NiMH элементы широко рекламируются, как элементы с высокой энергоемкостью, не боящиеся холода и не имеющие памяти. Купив цифровую фотокамеру Canon PowerShot A 610 , я естественно снабдил ее емкой памятью на 500 снимков высшего качества, а для увеличения продолжительности съемок купил 4 NiMH элемента емкостью 2500 ма* час фирмы Duracell .
Сравним характеристики выпускаемых промышленностью элементов:
| Параметры |
Ионно-литиевые |
Никель-кадмиевые NiCd |
Никель- |
Свинцово-кислотные |
|
| Длительность службы, циклов зарядки/разрядки |
1-1,5 года |
500-1000 |
3 00-5000 |
||
| Энергетическая емкость, Вт*ч/кг | |||||
| Ток разряда, мA*емкость аккумулятора | |||||
| Напряжение одного элемента, В | |||||
| Скорость саморазряда |
2-5% в месяц |
10% за первые сутки,
|
в 2 раз выше |
40% в год |
|
| Диапазон допустимых температур, градусы Цельсия | зарядки | ||||
| разрядки | -20... +65 | ||||
| Диапазон допустимых напряжений, В |
2,5-4,3 (коксовые) , 3,0-4,3 (графитовые) |
5,25-6,85 (для батарей 6 В), 10,5-13,7 (для батарей 12 В) |
|||
Таблица 1.
Из таблицы видим NiMH элементы обладают высокой энергетической емкостью, что делает их предпочтительными при выборе.
Для ихзарядки было куплено интеллектуальное зарядное устройство DESAY Full-Power Harger обеспечивающее зарядку NiMH элементов с их тренировкой. Элементы оно заряжались качественно, но... Однако на шестой зарядке оно приказало долго жить. Выгорела электроника.
После замены зарядного устройства и нескольких циклов заряд-разряд, аккумуляторы стали садиться на втором - третьем десятке снимков.
Оказалось, что не смотря на заверения, NiMH элементы тоже обладают памятью.
А большинство современных портативных устройств их использующих, имеют встроенную защиту, отключающую питание при достижении некоторого минимального напряжения. Это не позволяет выполнить полную разрядку аккумулятора. Тут и начинает играть свою роль память элементов. Не полностью разряженные элементы получают неполный заряд и их емкость падает с каждой перезарядкой.
Качественные зарядные устройства позволяют выполнять зарядку без потери емкости. Но что-то я не смог найти в продаже такого для элементов емкостью 2500маh . Остается периодически проводить их тренировку.
Все написанное ниже не относится к элементам аккумуляторной батареи имеющим сильный саморазряд . Их можно только выбросить, опыт показывает, тренировке они не поддаются.
Тренировка NiMH элементов заключается в нескольких (1-3) циклах разрядки - зарядки.
Разрядка выполняется до снижения напряжения на аккумуляторном элементе до 1В. Желательно разряжать элементы индивидуально. Причина в том, что способность принимать заряд может быть различна. И она усиливается при зарядке без тренировки. Поэтому происходит к преждевременное срабатывание защиты по напряжению вашего устройства (плеера, фотоаппарата, ...) и последующей зарядке неразряженного элемента. Результат этого нарастающая потеря емкости.
Разрядку необходимо выполнять в специальном устройстве (Рис.3), которое позволяет выполнять ее индивидуально для каждого элемента. Если нет контроля напряжения, то разрядка выполнялась до заметного снижения яркости лампочки.
А если Вы засечете время горения лампочки вы сможете определить емкость аккумулятора, она вычисляется по формуле:
Емкость = Ток разрядки х Время разрядки = I х t (А * час)
Аккумулятор емкостью 2500 ма час способен отдавать в нагрузку ток 0,75 А в течении 3,3 часа, если полученное в результате разрядки время меньше, соответственно и меньше остаточная емкость. И при уменьшении емкости Вам необходимой надо продолжить тренировку аккумулятора.
