Никель металлогидридные аккумуляторы являются источником тока на основе химической реакции. Маркируются Ni-MH. Конструктивно являются аналогом ранее разработанных никеле-кадмиевых аккумуляторов (Ni-Cd), а по происходящим химическим реакциям аналогичны никеле-водородным аккумуляторам. Относятся к категории щелочных источников питания.
Необходимость в перезаряжаемых источниках питания возникла давно. Для разных видов техники очень нужны были компактные модели с повышенной емкостью сохранения заряда. Благодаря космической программе разработали метод сохранения водорода в аккумуляторных батареях. Это были первые никеле водородные экземпляры.
Рассматривая конструкцию, выделяются основные элементы:
Ранее используемые материалы для изготовления электродов были нестабильны. Но постоянные опыты и изучения привели к тому, что оптимальный состав был получен. На данный момент для изготовления электродов используют гидрит лантана и никеля (La-Ni-CO). Но различные производители применяют и другие сплавы, где никель или часть его замещают алюминием, кобальтом, марганцем, которые стабилизируют и активируют сплав.
При заряде и разряде внутри аккумуляторов происходят химические реакции, связанные с абсорбированием водорода. Реакции можно записать в следующем виде.
На катоде протекают следующие реакции с выделением свободных электронов:
На аноде:
Основной выпуск никель металлогидридных аккумуляторов производится в двух формах: призматической и цилиндрической.
В конструкцию входят:
Анод с катодом разделены между собой с помощью сепаратора. Данная конструкция свернута рулоном и помещена в корпус аккумулятора. Герметизацию производят при помощи крышки и прокладки. На крышке предусмотрен предохранительный клапан. Он предназначен для того, чтобы при повышении давления внутри аккумулятора до 4 МПа, при срабатывании выпускал излишки летучих соединений, образующихся при химических реакциях.
Многие встречались мокрыми или покрывшимися шапкой источниками питания. Это результат работы клапана при перезаряде. Характеристики меняются и дальнейшая эксплуатация их невозможна. При его отсутствии аккумуляторы просто вспухают и полностью теряют свою работоспособность.
В конструкцию входят следующие элементы:
Призматическая конструкция предполагает поочередное размещение анодов и катодов с разделением их сепаратором. Собранные таким образом в блок, они помещаются в корпус. Корпус изготовляется пластиковым или же металлическим. Крышка герметизирует конструкцию. Для безопасности и контроля за состоянием элемента питания на крышке размещают датчик давления и клапан.
В качестве электролита используется щелочь – смесь гидроксида калия (КОН) и гидроксида лития (LiOH).
Для Ni-MH элементов изолятором выступает полипропилен или же нетканый полиамид. Толщина материала составляет 120–250 мкм.
Для производства анодов производители используют металлокерамику. Но в последнее время для снижения стоимости используют войлок и пенополимеры.
При производстве катодов используются различные технологии:
Напряжение. В свободном состоянии внутренняя цепь аккумулятора разомкнута. И ее измерить довольно трудно. Трудности вызывает равновесие потенциалов на электродах. Но после полной зарядки по прошествии суток напряжение на элементе составляет 1,3–1,35В.
Напряжение разряда при токе, не превышающем 0,2А и температуре окружающего воздуха 25°С составляет 1,2–1,25В. Минимальное значение – 1В.
Энергетическая емкость, Вт∙ч/кг:
Саморазряд зависит от температуры хранения. Хранение при комнатной температуре вызывает потерю емкости до 30% в течение первого месяца. Затем скорость замедляется до 7% за 30 дней.
Другие параметры:
Для накопления энергии используются зарядные устройства. Основной задачей недорогих моделей является подача стабилизированного напряжения. Для подзарядки никель металлогидридных аккумуляторов требуется напряжение порядка 1,4–1,6В. При этом сила тока должна составлять 0,1 емкости аккумулятора.
