Никель-Кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd): Характеристики, виды, как восстановить и утилизировать

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd), являются довольно распространённым типом накопителей электроэнергии, который нашёл своё применение в разных областях. Естественно, как и другие разновидности АКБ, NiCd обладают своими положительными и отрицательными сторонами, которые делают их более или менее приемлемыми в тех или иных случаях. Они часто обслуживают бытовую технику, электрические приборы, транспорт и применяются даже в авиации. В этой теме мы подробно обсудим эти замечательные источники питания.

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.

Порядок для зарядки

Когда заряжают никель кадмиевые аккумуляторы, ограничивают лишнее поступление тока на электроды. Внутри начинает увеличиваться давление и выделяется кислород. Используют автоматические и реверсивные зарядные устройства. В автоматических ЗУ имеются 4 разъема для батарей.

Банку устанавливают в ячейку, устройство подключают к электричеству. Светодиоды указывают на степень завершения процедуры. Реверсивными ЗУ можно не только зарядить батарею, но и поддержать рабочее состояние.

Приборы сложные по содержанию, но эксплуатация не вызовет трудностей. Нужно установить элемент и кнопками отрегулировать режим.

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.

Разновидности

Никель кадмиевые батарейки по своей форме бывают:

Цилиндрические — они получили второе название – «банки».
Плоские — дисковые или «таблетки».

Размерный ряд цилиндрических состоит из нескольких основных типовых видов:

Обозначение	Диаметр, мм	Длина, мм	Вес, г
A	17	50	32
14,2	50	21
ААА	10,5	44,5	10
1/2 SC	23	26	30
SC (sub C)	23	43	52
C	26	46	72
D	33	58	105-145
F	33	91	231
SF (super F)	41,4	89,1	393

Дисковые батарейки или «таблетки», были достаточно популярны для стран бывшего СССР. Современные кадмиевые аналоги советских «таблеток» применяются в часах, фотовспышках, слуховых аппаратах, фотоаппаратах, фонариках.

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 (, AAA 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.

Области применения [ править | править код ]

Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на один-два порядка ниже, чем у обычных марганцево-цинковых и марганцево-воздушных батарей, мощность выдаётся стабильнее и без перегрева.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов/винтовёртов и дрелей, однако здесь намечается тенденция к вытеснению их высокотоковыми батареями различных литиевых систем.

Несмотря на развитие других электрохимических систем и ужесточение экологических требований, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются основным выбором для высоконадёжных устройств, потребляющих большую мощность, например фонарей для дайвинга.

Длительный срок хранения, относительная нетребовательность к постоянному уходу и контролю, способность стабильно работать на морозе до -40 °C и отсутствие возможности возгорания при разгерметизации в сравнении с литиевыми, малый удельный вес в сравнении со свинцовыми и дешевизна в сравнении с серебряно-цинковыми, меньшее внутренне сопротивление, большая надёжность и морозостойкость в сравнении с NiMH обуславливают по-прежнему широкое применение никель-кадмиевых аккумуляторов в военной технике, авиации и портативной радиосвязи.

Дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы [ править | править код ]

Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются также в герметичном «таблеточном» конструктиве, наподобие батареек для часов. Электроды в таком аккумуляторе — две прессованные тонкие таблетки из активной массы, сложенные в пакет с сепаратором и плоской пружиной и завальцованные в никелированный стальной корпус диаметром с монету. Используются для питания различных, в основном маломощных, нагрузок (током C/10-C/5). Допускают только небольшие зарядные токи, не более С/10, так как внутри корпуса должна успевать происходить рекомбинация выделяющихся газов. Благодаря замкнутой конструкции допускают длительный перезаряд с непрерывной рекомбинацией и выделением избыточной энергии в виде тепла. Напряжение такого аккумулятора ниже, чем у негерметичного, и мало изменяется в процессе разряда вследствие избытка активной массы катода, создаваемого с целью ускорения рекомбинации кислорода.

Дисковые аккумуляторы (как правило, в батареях по 3 шт. в общей оболочке, типоразмера аналогичного советскому Д-0,06) широко применялись в персональных компьютерах выпуска 1980–90 годов, в частности PC-286/386 и ранних 486, для питания энергонезависимой памяти настроек (CMOS NVRAM) и часов реального времени при отключенном сетевом питании. Срок службы аккумуляторов в таком режиме составлял несколько лет, после чего батарея, в большинстве случаев — впаянная в материнскую плату, подлежала замене. С развитием CMOS-технологии и уменьшением потребляемой мощности NVRAM и RTC аккумуляторы были вытеснены одноразовыми литиевыми элементами ёмкостью порядка 200 мА·ч (CR2032 и др.), устанавливаемыми в гнёзда-защёлки и легко заменяемыми пользователем, с аналогичным сроком непрерывной работы.