Сейчас для разрядки элементов аккумуляторов я применяю устройство изготовленное по схеме показанной на рис.3.
Оно изготовлено из старого зарядного устройства и выглядит так:
Только теперь лампочек 4 штуки, как в рис.3. О лампочках надо сказать отдельно. Если лампочка имеет ток разрядки равный номинальному для данного аккумулятора или несколько меньший ее можно использовать как нагрузку и индикатор, иначе лампочка только индикатор. Тогда резистор должен иметь такую величину, чтобы суммарное сопротивление El 1-4 и параллельного ей резистора R 1-4 было порядка 1,6 Ом.Замена лампочки на светодиод недопустима.
Пример лампочки которая может быть использована в качестве нагрузки - это криптоновая лампочка для карманного фонаря на 2,4 В.
Внимание! Производители не гарантируют нормальную работу аккумуляторов при зарядных токах превышающих ток ускоренной зарядки I зар должен быть меньше емкости аккумулятора. Так для аккумуляторов емкостью 2500ма*час он должен быть ниже 2,5А.
Бывает, что NiMH элементы после разрядки имеют напряжение менее 1,1 В. В этом случае необходимо применить прием описанный в приведенной выше статье в журнале МИР ПК. Элемент или последовательная группа элементов подключается к источнику питания через автомобильную лампочку 21 Вт.
Еще раз обращаю Ваше внимание! У таких элементов обязательно надо проверить саморазряд! В большинстве случаев именно элементы с пониженным напряжением имеют повышенный саморазряд. Эти элементы проще выкинуть.
Зарядка предпочтительна индивидуальная для каждого элемента.
Для двух элементов напряжением 1,2 В зарядное напряжение не должно превышать 5-6В. При форсированной зарядке лампочка одновременно является индикатором. При снижении яркости лампочки можно проверить напряжение на NiMH элементе. Оно будет больше 1,1 В. Обычно, эта начальная, форсированная зарядка занимает от 1 до 10 минут.
Если NiMH элемент, при форсированной зарядке в течении нескольких минут не увеличивает напряжение, греется - это повод снять его с зарядки и отбраковать.
Рекомендую применять зарядные устройства только с возможностью тренировки (регенерации) элементов при перезарядке. Если нет таких, то через 5-6 рабочих циклов в аппаратуре, не дожидаясь полной потери емкости, производить их тренировку и отбраковывать элементы имеющие сильный саморазряд.
И они Вас не подведут.
В одном из форумов прокомментировали эту статью " написано тупо, но больше ничего нет ". Так Вот это не"тупо", а просто и доступно для выполнения на кухне каждому кто нуждается в помощи. Т.е. максимально просто. Продвинутые могут поставить контроллер, подключить компьютер, ...... , но это уже другая история.
Существуют "умные" зарядники для NiMH элементов.
Такой зарядник работает с каждым аккумулятор отдельно.
Он умеет:
- индивидуально работать с каждым аккумулятором в разных режимах,
- заряжать аккумуляторы в быстром и медленном режиме,
- индивидуальный ЖК дисплей для каздого аккумуляторного отсека,
- независимо заряжать каждый из аккумуляторов,
- заряжать от одного до четырех аккумуляторов разной емкости и типоразмера (АА или ААА),
- защищать аккумулятор от перегрева,
- защищать каждый аккумулятор от перезарядки,
- определение окончание зарядки по падению напряжения,
- определять неисправные аккумуляторы,
- предварительно разряжать аккумулятор до остаточного напряжения,
- восстанавливать старые аккумуляторы (тренировка заряд-разряд),
- проверять емкость аккумуляторов,
- отображать на ЖК дисплее: - ток заряда, напряжение, отражать текущую емкость.
Самое главное, ПОДЧЕРКИВАЮ , данного типа устройства позволяют работать индивидуально с каждым аккумулятором.
По отзывам пользователей такое зарядное устройство позволяет восстановить большинство запущенных аккумуляторов, а исправные эксплуатировать весь гарантированный срок эксплуатации.