Например, если заявленная емкость составляет 1200 mAh, то ток зарядки соответственно должен подбираться близкий или равный 120 mA (0,12А).
Применяются быстрая и ускоренная зарядки. Процесс быстрой зарядки составляет 1 час. На ускоренный процесс уходит до 5 часов. Столь интенсивный процесс контролируется изменением напряжения и температуры.
Процесс обычной зарядки продолжается до 16 часов. Для уменьшения продолжительности времени зарядки, современные зарядники обычно производятся трехступенчатыми. Первая ступень – быстрый заряд током равным номинальной емкости аккумулятора или выше. Вторая ступень - током 0,1 емкости. Третья ступень – током 0,05–0,02 от емкости.
Должен осуществляться контроль за процессом зарядки. Перезаряд губительно сказывается на состоянии аккумуляторов. Высокое газообразование приведет к срабатыванию предохранительного клапана и электролит вытечет.
Контроль производится по следующим методикам:
Аккумуляторы последнего поколения не страдают такой болезнью, как «эффект памяти». Но после длительного хранения (более 10 суток) перед началом зарядки его все-таки необходимо полностью разрядить. Вероятность появления эффекта памяти появляется от бездействия.
Экологичность обеспечивают современные материалы. Переход на них значительно облегчил утилизацию отработанных элементов.
Что касается недостатков, то их тоже немало:
Перед тем как купить Ni-MH аккумуляторы следует определиться с их емкостью. Высокие показатели не решение проблемы нехватки энергии. Чем выше емкость элемента, тем сильнее выражено саморазряжение.
Цилиндрические никель металлогидридные элементы в большом количестве выпускаются размерами, которые имеют маркировку AA или AAA. В народе прозванные как пальчиковые – aaa и мизинчиковые – aa. Купить их можно во всех электромагазинах и магазинах, торгующих электроникой.
Как показывает практика, аккумуляторы емкостью 1200–3000 mAh, имеющие размер aaa, используются в плейерах, фотоаппаратах и других электронных устройствах с большим потреблением электричества.
Аккумуляторы емкостью 300–1000 mAh, обычный размер aa используются на приборах с небольшим потреблением энергии или не сразу (портативная рация, фонарь, навигатор).
Ранее широко распространенные металлгидридные аккумуляторы использовались во всех портативных устройствах. Одиночные элементы устанавливались в бокс, разработанный производителем для удобства установки. Имели они обычно маркировку EN. Купить их можно было только у официальных представителей производителя.
В течение целых пятидесяти лет портативные устройства для автономной работы могли полагаться исключительно на никель-кадмиевые источники питания. Но кадмий очень токсичный материал, и в 1990-х на смену никель-кадмиевой технологии пришла более экологичная никель-металл-гидридная. По сути эти технологии очень схожи, и большинство характеристик никель-кадмиевых аккумуляторов передались по наследству никель-металл-гидридным. Но тем не менее, для некоторых применений никель-кадмиевые аккумуляторы остаются незаменимыми и используются по сей день.
Изобретенный Вальдмаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевый аккумулятор имел несколько преимуществ по сравнению со свинцово-кислотным, единственным существовавшим тогда аккумулятором, однако был более дорогим из-за стоимости материалов. Развитие этой технологии было довольно медленным, но в 1932 году был сделан значительный прорыв - в качестве электрода стал использоваться пористый материал с активным веществом внутри. Дальнейшее усовершенствование было сделано в 1947 году и решило проблему газопоглощения, что позволило создать современную герметичную необслуживаемую никель-кадмиевую батарею.
На протяжении многих лет именно NiCd батареи служили в качестве источников питания для двухсторонних радиостанций, экстренной медицинской техники, профессиональных видеокамер и электроинструмента. В конце 1980-х были разработаны ультраемкие NiCd аккумуляторы, которые потрясли мир своей емкостью, на 60% превышающей показатель стандартной батареи. Это было достигнуто благодаря размещению большего количества активного вещества в батарее, но добавились и недостатки - повысилось внутреннее сопротивление и уменьшилось количество циклов заряда/разряда.
