.
• Температура експлуатування – від -60 до +55°С.
• Тривалість експлуатації – до 500 циклів.

Правильна зарядка та контроль

Для накопичення енергії використовуються зарядні пристрої. Основним завданням недорогих моделейє подача стабілізованої напруги. Для заряджання нікель металогідридних акумуляторів потрібна напруга порядку 1,4-1,6В. При цьому сила струму становитиме 0,1 ємності акумулятора.

Наприклад, якщо заявлена ​​ємність становить 1200 mAh, то струм зарядки відповідно повинен підбиратися близький або рівний 120 mA (0,12А).

Застосовуються швидка та прискорена зарядка. Процес швидкого заряджання становить 1 год. на прискорений процесйде до 5 годин. Такий інтенсивний процес контролюється зміною напруги та температури.

Процес звичайної зарядки продовжується до 16 годин. Для зменшення тривалості часу заряджання, сучасні зарядники зазвичай виробляються триступеневими. Перший ступінь – швидкий заряд струмом рівним номінальної ємностіакумулятора або вище. Другий ступінь – струмом 0,1 ємності. Третій ступінь - струмом 0,05-0,02 від ємності.

Повинен здійснюватись контроль за процесом зарядки. Перезаряд згубно впливає на стан акумуляторів. Високе газоутворення призведе до спрацьовування запобіжного клапана та електроліт витікне.

Контроль проводиться за такими методиками:

Переваги та недоліки властиві Ni-MH елементам

Акумулятори останнього поколінняне страждають на таку хворобу, як «ефект пам'яті». Але після тривалого зберігання (більше 10 діб) перед початком зарядки його все ж таки необхідно повністю розрядити. Імовірність появи ефекту пам'яті виникає від бездіяльності.

Збільшена ємність запасу енергії

Екологічність забезпечують сучасні матеріали. Перехід ними значно полегшив утилізацію відпрацьованих елементів.

Щодо недоліків, то їх теж чимало:

• високе тепловиділення;
• температурний діапазон роботи малий (від -10 до +40°С), хоча виробники заявляють інші показники;
• невеликий інтервал робочого струму;
• високий саморозряд;
• недотримання полярності виводить акумулятор із ладу;
• зберігати недовгий час.

Підбір по ємності та експлуатація

Перед тим як купити Ni-MH акумулятори слід визначитися з їх ємністю. Високі показникине вирішення проблеми нестачі енергії. Чим вища ємність елемента, тим сильніше виражено саморозрядження.

Циліндричні нікель металогідридні елементи велику кількістьвипускаються розмірами, що мають маркування AA чи AAA. У народі прозвані як пальчикові – aaa та мізинчикові – aa. Купити їх можна у всіх електромагазинах та магазинах, що торгують електронікою.

Як показує практика, акумулятори ємністю 1200–3000 mAh, що мають розмір aaa, використовуються у плейєрах, фотоапаратах та інших електронних пристроях із великим споживанням електрики.

Акумулятори ємністю 300-1000 mAh, звичайний розмір aa використовуються на приладах з невеликим споживанням енергії або відразу (портативна рація, ліхтар, навігатор).

Раніше поширені металгідридні акумуляторивикористовувалися у всіх портативних пристроях. Поодинокі елементи встановлювалися в бокс, розроблений виробником зручності установки. Вони мали зазвичай маркування EN. Придбати їх можна було тільки в офіційних представників виробника.

Дана стаття про Нікель-металогідридні (Ni-MH) акумулятори вже давно є класикою на просторах російського інтернету. Рекомендую ознайомитись …

Нікель-металогідридні (Ni-MH) акумулятори за своєю конструкцією є аналогами нікель-кадмієвих (Ni-Cd) акумуляторів, а за електрохімічними процесами - нікель-водневих акумуляторів. Питома енергія Ni-MH акумулятора істотно вища за питому енергію Ni-Cd і водневих акумуляторів (Ni-H2)

ВІДЕО: Акумулятори нікель-металгідридні (NiMH)

Порівняльні характеристики акумуляторів

Параметри	Ni-Cd	Ni-H2	Ni-MH
Номінальна напруга, V	1.2	1.2	1.2
Питома енергія: Втч/кг Втч/л	20-40 60-120	40-55 60-80	50-80 100-270
Термін служби: роки цикли	1-5 500-1000	2-7 2000-3000	1-5 500-2000
Саморозряд, %	20-30 (За 28 діб.)	20-30 (за 1 добу)	20-40 (За 28 діб.)
Робоча температура, °С	-50 — +60	-20 — +30	-40 — +60