К сожалению я таким зарядником не пользовался, поскольку в провинции его купить просто невозможно, но в форумах Вы можете найти много отзывов.
Главное не заряжайте на больших токах, не смотря на заявленный режим с токами 0,7 - 1А, это все же малогабаритное устройство и может рассеять мощность 2-5 Вт.
Любое восстановление NiMh аккумуляторов строго индивидуальная (с каждым отдельным элементом) работа. С постоянным контролем и отбраковкой элементов не принимающих зарядку.
И лучше всего заниматься их восстановлением с помощью интеллектуальных зарядных устройств, которые позволяют индивидуально выполнять отбраковку и цикл заряд - разряд с каждым элементом. А поскольку таких устройств автоматически работающих с аккумуляторами любой емкости не существует, то они предназначены для элементов строго определенной емкости или должны иметь управляемые токи зарядки, разрядки!
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 |
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 | |
Никель-металлогидридные (Ni─MH) аккумуляторы относятся к группе щелочных. Это химические источники тока, в которых в роли анода выступает водородный металлогидридный электрод, катода ─ оксид никеля, а электролитом является щёлочь гидроксид калия (KOH). Ni─MH аккумуляторы имеют конструкцию, аналогичную Ni─Cd аккумуляторам. По протекающим в них процессам они похожи на никель-водородные аккумуляторы. По своей удельной энергоёмкости никель─металлогидридные превосходят оба этих типа. В этой статье мы подробно разберём устройство и характеристики Ni─MH аккумуляторы, также их плюсы и минусы.
Никель-металлогидридные начали создавать ещё в середине прошлого века. Они разрабатывались с учётом преодолеть те недостатки, которые имели . Во время проводимых исследований учёные разработали новые никель─водородные батареи, применяемые в космической технике. Им удалось разработать новый способ накопления водорода. В новом типе аккумуляторов водород собирался в определённых материалах, а точнее сплавах некоторых металлов. Эти сплавы могли накапливать объем водорода, в тысячу раз превышающий их собственный объем. В состав сплавов входили 2 или более металлов. Один из них накапливал водород, а другой выступал в роли катализатора, который обеспечивал переход атомов водорода в металлическую решётку.
В 1975 году Билл получил патент на сплав LaNi5. Это был первый образец никель─металлогидридного аккумулятора, где этот сплав был в роли активного вещества. Что касается более ранних экземпляров из других металлогидридных сплавов, то там не была обеспечена требуемая ёмкость.
Промышленный выпуск Ni─MH аккумуляторов был организован лишь в середине восьмидесятых годов, когда был получен сплав состава La─Ni─Co. Он позволял проводить обратимое абсорбирование водорода больше ста циклов. В дальнейшем все усовершенствования конструкции Ni─MH аккумуляторных батарей сводились к наращиванию энергетической плотности.
В дальнейшем был заменён отрицательный электрод, что дало увеличение активной массы плюсового электрода в 1,3─2 раза. Именно от плюсового электрода и зависит ёмкость этого типа аккумуляторов. Ni─MH аккумуляторы обладают более высокими удельными энергетическими параметрами, чем никель─кадмиевые.
Помимо высокой энергетической плотности никель-металлогидридных аккумуляторных батарей, они ещё состоят из нетоксичных материалов, что упрощает их эксплуатацию и утилизацию. Благодаря этим факторам аккумуляторы Ni─MH стали успешно распространяться. Дополнительно можете прочитать про для автомобиля.
Ni─MH аккумуляторы широко применяются для питания различной электроники, работающей в автономном режиме. В большинстве своём они выполняются в виде АА или ААА батарей. Хотя есть и другие исполнения, в том числе, промышленные аккумуляторные батареи. Сфера применения у них практически полностью совпадает с никель─кадмиевыми и даже шире, поскольку они не содержат токсичных материалов.