NiCd стандарт остается одним из самых надежных и непритязательных среди аккумуляторных батарей, и авиационная отрасль остается верной этой системе. Тем не менее, долговечность этих аккумуляторов зависит от надлежащего обслуживания. NiCd, и отчасти NiMH аккумуляторы, подвержены эффекту “памяти”, который приводит к потере емкости, если периодически не делать полный цикл разряда. При нарушении рекомендованного режима зарядки аккумулятор будто помнит, что в предыдущие циклы работы его емкость не была использована полностью, и при разряде отдает электроэнергию только до определенного уровня. (Смотрите: Как восстановить никелевый аккумулятор ). В таблице 1 перечислены преимущества и недостатки стандартного никель-кадмиевого аккумулятора.
| Преимущества | Надежный; большое количество циклов при правильном обслуживании Единственный аккумулятор, способный к ультрабыстрой зарядке с минимальным стрессом Хорошие нагрузочные характеристики, прощает их преувеличение Длительный срок хранения; возможность хранения в разряженном состоянии Отсутствие специальных требований к хранению и транспортировке Хорошая производительность при низких температурах Самая низкая стоимость одного цикла работы среди всех аккумуляторов Доступен в широком диапазоне размеров и вариантов исполнения |
| Недостатки | Относительно низкая удельная энергоемкость в сравнении с более новыми системами Эффект “памяти”; необходимость периодического обслуживания для его избежания Кадмий является токсичным материалом, необходима специальная утилизация Высокий саморазряд; нуждается в подзарядке после хранения Низкое напряжение ячейки в 1,2 вольта, требует построения многоячеечных систем для обеспечения высокого напряжения |
Таблица 1: Преимущества и недостатки никель-кадмиевых батарей.
Исследования никель-металл-гидридной технологии начались еще в 1967 году. Однако нестабильность металл-гидрида тормозила разработку, что в свою очередь привело к развитию никель-водородной (NiH) системы. Новые гидридные сплавы, обнаруженные в 1980-х, решили проблемы с безопасностью, и позволили создать аккумулятор с удельной энергоемкостью на 40% большей, чем у стандартного никель-кадмиевого.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Например, их процесс зарядки более сложен, чем у NiCd. С саморазрядом в 20% за первые сутки и последующей ежемесячной в 10%, NiMH занимают одну из лидирующих позиций в своем классе. Модифицируя гидридный сплав, можно добиться снижения саморазряда и коррозии, но это добавит недостаток в виде уменьшения удельной энергоемкости. Но в случае использования в электротранспорте, эти модификации весьма полезны, так как повышают надежность и увеличивают срок службы батарей.
NiMH батареи в данный момент являются одними из самых легкодоступных. Такие гиганты отрасли как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac признали необходимость присутствия на рынке недорогого и долговечного аккумулятора, и предлагают никель-металл-гидридные источники питания разных типоразмеров, в частности АА и ААА. Производителями тратятся большие усилия, чтобы отвоевать часть рынка у щелочных батарей.
В этом сегменте рынка никель-металл-гидридные батареи являются альтернативой перезаряжаемым щелочным батареям , которые появились еще в 1990 году, но из-за ограниченного жизненного цикла и слабых нагрузочных характеристик не снискали успеха.
В таблице 2 сравниваются удельная энергоемкость, напряжение, саморазряд и время работы батареек и аккумуляторов потребительского сегмента. Представленные в АА, ААА и других типоразмерах, эти источники питания могут использоваться в портативных устройствах. Даже если у них может немного различается номинальный вольтаж, состояние разряда, как правило, наступает при одинаковом для всех фактическом значении напряжения в 1 В. Эта широта значений напряжения допустима, так как портативные устройства имеют некоторую гибкость в плане диапазона напряжений. Главное – необходимо вместе использовать только однотипные электрические элементы. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют развитию литий-ионных батарей в АА и ААА типоразмере.