***Великий розкид деяких параметрів у таблиці викликаний різним призначенням (конструкціями) акумуляторів. Крім того, в таблиці не враховуються дані щодо сучасним акумуляторамз низьким саморозрядом

Історія Ni-MH акумулятора

Розробка нікель-метал-гідридних (Ni-MH) акумуляторних батарей розпочалася у 50-70-х рр. минулого століття. В результаті було створено новий спосібзбереження водню в нікель-водневих батареях, які використовувалися у космічних апаратах. У новому елементі водень накопичувався у сплавах певних металів. Сплави, що абсорбують водень обсягом у 1000 разів більше їхнього власного обсягу, було знайдено у 1960-х роках. Ці сплави складаються з двох або декількох металів, один з яких абсорбує водень, а інший каталізатором, що сприяє дифузії атомів водню в грати металу. Кількість можливих комбінацій металів, що застосовуються, практично не обмежена, що дає можливість оптимізувати властивості сплаву. Для створення Ni-MH акумуляторів знадобилося створення сплавів, працездатних при малому тиску водню та кімнатній температурі. В даний час робота зі створення нових сплавів та технологій їх обробки триває у всьому світі. Сплави нікелю з металами рідкісноземельної групи можуть забезпечити до 2000 циклів заряду-розряду акумулятора при зниженні ємності негативного електрода не більше ніж на 30%. Перший Ni-MH акумулятор, в якому як основний активний матеріал металгідридного електрода застосовувався сплав LaNi5, був запатентований Біллом в 1975 р. У ранніх експериментах з металгідридними сплавами, нікель-металгідридні акумулятори працювали нестабільно, і необхідної ємності. Тому промислове використання Ni-MH акумуляторів почалося лише в середині 80-х років після створення сплаву La-Ni-Co, що дозволяє електрохімічно оборотно абсорбувати водень протягом 100 циклів. З того часу конструкція Ni-MH акумуляторних батарей безперервно удосконалювалася у бік збільшення їхньої енергетичної щільності. Заміна негативного електрода дозволила підвищити в 1,3-2 рази закладку активних мас позитивного електрода, який визначає ємність акумулятора. Тому Ni-MH акумулятори мають у порівнянні з Ni-Cd акумуляторами значно вищими питомими енергетичними характеристиками. Успіх поширенню нікель-металгідридних акумуляторних батарей забезпечили висока енергетична щільність і нетоксичність матеріалів, що використовуються при їх виробництві.

Основні процеси Ni-MH акумуляторів

У Ni-MH акумуляторах як позитивний електрод використовується оксидно-нікелевий електрод, як і в нікель-кадмієвому акумуляторі, а електрод зі сплаву нікелю з рідкісноземельними металами, що поглинає водень, використовується замість негативного кадмієвого електрода. На позитивному оксидно-нікелевому електроді Ni-MH акумулятора протікає реакція:

Ni(OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e - (заряд) NiOOH + H 2 O + e - → Ni(OH) 2 + OH - (розряд)

На негативному електроді метал з абсорбованим воднем перетворюється на металгідрид:

M + H 2 O + e - → MH + OH- (заряд) MH + OH - → M + H 2 O + e - (розряд)

Загальна реакція в Ni-MH акумуляторі записується так:

Ni(OH) 2 + M → NiOOH + MH (заряд) NiOOH + MH → Ni(OH) 2 + M (розряд)

Електроліт в основній струмоутворюючій реакції не бере участі. Після повідомлення 70-80% ємності та при перезаряді на оксидно-нікелевому електроді починає виділятися кисень,

2OH- → 1/2O 2 + H2O + 2e — (перезаряд)

який відновлюється на негативному електроді:

1/2O 2 + H 2 O + 2e - → 2OH - (перезаряд)

Дві останні реакції забезпечують замкнутий кисневий цикл. При відновленні кисню забезпечується ще й додаткове підвищення ємності металгідридного електрода за рахунок утворення групи ВІН -.