Продаваемые на рынке никель─металлогидридные аккумуляторы можно разделить на две большие группы по ёмкости:
Первая группа (1500-3000 мАч) используется в различных устройствах, которые имеют высокое энергопотребление за короткий промежуток времени. При этом, как правило, отсутствует предварительное хранение батареек. В качестве примера можно привести такие устройства, как плееры, фотоаппараты, радиоуправляемые модели и другие гаджеты, где энергия аккумулятора Ni─MH расходуется за короткое время .
Вторая группа (300-1000 мАч) подходит, когда расход энергии начинается после определённого временного интервала. Примером могут служить ручные фонарики, рации, игрушки, GPS-навигаторы и других устройств с умеренным энергопотреблением, долгое время находящихся в автономном режиме.
В этой конструкции разноимённые электроды разделены сепаратором. Все вместе они свёрнуты в рулон. Он помещается в корпус и герметизируется крышкой со специальной прокладкой. В крышке сделан аварийный клапан, рассчитанный на открытие при возрастании давления внутри аккумулятора до 2─4 МПа. На рисунке ниже показана конструкция никель─металлогидридного цилиндрического аккумулятора.
В Ni─MH аккумуляторах призматической формы поочерёдное размещение разноимённых электродов. Их также разделяет сепаратор. Сборка электродов находится в металлическом или пластиковом корпусе, который закрывается герметичной крышкой. В крышке в большинстве случаев ставится датчик или клапан давления. Ниже представлена конструкция никель-металлогидридного аккумулятора призматической формы.
В никель-металлогидридных аккумуляторных батареях в роли электролита выступает щёлочь. По составу это КОН с добавлением LiOH. Материал сепаратора в большинстве случаев это нетканый полиамид и полипропилен, обработанные смачивателем. Толщина сепаратора от 0,12 до 0,25 миллиметров.
Положительный электрод Ni─MH аккумуляторов выполняется из тех же материалов, что используются в Ni─Cd аккумуляторных батареях. Это оксидно─никелевая металлокерамика, пенополимерные и войлочные материалы.
Отрицательные электроды для Ni─MH аккумуляторов могут быть следующих вариантов:
Удельные ёмкости у всех этих вариантов электродов близки по значению. Они зависят в основном от ёмкости используемого сплава. Теперь стоит несколько подробнее рассмотреть конструкцию разных электродов никель─металлогидридных аккумуляторов.
Основной материал, который определяет характеристики Ni─MH аккумуляторов, это сплав, поглощающий водород. Он может абсорбировать объем водорода в тысячу раз больший, чем его собственный объем . Наиболее распространённым сплавом для производства металловодородных электродов стал LaNi5. Так обозначается группа сплавом, где никель частично заменён на кобальт, марганец и алюминий. Это сделано для увеличения его активности и стабильности. В целях экономии ряд производителей используют не лантана, а Мm (миш-металл). Он представляет собой смесь редкоземельных элементов в соотношении, близком к тому, что есть в природной руде. Там кроме La есть неодим, церий, празеодим.
Во время прохождения цикла заряд-разряд кристаллическая решётка сплава сжимается и расширяется на 15─25 процентов. Это обусловлено процессами десорбции и абсорбции водорода. В результате растёт внутреннее напряжение и в сплаве образуются трещины. Из-за образования трещин растёт площадь поверхности, подвергающейся коррозии из-за реакции со щёлочью (электролит). В результате происходит постепенное снижение разрядной ёмкости отрицательного электрода.
Поскольку в аккумуляторной батарее имеется ограниченное количество электролита, все описанные процессы порождают проблемы, которые связаны с его перераспределением. В результате коррозии сплава его поверхность становится химически пассивной. На ней образуются оксиды и гидроксиды, стойкие к коррозии. Они увеличивают перенапряжение при реакции на металлогидридном электроде. Продукты коррозии образуются с потреблением водорода и кислорода из щелочи. Это ведёт к уменьшению количества электролита в батарее и увеличению её внутреннего сопротивления. Все эти процессы отрицательно сказываются на сроке эксплуатации Ni─MH аккумуляторов.