Таблица 2: Сравнение различных батарей типоразмера АА.
* Eneloop является торговой маркой корпорации Sanyo, основанной на NiMH системе.
Высокий показатель саморазряда NiMH является причиной продолжающейся озабоченности потребителей. Фонарь или портативное устройство с батареей NiMH разрядится, если не пользоваться им несколько недель. Предложение заряжать устройство перед каждым использованием навряд ли найдет понимание, особенно в случае с фонарями, которые позиционируются как источники резервного освещения. Преимущество щелочной батареи со сроком хранения в 10 лет тут видится бесспорным.
В никель-металл-гидридной батарее от Panasonic и Sanyo под торговой маркой Eneloop удалось значительно уменьшить саморазряд. Eneloop может храниться без подзарядки в шесть раз дольше чем обычная NiMH. Но недостатком такой улучшенной батареи является немного меньшая удельная энергоемкость.
В таблице 3 приведены преимущества и недостатки никель-металл-гидридной электрохимической системы. В таблице не учтены характеристики Eneloop и других потребительских торговых марок.
| Преимущества | На 30-40 процентов большая емкость по сравнению с NiCd Менее склонны к эффекту “памяти”, могут быть восстановлены Простые требования к хранению и транспортировке; отсутствие регулирования этих процессов Экологически чистые; содержат только умеренно токсичные материалы Содержание никеля делает утилизацию самоокупающейся Широкий диапазон рабочих температур |
| Недостатки | Ограниченный срок службы; глубокие разряды способствуют ее уменьшению Сложный алгоритм зарядки; чувствительны к перезаряду Особые требования к режиму подзарядки Выделяют тепло во время быстрой зарядки и разряда мощной нагрузкой Высокий саморазряд Кулоновская эффективность на уровне 65% (для сравнения у литий-ионных - 99%) |
Таблица 3: Преимущества и недостатки NiMH батарей.
После изобретения в 1899 году никель-кадмиевого аккумулятора шведский инженер Вальдмар Юнгнер продолжил исследования и пытался заменить дорогой кадмий более дешевым железом. Но низкая эффективность заряда и чрезмерное газообразование водорода заставили его отказаться от дальнейшего развития NiFe батареи. Он даже не стал патентовать эту технологию.
Железо-никелевый аккумулятор (NiFe) использует в качестве катода гидрат окиси никеля, анода - железо, а электролита - водный раствор гидроксида калия. Ячейка такого аккумулятора генерирует напряжение в 1,2 В. NiFe устойчив к излишнему перезаряду и глубокому разряду; может эксплуатироваться в качестве резервного источника питания в течение более чем 20 лет. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделали этот аккумулятор самым используемым в горной промышленности в Европе; также он нашел свое применение для обеспечения питания железнодорожной сигнализации, также используется как тяговой аккумулятор для погрузчиков. Можно отметить, что во время Второй мировой войны именно железо-никелевые батареи использовались в немецкой ракете “Фау-2”.
NiFe имеет низкую удельную мощность - примерно 50 Вт/кг. Также к недостаткам стоит отнести плохую производительность при низких температурах и высокий показатель саморазряда (20-40 процентов в месяц). Именно это, вкупе с высокой стоимостью производства, побуждает производителей оставаться верными свинцово-кислотным батареям.
Но железо-никелевая электрохимическая система активно развивается и в недалеком будущем способна стать альтернативой свинцово-кислотной в некоторых отраслях. Перспективно выглядят экспериментальная модель ламельной конструкции, в ней удалось снизить саморазряд аккумулятора, он стал практически невосприимчив к пагубному воздействию пере- и недозарядки, а его срок службы ожидается на уровне 50 лет, что сопоставимо с 12-летним сроком службы свинцово-кислотной батареи в режиме работы при глубоких циклических разрядах. Ожидаемая цена такой NiFe батареи будет сравнима с ценой литий-ионной, и всего в четыре раза превышать цену свинцово-кислотной.