Конструкція електродів Ni-MH акумуляторів

Металоводневий електрод

Головним матеріалом, що визначає характеристики Ni-MH акумулятора, є водень-абсорбуючий сплав, який може поглинати об'єм водню, що у 1000 разів перевищує свій власний об'єм. Саме велике поширенняотримали сплави типу LaNi5, в яких частина нікелю замінена марганцем, кобальтом та алюмінієм для збільшення стабільності та активності сплаву. Для зменшення вартості деякі фірми-виробники замість лантану застосовують міш-метал (Мm, який являє собою суміш рідкісноземельних елементів, їх співвідношення в суміші близько до співвідношення в природних рудах), що включає крім лантану також церій, празеодим і неодим. При зарядно-розрядному циклуванні має місце розширення та стиск на 15-25% кристалічних ґрат водородабсорбуючих сплавів через абсорбцію та десорбцію водню. Такі зміни ведуть до утворення тріщин у сплаві через збільшення внутрішньої напруги. Утворення тріщин викликає збільшення площі поверхні, що піддається корозії при взаємодії зі лужним електролітом. З цих причин розрядна ємність негативного електрода поступово знижується. В акумуляторі з обмеженою кількістю електроліту це породжує проблеми, пов'язані з перерозподілом електроліту. Корозія сплаву призводить до хімічної пасивності поверхні через утворення стійких до корозії оксидів та гідроксидів, які підвищують перенапругу основної струмоутворюючої реакції металогідридного електрода. Утворення продуктів корозії відбувається зі споживанням кисню та водню з розчину електроліту, що, своєю чергою, викликає зниження кількості електроліту в акумуляторі та підвищення його внутрішнього опору. Для уповільнення небажаних процесів диспергування та корозії сплавів, що визначають термін служби Ni-MH акумуляторів, застосовуються (крім оптимізації складу та режиму виробництва сплаву) два основні методи. Перший спосіб полягає в микрокапсулировании частинок металу, тобто. у покритті поверхні тонким пористим шаром (5-10 %) — за масою нікелю чи міді. Другий метод, який знайшов найбільш широке застосування в даний час, полягає в обробці поверхні сплаву частинок в лужних розчинах з формуванням захисних плівок, проникних для водню.

Оксиднонікелевий електрод

Оксидно-нікелеві електроди в масовому виробництвівиготовляються в наступних конструктивних модифікаціях: ламельні, безламельні спечені (металокерамічні) та пресовані, включаючи таблеткові. У Останніми рокамипочинають використовуватися безламельні повстяні та пінополімерні електроди.

Ламельні електроди

Ламельні електроди є набір об'єднаних між собою перфорованих коробочок (ламелей), виготовлених з тонкої (товщиною 0,1 мм) нікельованої сталевої стрічки.

Спечені (металокерамічні) електроди

електроди цього типу складаються з пористої (з пористістю не менше 70%) металокерамічної основи, в порах якої розташовується активна маса. Основу виготовляють з карбонильного нікелевого дрібнодисперсного порошку, який у суміші з карбонатом амонію або карбамідом (60-65% нікелю, інше наповнювач) напресовують, накочують або напилюють на сталеву або нікелеву сітку. Потім сітку з порошком піддають термообробці у відновлювальній атмосфері (зазвичай в атмосфері водню) при температурі 800-960 °С, при цьому карбонат амонію або карбамід розкладається та випаровується, а нікель спікається. Отримані таким чином основи мають товщину 1-2,3 мм, пористість 80-85% і радіус пір 5-20 мкм. Основу по черзі просочують концентрованим розчином нікелю нітрату або сульфату нікелю і нагрітим до 60-90 °С розчином лугу, яка спонукає осадження оксидів і гідроксидів нікелю. Нині використовується також електрохімічний метод просочення, у якому електрод піддається катодної обробці розчині нітрату нікелю. Через утворення водню розчин у порах пластини підлужується, що призводить до осадження оксидів та гідроксидів нікелю у порах пластини. До різновидів спечених електродів відносять фольгові електроди. Електроди виробляють нанесенням на тонку (0,05 мм) перфоровану нікелеву стрічку з двох сторін, методом пульверизації, спиртової емульсії нікелевого карбонильного порошку, що містить сполучні речовини, спіканням та подальшим хімічним або електрохімічним просоченням реагентами. Товщина електрода становить 04-06 мм.