В СССР дисковые аккумуляторы были практически единственными доступными в широкой продаже аккумуляторами (кроме автомобильных и, позднее, NiCd размера AA на 450 мА·ч). Помимо отдельных элементов, предлагалась 9-вольтовая батарея из семи аккумуляторов Д-0,1 с разъёмом, аналогичным «Кроне», которая, однако, входила в отсек питания не у всех радиоприёмников, для которых предназначалась. Поставлялись только простейшие зарядные устройства с током С/10, заряжавшие аккумулятор или батарею примерно за 14 часов (время контролировалось пользователем).

Название аккумулятора	Диаметр, мм	Высота, мм	Напряжение, В	Ёмкость, А*ч	Рекомендуемый ток разряда, мА	Применение
Д-0,03	11,6	5,5	1,2	0,03	3	фотоаппараты, слуховые аппараты
Д-0,06	15,6	6,4	1,2	0,06	12	фотоаппараты, фотоэкспонометры, слуховые аппараты, дозиметры
Д-0,125	20	6,6	1,2	0,125	12,5	аккумуляторные электрические фонарики [ уточнить ] , миниатюрные радиоприёмники
Д-0,26	25,2	9,3	1,2	0,26	26	аккумуляторные электрические фонарики, фотовспышки, калькуляторы (Б3-36)
Д-0,55	34,6	9,8	1,2	0,55	55	прицел ночного видения 1ПН58 (блок из пяти Д-0.55С), фотовспышки, аккумуляторные электрические фонарики, калькуляторы (Б3-34)[1]
7Д-0,125	8,4	0,125	12,5	замена батарее Крона

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.

Особенности использования

Продолжительная эксплуатация влияет на функционирование и работоспособность кадмий никелевых акб. К ухудшению работоспособности и выходу из строя приводят:

Рабочая поверхность токопроводящих выводов уменьшается.
Активная масса токопроводящих выводов существенно уменьшается.
Щелочной электролитический состав меняет состав, неправильно перераспределяется по источнику питания.
Образуется утечка по проводящим элементам. В итоге, разрядка заряженного источника питания наступает достаточно быстро.
Расход жидкости, кислорода возрастает. При чрезмерном выделении кислорода процесс становится необратимым.
Органические составы начинают распадаться.

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 Li-Ion и Ni-Mh 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.

Маркировка NiCd

▶ Первые цифры указывают на число отдельных компонентов образующих аккумулятор, сколько их соединено в сумме.

▶ Буквы НК или К обозначают, что вы имеете дело с Ni-Cd электронакопителем.

▶ Латинские литеры L либо H указывают на режим разряда источника энергии. L — длительный разряд, H — кратковременный разряд.

▶ Последующее цифровое обозначение указывает на ёмкость аккумуляторной батареи.

▶ Литеры Р(П) дают нам понять, что корпус электронакопителя изготовлен из пластика.

▶ К — тип сборной конструкции источника энергии — каркасный.

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.

Конструкция

Батарея включает в себя два электрода, заряженные разноименными зарядами, между которыми предусмотрен сепаратор, то есть разграничитель. Каждый элемент находится в электролите, и герметично закрыт в корпусе, обычно сделанном из металла или пластика.

Электрод с положительным зарядом содержит в составе никелевый гидроксид-оксид. Отрицательный сделан из кадмия. Электролитом служит высокоактивная щелочь KOH – не пахнущая и не взрывоопасная.

Изготавливая электроды, металл фольгируют – это позволяет увеличить площадь взаимодействия. Сепаратором выступает материал, устойчивый к воздействию щелочи. Так как корпус АКБ герметичен, в ходе эксплуатации она не теряет электролит.

Токосъемные контакты расположены сверху батареи. В корпусе предусмотрено отверстие для доливки

Конструкция АКБ.

щелочи. Через него же выходят избыточные газы, образуемые в ходе зарядки батареи. Электродами служат специальные пластины, и сепаратор, разделяющий их, не ограничивает протекание электролита.

Аккумуляторный источник питания Ni-Cd в плане исполнения бывает:

призматический. Электроды – пластины, уложенные друг на друга через разделитель;
цилиндрический. Электроды имеют вид ленты, свернутой в рулон. Разделитель также присутствует – между анодом и катодом.

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.

История создания

Полноценные щелочные аккумуляторы были разработаны в конце 19 века швейцарским ученым Вальдемаром Юнгером. При этом никелю отводилась роль положительного электрода, а кадмию — отрицательного.

Через пару лет конструкция первого Ni-Cd аккумулятора была улучшена Эдисоном. Он предложил сделать отрицательный электрод из железа, чтобы удешевить батарею. Однако даже после этого Ni-Cd аккумуляторы оставались настолько дорогими, что их промышленное производство было отложено на 50 лет.

В 1932 ученые Шлехт и Акерман предложили технологию прессованного анода, позволявшую значительно повысить ток батареи и ее долговечность. В серию эти Ni-Cd аккумуляторные батареи пошли лишь после разработки Ньюманом герметичного корпуса для них. Произошло это в 1947 г.

Читать также: Как намотать двухполярный трансформатор