NiFe аккумуляторы, равно как и NiCd и NiMH , требуют особых правил зарядки - кривая напряжения имеет синусоидальную форму. Соответственно, использовать зарядное устройство для свинцово-кислотного или литий-ионного аккумулятора не выйдет, это даже может навредить. Как и все батареи на основе никеля, NiFe боятся перезаряда - он вызывает разложение воды в электролите и приводит к ее потере.
Сниженную в результате неправильной эксплуатации емкость такого аккумулятора можно восстановить путем приложения высоких токов разрядки (соразмерных значению емкости аккумулятора). Данную процедуру необходимо проводить до трех раз с длительностью периода разряда в 30 минут. Также следует следить за температурой электролита - она не должна превышать 46°С.
Никель-цинковый аккумулятор похож на никель-кадмиевый тем, что использует щелочной электролит и никелевый электрод, но отличается по напряжению - NiZn обеспечивает 1,65 В на ячейку, в то время как NiCd и NiMH имеют показатель в 1,20 В на ячейку. Заряжать NiZn аккумулятор необходимо постоянным током с значением напряжения 1,9 В на ячейку, также стоит помнить, что этот вид аккумуляторов не рассчитан для работы в режиме подзарядки. Удельная энергоемкость составляет 100Вт/кг, а количество возможных циклов - 200-300 раз. NiZn не имеет в своем составе токсичных материалов и может быть легко утилизирован. Выпускается в различных типоразмерах, в том числе в АА.
В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на перезаряжаемую никель-цинковую батарею. Позже его разработки были усовершенствованны ирландским химиком Джеймсом Драммом, который установил эти аккумуляторы на автомотрисы, которые курсировали по маршруту Дублин-Брей с 1932 по 1948 год. NiZn не получил должного развития из-за сильного саморазряда и короткого жизненного цикла, вызванного образованиями дендритов, что также часто приводило к короткому замыканию. Но совершенствование состава электролита уменьшило эту проблему, что дало повод снова рассматривать NiZn для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и широкий диапазон рабочих температур делают эту электрохимическую систему крайне привлекательной.
Когда в 1967 началась разработка никель-металл-гидридных батарей, исследователи столкнулись с нестабильностью гидритов металла, что вызвало сдвиг в сторону развития никель-водородного (NiH) аккумулятора. Ячейка такого аккумулятора включает в себя инкапсулированный в сосуд электролит, никелевый и водородный (водород заключен в стальной баллон под давлением в 8207 бар) электроды.
Исследования в области технологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в 70-е годы XX века и были предприняты как попытка преодоления недостатков . Однако, применяемые в то время металл-гидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH аккумуляторов застопорился. Новые металл-гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980. Начиная с конца восьмидесятых годов XX века NiMH аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии . Их разработчики отмечали, что для NiMH технологии имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.
Никель-металл-гидридные аккумуляторы форм фактора "Крона", как правило- начальным напряжением 8,4 вольта, постепенно снижает напряжение до 7,2 вольт, а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов . Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую емкость при тех же габаритах, но меньший срок службы - от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.
NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти ». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.
Экологически безопасны.
Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда - 15-16 часов (типичная рекомендация производителя).
Аккумуляторы нужно хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 градусов . При хранении желательно регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1,37 . Если же напряжение упало, необходимо зарядить аккумуляторы заново. Единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, - это Ni-Cd аккумуляторы .
Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (the low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее многие мировые производители представили свои LSD NiMH аккумуляторы.
Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженный» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.