Пресовані електроди

Пресовані електроди виготовляють методом напресування під тиском 35-60 МПа активної маси на сітку або сталеву перфоровану стрічку. Активна маса складається з гідроксиду нікелю, гідроксиду кобальту, графіту та сполучної речовини.

Металовловні електроди

Металовловні електроди мають високопористу основу, зроблену з нікелевих або вуглецевих волокон. Пористість цих основ - 95% і більше. Повстяний електрод виконаний на базі нікельованого полімерного або вуглеграфітового фетру. Товщина електрода, залежно від його призначення, знаходиться в діапазоні 0,8-10 мм. Активна маса вноситься у повсть різними методами залежно від його густини. Замість повсті може використовуватися пенонікель, одержуваний нікелюванням пінополіуретану з подальшим відпалом у відновлювальному середовищі. До високопористого середовища вносяться зазвичай методом намазки паста, що містить гідроксид нікелю, і сполучна. Після цього основа з пастою сушиться та вальцюється. Повстяні та пінополімерні електроди характеризуються високою питомою ємністю та великим ресурсом.

Конструкція Ni-MH акумуляторів

Ni-MH акумулятори циліндричної форми

Позитивний та негативний електроди, розділені сепаратором, згорнуті у вигляді рулону, який вставлений у корпус і закритий кришкою, що герметизує, з прокладкою (рисунок 1). Кришка має запобіжний клапан, що спрацьовує при тиску 2-4 МПа у разі збою при експлуатації акумулятора.

Рис.1. Конструкція нікель-металгідридного (Ni-MH) акумулятора: 1-корпус, 2-кришка, 3-ковпачок клапана, 4-клапан, 5-колектор позитивного електрода, 6-ізоляційне кільце, 7-негативний електрод, 8-сепаротор, 9 позитивний електрод, 10 ізолятор.

Ni-MH акумулятори призматичної форми

У призматичних Ni-MH акумуляторах позитивні та негативні електроди розміщені по черзі, а між ними розміщується сепаратор. Блок електродів вставлений у металевий або пластмасовий корпус і закритий кришкою, що герметизує. На кришці зазвичай встановлюється клапан або датчик тиску (рисунок 2).

Рис.2. Конструкція Ni-MH акумулятора: 1-корпус, 2-кришка, 3-ковпачок клапана, 4-клапан, 5-ізоляційна прокладка, 6-ізолятор, 7-негативний електрод, 8-сепаротор, 9-позитивний електрод.

У Ni-MH акумуляторах використовується лужний електроліт, що складається з КОН із добавкою LiOH. Як сепаратор в Ni-MH акумуляторах застосовуються неткані поліпропілен і поліамід товщиною 0,12-0,25 мм, оброблені змочувачем.

Позитивний електрод

У Ni-MH акумуляторах застосовуються позитивні оксидно-нікелеві електроди, аналогічні використовуваним у Ni-Cd акумуляторах. У Ni-MH акумуляторах в основному застосовуються металокерамічні, а останніми роками — повстяні та пінополімерні електроди (див. вище).

Негативний електрод

Практичне застосування в Ni-MH акумуляторах знайшли п'ять конструкцій негативного металогідридного електрода (див. вище): - Ламельна, коли порошок водень-абсорбуючого сплаву зі сполучною речовиною або без сполучного, запресований в нікелеву сітку; - Пінонікелева, коли паста зі сплавом і сполучною речовиною вводиться в пори пенонікелевої основи, а потім сушиться і пресується (вальцюється); - фольгова, коли паста зі сплавом і сполучною речовиною наноситься на перфоровану нікелеву або сталеву нікельовану фольгу, а потім сушиться та пресується; - вальцьована, коли порошок активної маси, що складається зі сплаву та сполучної речовини, наноситься вальцюванням (прокаткою) на розтяжну нікелеву решітку або мідну сітку; - спечена, коли порошок сплаву напресовується на нікелеву сітку і потім спікається в атмосфері водню. Питомі ємності металогідридних електродів різних конструкцій близькі за значенням і визначаються, переважно, ємністю сплаву.