Чтобы снизить нежелательные процессы коррозии и диспергирования, производители используют 2 методики. Первая включает в себя микрокапсулирование частиц сплава. Это значит, что поверхность покрывается пористым слоем меди или никеля малой толщины (5─10 процентов). Более распространена вторая методика. Эта технология подразумевает обработку частиц сплава в щелочном растворе. В результате образуется защитная плёнка, которая проницаема для водорода.
Оксидно-никелевые электроды можно встретить в следующих исполнениях:
Всё большую популярность обретают пенополимерные и безламельные войлочные электроды.
Конструктивно ламельные оксидно─никелевые электроды состоят из соединённых ламелей. Ламель – это перфорированные коробочки из тонкой стальной никелированной ленты. Её толщина составляет 0,1 миллиметра.
Металлокерамические спечённые электроды имеют пористую структуру металлокерамической основы. В порах, которых в основе не менее 70 процентов, находится активная масса. Материал основы – это карбонильный никелевый мелкодисперсный порошок (60─65 процентов) и карбонат аммония (или карбамид). Этот порошок напрессовывается, накатывается на сетку из никеля или стали. Также может выполняться его напыление.
Далее по технологии сетка с порошком проходит термообработку в атмосфере водорода. Температура при этом составляет 800─960 градусов Цельсия. Карбамид или карбонат аммония разлагается и происходит спекание никеля. В результате получается основа толщиной 1─2,3 миллиметра. Пористость получаемой основы составляет 80─85 процентов, а радиус пор равен 5─20 микрометров. Далее полученная основа пропитывается нагретым до 60─90 градусов раствором сульфата или нитрата никеля. А затем ещё делается пропитка раствором щелочи, осаждающей оксиды и гидроксиды никеля.
На современных производствах применяется электрохимическая технология пропитки. Электрод в растворе нитрата никеля подвергают катодной обработке. В результате в порах выделяется водород и пластины подщелачиваются. В порах пластины происходит осаждение гидроксидов и оксидов никеля.
Фольговые электроды являются разновидностью спечённых электродов. Их производят следующим образом. На перфорированную ленту из никеля толщиной около 0,05 миллиметра с двух сторон наносится спиртовая эмульсия никелевого карбонильного порошка со связующими веществами. Далее проводится спекание и пропитка реагентами (химическая или электрохимическая). Толщина электрода равна 0,4─0,6 миллиметра.
Прессованные электроды производятся путём напрессовки на ленту или сетку из стали активной массы. Давление при этом составляет 35─60 МПа. В качестве активной массы используется смесь гидроксидов никеля и кобальта, графита, связующих веществ.
Есть технология, где вместо войлока используют пеноникель. Его делают никелированием пенополиуретана и дальнейшим отжигом в восстановительной атмосфере.
В высокопористую среду вносят добавки посредством намазки. Это паста, включающая в себя гидроксид никеля со связкой. Далее основу сушат и вальцуют. Электроды металловойлочного и пеноникелевых типов имеют высокую удельную ёмкость и существенный ресурс работы.
Как уже разбиралось выше, в Ni─MH аккумуляторе положительный электрод оксидно─никелевый также, как в Ni─Cd батареях. А вот отрицательный электрод вместо кадмиевого используется из никелевого сплава с добавлением редкоземельных элементов.
Какие реакции протекают в Ni─MH аккумуляторах?
На оксидно-никелевом электроде (положительный) протекает реакция:
При заряде
Ni(OH) 2 + OH −- ⇒ NiOOH + H 2 O + e −
При разряде
NiOOH + H 2 O + e − ⇒ Ni(OH) 2 + OH −
На электроде из никелевого сплава (отрицательный) протекает реакция:
При заряде
M + H 2 O + e − ⇒ MH + OH −-
При разряде
MH + OH − ⇒ M + H 2 O + e −
Суммарная реакция, протекающая в Ni─MH аккумуляторе, выглядит следующим образом:
При заряде
Ni(OH) 2 + M ⇒ NiOOH + MH
При разряде
NiOOH + MH ⇒ Ni(OH) 2 + M
При этом щелочной электролит не принимает участия в реакции образования тока.