По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трех недель. Обычные NiMH аккумуляторы теряют до 10% емкости зарядом в течение первых 24 часов после заряда, зетем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5% емкости в день. Для LSD NiMH этот параметр как правило находится в диапазоне от 0,04% до 0,1% емкости в день. Производители утверждают, что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:
Из недостатков следует отметить сравнительно чуть меньшую емкость. В настоящее время (2012 год) максимально достигнутая паспортная емкость LSD - 2700 mAh.
Тем не менее, при тестировании аккумуляторов Sanyo Eneloop XX с паспортной емкостью 2500mAh (min 2400mAh) оказалось, что все из аккумуляторов партии в 16 штук (сделаны в Японии, проданы в Ю.Корее) имеют емкость даже больше - от 2550 mAh до 2680 mAh. Тестировалось зарядкой LaCrosse BC-9009.
Неполный список аккумуляторов долгого хранения (с низким саморазрядом):
Другие преимущества NiMH аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH)
Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление чем обычные NiMH батареи. Это сказывается весьма положительно в приложениях с высоким токопотреблением:
Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 - 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 - 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для восстановления эффекта «памяти», метод «FLEX Negative Pulse Charging» или «Reflex Charging»).
Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.
Существует ещё так называемый «inflexion» - метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).
При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора 60°С.
Замена стандартного гальванического элемента, электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.
При использовании NiMH аккумуляторов далеко не всегда следует гнаться за большой ёмкостью. Чем более ёмкий аккумулятор, тем выше (при прочих равных условиях) его ток саморазряда. Для примера рассмотрим аккумуляторы ёмкостью 2500 мАч и 1900 мАч. Полностью заряженные и не используемые в течение, например, месячного срока аккумуляторы потеряют часть своей электрической ёмкости вследствие саморазряда. Более ёмкий аккумулятор будет терять заряд значительно быстрее, чем менее ёмкий. Таким образом по прошествии, например, месяца аккумуляторы будут иметь примерно равный заряд, а по прошествии ещё большего времени изначально более ёмкий аккумулятор будет содержать меньший заряд.
С практической точки зрения аккумуляторы высокой ёмкости (1500-3000 мАч для AA-батарей) есть смысл использовать в устройствах с высоким потреблением энергии в течение короткого времени и без предварительного хранения. Например:
Аккумуляторы же низкой ёмкости (300-1000 мАч для AA-батарей) скорее подойдут для следующих случаев:
Никель-металл-гидридные аккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе:
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | |
Ni-MH аккумуляторы (никель-металлогидридные) входят в группу щелочных. Представляют собой источники тока химического типа, где в качестве катода выступает оксид никеля, анода - водородный металлгидридный электрод. Щелочь является электролитом. Они похожи на никель-водородные аккумуляторы, но превосходят их по энергоемкости.
Производство Ni-MH аккумуляторов началось в середине двадцатого века. Разрабатывались они с учетом недостатков устаревших никель-кадмиевых батарей. В NiNH могут использоваться разные комбинации металлов. Для их производства были разработаны специальные сплавы и металл, работающие при комнатной температуре и низком водородном давлении.
Промышленное производство началось в восьмидесятых годах. Изготавливаются и совершенствуются сплавы и металл для Ni-MH и сегодня. Современные устройства подобного типа могут обеспечивать до 2 тысяч циклов заряд-разряд. Подобный результат достижим по причине применения никелевых сплавов с редкоземельными металлами.
Никель-металлогидридные аппараты широко используются для питания разного вида электроники, которая функционирует в автономном режиме. Обычно они делаются в виде ААА либо АА батарей. Имеются и другие исполнения. Например, промышленные батареи. Сфера использования Ni-MH аккумуляторов немного шире, чем у никель-кадмиевых, потому что в их составе нет токсичных материалов.
В данный момент реализуемые на отечественном рынке никель-металлогидридные батареи по емкости делятся на 2 группы - 1500-3000 мАч и 300-1000 мАч:
Зарядка бывает капельной и быстрой. Изготовители не рекомендуют первую, потому что при ней появляются сложности с точным определением прекращения подачи тока на устройство. По этой причине может возникнуть мощный перезаряд, что приведет к деградации аккумулятора. при помощи быстрого варианта. Коэффициент полезного действия тут несколько выше, чем у капельного вида зарядки. Ток выставляется - 0,5-1 С.