Характеристики акумуляторів Ni-MH. Електричні характеристики

Напруга розімкнутого ланцюга

Значення напруги розімкнутого ланцюга Uр.ц. Ni-MH-системи точно визначити важко внаслідок залежності рівноважного потенціалу оксидно-нікелевого електрода від ступеня окислення нікелю, а також залежності рівноважного потенціалу металогідридного електрода від ступеня насичення його воднем. Через 24 години після заряду акумулятора напруга розімкнутого ланцюга зарядженого Ni-MH акумулятора знаходиться в інтервалі 1,30-1,35В.

Номінальна розрядна напруга

Uр при нормованому струмі розряду Iр = 0,1-0,2С (З - номінальна ємність акумулятора) при 25 ° С становить 1,2-1,25В, звичайна кінцева напруга - 1В. Напруга зменшується зі зростанням навантаження (див. рисунок 3)

Рис.3. Розрядні характеристики Ni-MH акумулятора при температурі 20°С та різних нормованих струмах навантаження: 1-0,2С; 2-1С; 3-2С; 4-3С

Ємність акумуляторів

З підвищенням навантаження (зменшення часу розряду) та при зниженні температури ємність Ni-MH акумулятора зменшується (рисунок 4). Особливо помітна дія зниження температури на ємність при великих швидкостяхрозряду та при температурах нижче 0°С.

Рис.4. Залежність розрядної ємності Ni-MH акумулятора від температури за різних струмів розряду: 1-0,2С; 2-1С; 3-3С

Збереження та термін служби Ni-MH акумуляторів

Під час зберігання відбувається саморозряд Ni-MH акумулятора. Через місяць при кімнатній температурі втрата ємності становить 20-30%, а при подальшому зберіганні втрати зменшуються до 3-7% на місяць. Швидкість саморозряду підвищується зі збільшенням температури (див. рисунок 5).

Рис.5. Залежність розрядної ємності Ni-MH акумулятора від часу зберігання за різних температур: 1-0°С; 2-20 ° С; 3-40°С

Заряджання Ni-MH акумулятора

Напрацювання (число розрядно-зарядних циклів) та термін служби Ni-MH акумулятора значною мірою визначаються умовами експлуатації. Напрацювання знижується зі збільшенням глибини та швидкості розряду. Напрацювання залежить від швидкості заряду та способу контролю його закінчення. Залежно від типу Ni-MH акумуляторів, режиму роботи та умов експлуатації, акумулятори забезпечують від 500 до 1800 розрядно-зарядних циклів при глибині розряду 80% і мають термін служби (в середньому) від 3 до 5 років.

Для забезпечення надійної роботи Ni-MH акумулятора протягом гарантованого терміну потрібно дотримуватись рекомендацій та інструкцій виробника. Найбільша увагаслід приділити температурному режиму. Бажано уникати перерозрядів (нижче 1В) та коротких замикань. Рекомендується використовувати Ni-MH акумулятори за призначенням, уникати поєднання вживаних та невикористаних акумуляторів, не припаювати безпосередньо до акумулятора дроту або інші частини. Ni-MH акумулятори більш чутливі до перезарядження, ніж Ni-Cd. Перезаряджання може призвести до теплового розгону. Зарядка зазвичай проводиться струмом Iз=0,1С протягом 15 годин. Компенсаційний підзаряд виробляють струмом Iз=0,01-0,03С протягом 30 годин і більше. Прискорений (за 4-5 годин) і швидкий (за 1 годину) заряди можливі для Ni-MH акумуляторів, що мають високоактивні електроди. При таких зарядах процес контролюється зміною температури ΔТ і напруги ΔU та іншим параметрам. Швидкий заряд застосовується, наприклад, для Ni-MH акумуляторів, що живлять ноутбуки, стільникові телефони, електричні інструменти, хоча в ноутбуках та стільникових телефонах зараз в основному використовуються літій-іонні та літій-полімерні акумулятори. Рекомендується також триступінчастий спосіб заряду: перший етап швидкого заряду (1С і вище), заряд зі швидкістю 0,1С протягом 0,5-1 год для заключної підзарядки, і заряд зі швидкістю 0,05-0,02С як компенсаційний підзаряд. Інформація про способи заряду Ni-MH акумуляторів зазвичай міститься в інструкціях фірми-виробника, а струм зарядки, що рекомендується, вказаний на корпусі акумулятора. Зарядна напруга Uз при Iз = 0,3-1С лежить в інтервалі 1,4-1,5В. Через виділення кисню на позитивному електроді, кількість електрики відданого при заряді (Qз) більше розрядної ємності (Ср). При цьому віддача по ємності (100 Ср/Qз) становить 75-80% та 85-90% відповідно для дискових та циліндричних Ni-MHакумуляторів.