После того, как при заряде аккумулятора до уровня 70─80 процентов на оксидно─никелевом запускается выделение кислорода в соответствии со следующей реакцией:
2OH − ⇒ 1/2O 2 + H 2 O + 2e −
На отрицательном электроде происходит реакция восстановления этого кислорода:
1/2O 2 + H 2 O + 2e − ⇒ 2OH −
Так описывается процесс перезарядки никель─металлогидридного аккумулятора. Эти реакции образуют собой замкнутую циркуляцию кислорода. В процессе восстановления кислорода происходит увеличение ёмкости металлогидридного электрода благодаря выделению группы ОН − .
Основные параметры никель─металлогидридных и никель─кадмиевых аккумуляторов приводятся в следующей таблице.
| Характеристика | Ni-Cd | Ni-MH | Ni-H2 |
|---|---|---|---|
| Характеристика | Ni-Cd | Ni-MH | Ni-H2 |
| Энергетическая плотность, Вт-ч/кг | 45-80 | 60-120 | - |
| Внутреннее сопротивление (при 6 В), мОм | 100-200 | 200-300 | - |
| Число циклов заряд-разряд до падения ёмкости 80 процентов от номинала | 1500 | 300-500 | 2000-3000 |
| Время быстрой зарядки, часы | 1 | 2-4 | - |
| Устойчивость к перезаряду | средняя | низкая | - |
| Саморазряд при комнатной температуре | 20% в месяц | 30% в месяц | 20-30% за сутки |
| Номинальное напряжение, В | 1,25 | 1,25 | 1,25 |
| Оптимальный ток нагрузки | 1С | до 0,5С | - |
| Пиковый ток нагрузки | 20С | 5С | - |
| Рабочая температура (разряд), С | от -40 до +60 | от -20 до +60 | от -20 до +30 |
| Периодичность обслуживания (тренировка), дней | 30-90 | 30-90 | - |
| Появление в продаже | 1950 | 1990 | - |
| Срок службы, лет | 1-5 | 1-5 | 2-7 |
| Удельная энергия, Вт-ч/литр | 60-120 | 100-270 | 60-80 |
При повышении нагрузки и понижении температуры ОС ёмкость никель─металлогидридного аккумулятора снижается в соответствии с графиком ниже.
Эффект снижения ёмкости особенно заметен при существенной скорости разряда в области отрицательных температур.
Номинальное разрядное напряжение (U р) обычно находится в пределах 1,2─1,25 вольта при токе разряда (I р), определяемом по формуле:
I p = 0,1─0,2С, где
С — номинальная ёмкость батареи при температуре 25 градусов Цельсия.
Конечное напряжение разряда составляет 1 вольт. Как можно видеть на графике ниже, напряжение снижается при возрастании нагрузки.
Величину этого параметра Ni─MH аккумуляторов определить достаточно сложно. Это определяется тем, что равновесный потенциал оксидно─никелевого электрода во многом зависит от степени окисленности Ni.
Важную роль играет и равновесный потенциал отрицательного электрода, который определяется степенью насыщенности водородом. Спустя сутки после заряда батареи напряжение разомкнутой никель-металлогидридного аккумулятора находится в пределах 1,30─1,35 вольта.
Во время хранения Ni─MH аккумулятора, как и в случае других типов батарей, имеет место явление саморазряда. При комнатной температуре за первый месяц хранения такой аккумулятор теряет 20─30 процентов ёмкости. В дальнейшем каждый месяц ёмкость никель─металлогидридного аккумулятора падает на 3─7 процентов в месяц. Интенсивность саморазряда возрастает с ростом температуры, как можно видеть на графике ниже.