Как заряжается гидридный аккумулятор:
При быстрой зарядке нужно иметь хорошее ЗУ. Оно должно контролировать окончание процесса по разным, независимым друг от друга критериям. К примеру, у Ni-Cd аппаратов достаточно контроля по дельте напряжения. А у NiMH нужно, чтобы аккумулятор следил за температурой и дельтой как минимум.
Для правильной работы Ni-MH следует помнить «Правило трех П»: «Не перегревать», «Не перезаряжать», «Не переразряжать».
Чтобы предупредить перезарядку батарей, используются такие методы контролирования:
Для уточнения времени зарядки Ni-MH аккумулятора с учетом всех характеристик можно применить формулу: время зарядки (ч) = емкость (мАч) / сила тока зарядного устройства (мА). Например, имеется аккумулятор с емкостью 2000 миллиамперчасов. Ток заряда в ЗУ - 500 мА. Емкость делится на ток и получается 4. То есть батарея будет заряжаться 4 часа.
Обязательные правила, которых нужно придерживаться для правильного функционирования никель-металлогидридного устройства:
Из-за «эффекта памяти» данные устройства иногда теряют некоторые характеристики и большую часть емкости. Это происходит при многократных циклах неполной разрядки и последующей зарядке. В результате такой работы устройство «запоминает» меньшую границу разрядки, по этой причине понижается его емкость.
Чтобы избавиться от данной проблемы, нужно постоянно выполнять тренировку и восстановление. Лампочкой либо зарядным устройством разряжается до 0,801 вольта, далее батарея полностью заряжается. Если долгое время аккумулятор не проходил процесс восстановления, то желательно произвести 2-3 подобных цикла. Тренировать его желательно раз в 20-30 дней.
Изготовители аккумуляторов Ni-MH утверждают, что «эффект памяти» отнимает примерно 5% емкости. Восстановить ее можно с помощью тренировок. Важным моментом при восстановлении Ni-MH является наличие у ЗУ функции разрядки с контролем минимального напряжения. Что нужно для недопущения сильного разряда устройства при восстановлении. Это незаменимо, когда неизвестна начальная степень заряда, и предположить ориентировочное время разряда невозможно.
Если неизвестна степень заряженности батареи, разряжать ее следует под полным контролем напряжения, иначе подобное восстановление приведет к глубокой разрядке. При восстановлении целой батареи сначала рекомендуется провести полную зарядку, чтобы выровнять степень заряда.
Если аккумулятор отработал несколько лет, то восстановление зарядом и разрядом может быть бесполезным. Полезно оно для профилактики в процессе работы устройства. При эксплуатации NiMH вместе с появлением «эффекта памяти» происходит изменения объема и состава электролита. Стоит помнить, что разумнее восстанавливать элементы аккумулятора по отдельности, чем всю батарею целиком. Срок годности аккумуляторов - от одного года до пяти (зависит от конкретной модели).
Значительное повышение энергетических параметров никель-металлогидридных аккумуляторов не является единственным их достоинством перед кадмиевыми. Отказавшись от использования кадмия, производители начали использовать более экологически чистый металл. Гораздо легче решаются вопросы с .
Благодаря этим достоинствам и тому, что в изготовлении используется металл - никель, производство Ni-MH устройств резко выросло, если сравнивать с никель-кадмиевыми аккумуляторами. Удобны они и тем, что для уменьшения разрядного напряжения при длительных перезарядках проводить полную разрядку (до 1 вольта) надо раз в 20-30 дней.