Контроль заряду та розряду

Для виключення перезаряду акумуляторних батарей Ni-MH можуть застосовуватися такі методи контролю заряду з відповідними датчиками, що встановлюються в акумуляторні батареї або зарядні пристрої:

• метод припинення заряду по абсолютної температуриТmax. Температура батареї постійно контролюється під час заряджання, а при досягненні максимального значення швидкий заряд переривається;
• метод припинення заряду за швидкістю зміни температури ΔT/Δt. При застосуванні цього методу крутість температурної кривої акумуляторної батареї постійно контролюється під час процесу заряду, а коли цей параметр стає вищим за певно встановленого значення, заряд переривається;
• метод припинення заряду негативною дельтою напруги -ΔU. В кінці заряду акумулятора при здійсненні кисневого циклу починає підвищуватися його температура, що призводить до зменшення напруги;
• метод припинення заряду за максимальним часом заряду t;
• метод припинення заряду по максимальному тиску Pmax. Використовується зазвичай у призматичних акумуляторах великих розмірівта ємності. Рівень допустимого тиску призматичному акумуляторі залежить від його конструкції і лежить в інтервалі 0,05-0,8 МПа;
• метод припинення заряду максимальної напруги Umax. Застосовується для вимкнення заряду акумуляторів з високим внутрішнім опором, який з'являється наприкінці терміну служби через нестачу електроліту або при зниженій температурі.

При застосуванні методу Тmax акумулятор може бути занадто перезаряджений, якщо температура навколишнього середовища знижується, або батарея може отримати недостатньо заряду, якщо температура навколишнього середовища значно підвищується. Метод T/Δt може застосовуватися дуже ефективно для припинення заряду при низьких температурах навколишнього середовища. Але якщо при вищих температурах застосовувати тільки цей метод, то акумулятори всередині акумуляторних батарей будуть нагріватися до небажано високих температур до того, як може бути досягнуто значення ΔT/Δt для відключення. Для певного значення ΔT/Δt може бути отримана більша вхідна ємність при нижчій температурі навколишнього середовища, ніж при більш високій температурі. На початку заряду акумуляторної батареї (як і наприкінці заряду) відбувається швидке підвищення температури, що може призвести до передчасного відключення заряду при застосуванні методу T/Δt. Для виключення цього розробники зарядних пристроїв використовують таймери початкової затримки спрацьовування датчика методу ΔT/Δt. Метод -ΔU ​​є ефективним для припинення заряду при низьких температурах навколишнього середовища, а не при підвищених температурах. У цьому сенсі метод нагадує метод ΔT/Δt. Для забезпечення припинення заряду в тих випадках, коли непередбачені обставини перешкоджають нормальному перериванню заряду, також рекомендується використовувати контроль за таймером, що регулює тривалість операції заряду (метод t). Таким чином, для швидкого заряду акумуляторних батарей нормованими струмами 0,5-1С при температурах 0-50 °С доцільно застосовувати одночасно методи Тmax (з температурою відключення 50-60 °С залежно від конструкції акумуляторів та батарей), -ΔU (5- 15 мВ на акумулятор), t (зазвичай для отримання 120% номінальної ємності) та Umax (1,6-1,8 на акумулятор). Замість методу -U може використовуватися метод T/Δt (1-2 °С/хв) з таймером початкової затримки (5-10 хв). Для контролю заряду також див. відповідну статтю Після проведення швидкого заряду акумуляторної батареї, в зарядні пристроїпередбачають перемикання їх на підзаряд нормованим струмом 0,1С - 0,2С протягом певного часу. Для Ni-MH акумуляторів не рекомендується заряд при постійній напрузі, оскільки може статися «тепловий вихід з ладу» акумуляторів. Це пов'язано з тим, що наприкінці заряду відбувається підвищення струму, який пропорційний різниці між напругою електроживлення і напругою акумулятора, а напруга акумулятора в кінці заряду знижується через підвищення температури. При низьких температурах швидкість заряду має бути зменшена. В іншому випадку кисень не встигне рекомбінуватися, що призведе до зростання тиску в акумуляторі. Для експлуатації в таких умовах рекомендуються Ni-MH акумулятори із високопористими електродами.