Немного о недостатках:
Деградация Ni-MH батарей определяется понижением сорбирующей способности отрицательного электрода при циклировании. В цикле разрядки-зарядки происходит изменение объема кристаллической решетки, что способствует образованию ржавчины, трещин во время реакции с электролитом. Появление коррозии происходит при поглощении батареей водорода и кислорода. Это приводит к уменьшению количества электролита и повышению внутреннего сопротивления.
Нужно учитывать, что характеристики батарей зависят от технологии обработки сплава отрицательного электрода, его структуры и состава. Металл для сплавов тоже имеет значение. Все это заставляет производителей очень внимательно выбирать поставщиков сплавов, а потребителей - завод-изготовитель.
Исследования в области никель-металлгидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.
Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке («дружественность» природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.
・ бОльшая емкость - на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
・ намного меньшая выраженность эффекта «памяти» по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами - циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
・ простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
・ экологически безопасны - возможна переработка
・ ограниченное время жизни батареи - обычно около 500-700 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
・ эффект памяти - NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
・ Относительно малый срок хранения батарей - обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
・ Высокий саморазряд батарей
・ Ограниченная мощностная емкость - при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
・ Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
・ Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)
Современные никель-металлгидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлгидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.
В современных никель-металлгидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.
Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.
Никель-металлгидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.
В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлгидридного аккумулятора необходимо произвести несколько «тренировочных» циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлгидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.
Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, «выкипанию» электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлгидридной батареей большой емкости.
Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.
При заряде никель-металлгидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.
Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.
Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлгидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлгидридных аккумуляторов.
Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С
изображение взято с www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781
Никель-металлгидридная батарейка Duracell
изображение взято с www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm
P.P.S.
Схема перспективного направления создания биполярных аккумуляторных батарей
схема взятя с Биполярные свинцово-кислотные батареи
Сравнительная таблица параметров различных типов аккумуляторов
| NiCd | NiMH | Lead Acid | Li-ion | Li-ion polymer | Reusable Alkaline |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергетическая плотность (W*час/кг) | 45-80 | 60-120 | 30-50 | 110-160 | 100-130 | 80 (начальная) |
| Внутреннее сопротивление (включая внутренние схемы), мОм |
100-200 при 6В |
200-300 при 6В |
<100 при 12В |
150-250 при 7.2В |
200-300 при 7.2В |
200-2000 при 6В |
| Число циклов заряда/разряда (при снижении до 80% от начальной емкости) | 1500 | 300-500 | 200-300 | 500-1000 | 300-500 | 50 (до 50%) |
| Время быстрого заряда | 1 час типовое | 2-4 часа | 8-16 часа | 2-4 часа | 2-4 часа | 2-3 часа |
| Устойчивость к перезаряду | средняя | низкая | высокая | очень низкая | низкая | средняя |
| Саморазряд / месяц (при комнатной температуре) | 20% | 30% | 5% | 10% | ~10% | 0.3% |
| Напряжение элемента (номинальное) | 1.25В | 1.25В | 2В | 3.6В | 3.6В | 1.5В |
| Ток нагрузки - пиковый - оптимальный |
20C 1C |
5C 0.5C и ниже |
5C 0.2C |
>2C 1C и ниже |
>2C 1C и ниже |
0.5C 0.2C и ниже |
| Температура при эксплуатации (только разряд) | -40 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
0 to 60°C |
0 to 65°C |
| Требования к обслуживанию | Через 30 – 60 дней | Через 60 – 90 дней | Через 3 – 6 месяцев | Не требуется | Не требуется | Не требуется |
| Типовая цена (US$, только для сравнения) |
$50 (7.2В) |
$60 (7.2В) |
$25 (6В) |
$100 (7.2В) |
$100 (7.2В) |
$5 (9В) |
| Цена на цикл (US$) | $0.04 | $0.12 | $0.10 | $0.14 | $0.29 | $0.10-0.50 |
| Начало коммерческого использования | 1950 | 1990 | 1970 | 1991 | 1999 | 1992 |