Переваги та недоліки Ni-MH акумуляторів

Значне збільшення питомих енергетичних параметрів не єдина перевага Ni-MH акумуляторів перед Ni-Cd акумуляторами. Відмова від кадмію означає також перехід до більш екологічно чистих виробництв. Легше вирішується і проблема утилізації акумуляторів, що вийшли з ладу. Ці переваги Ni-MH акумуляторів визначили більш швидке зростання обсягів їх виробництва у всіх провідних світових акумуляторних компаній, порівняно з Ni-Cd акумуляторами.

Ni-MH акумуляторів не має «ефекту пам'яті», властивого Ni-Cd акумуляторам через утворення нікелату в негативному кадмієвому електроді. Однак ефекти, пов'язані з перезарядом оксидно-нікелевих електродів, зберігаються. Зменшення розрядної напруги, яке спостерігається при частих і довгих перезарядах так само, як і у Ni-Cd акумуляторів, може бути усунуте при періодичному здійсненні кількох розрядів до 1В - 0.9В. Такі розряди достатньо проводити 1 раз на місяць. Однак нікель-металогідридні акумулятори поступаються нікель-кадмієвим, які вони покликані замінити, за деякими експлуатаційними характеристиками:

• Ni-MH акумулятори ефективно працюють у вужчому інтервалі робочих струмів, що пов'язано з обмеженою десорбцією водню металгідридного електрода при дуже високих швидкостяхрозряду;
• Ni-MH акумулятори мають більш вузький температурний діапазон експлуатації: більша їх частина непрацездатна при температурі нижче -10 ° С і вище +40 ° С, хоча в окремих серіях акумуляторів коригування рецептур забезпечило розширення температурних меж;
• протягом заряду Ni-MH акумуляторів виділяється більше теплоти, ніж при заряді Ni-Cd акумуляторів, тому з метою попередження перегріву батареї з Ni-MH акумуляторів у процесі швидкого заряду та/або значного перезаряду в них встановлюють термо-запобіжники або термо-реле, які мають у своєму розпорядженні на стінці одного з акумуляторів в центральній частині батареї (це відноситься до промислових акумуляторних зборок);
• Ni-MH акумулятори мають підвищений саморозряд, що визначається неминучістю реакції водню, розчиненого в електроліті, з позитивним оксидно-нікелевим електродом (але, завдяки використанню спеціальних сплавів негативного електрода, вдалося досягти зниження швидкості саморозряду до величин, близьких до показників для Ni-Cd акумуляторів) );
• небезпека перегріву при заряді одного з Ni-MH акумуляторів батареї, а також переполюсування акумулятора з меншою ємністю при розряді батареї, зростає з неузгодженістю параметрів акумуляторів в результаті тривалого циклування, тому створення батарей з більш ніж 10 акумуляторів не рекомендується;
• втрати ємності негативного електрода, які мають місце в Ni-MH акумуляторі при розряді нижче 0 В, незворотні, що висуває більш жорсткі вимоги до підбору акумуляторів у батареї та контролю процесу розряду, ніж у разі використання Ni-Cd акумуляторів, як правило, рекомендується розряд до 1 В/ак у батареях незначної напруги та до 1,1 В/ак у батареї з 7-10 акумуляторів.

Як зазначалося раніше, деградація Ni-MH акумуляторів визначається насамперед зниженням при циклуванні сорбуючої здатності негативного електрода. У циклі заряду-розряду відбувається зміна об'єму кристалічних грат сплаву, що призводить до утворення тріщин і подальшої корозії при реакції з електролітом. Утворення продуктів корозії відбувається з поглинанням кисню та водню, внаслідок чого зменшується загальна кількість електроліту та підвищується внутрішній опір акумулятора. Слід зауважити, що характеристики Ni-MH акумуляторів суттєво залежать від сплаву негативного електрода та технології обробки сплаву для підвищення стабільності його складу та структури. Це змушує виробників акумуляторів уважно ставитися до вибору постачальників металу, а споживачів акумуляторів - до вибору фірми-виробника.

За матеріалами сайтів pоwеrinfо.ru, «Чіп та Діп»