Nikkel-kaadmiumakud

Kahekümnenda sajandi teisel poolel olid ühed parimad laetavad keemilised energiaallikad nikkel-kaadmiumtehnoloogia abil valmistatud patareid. Neid kasutatakse oma töökindluse ja lihtsuse tõttu laialdaselt erinevates valdkondades.

Mis on nikkel-kaadmiumaku

Nikkel-kaadmiumakud on galvaanilised laetavad toiteallikad, mille leiutas 1899. aastal Rootsis Waldmar Jungner. Kuni 1932. aastani oli nende praktiline kasutamine väga piiratud, kuna kasutatavate metallide hind oli võrreldes pliiakudega kõrge.

Nende tootmistehnoloogia täiustused viisid nende jõudlusomaduste olulise paranemiseni ja võimaldasid 1947. aastal luua suurepäraste parameetritega suletud hooldusvaba aku.

Ni-Cd aku tööpõhimõte ja struktuur

Need patareid toodavad elektrienergiat kaadmiumi (Cd) pöörduva interaktsiooniprotsessi kaudu nikkeloksiid-hüdroksiidiga (NiOOH) ja veega, mille tulemusel tekivad nikkelhüdroksiid Ni(OH)2 ja kaadmiumhüdroksiid Cd(OH)2, mis põhjustab elektromotoorse jõu ilmnemise.

Ni-Cd akusid toodetakse suletud korpustes, mis sisaldavad neutraalse separaatoriga eraldatud elektroode, mis sisaldavad niklit ja kaadmiumi ning asuvad želatiinse leeliselise elektrolüüdi (tavaliselt kaaliumhüdroksiidi, KOH) lahuses.

Positiivne elektrood on terasvõrk või foolium, mis on kaetud nikkeloksiid-hüdroksiidi pastaga, mis on segatud juhtiva materjaliga.

Negatiivne elektrood on terasvõrk (foolium), millele on pressitud poorne kaadmium.

Üks nikkel-kaadmium-element on võimeline tootma umbes 1,2-voldist pinget, seega akude pinge ja võimsuse suurendamiseks kasutatakse nende konstruktsioonis paljusid paralleelselt ühendatud elektroode, mis on eraldajatega eraldatud.

Ni-Cd akude tehnilised omadused ja tüübid

Ni-Cd akudel on järgmised tehnilised omadused:

• ühe elemendi tühjenduspinge on umbes 0,9–1 volti;
• elemendi nimipinge on 1,2 V; 12 V ja 24 V pinge saamiseks on mitu elementi ühendatud järjestikku;
• täislaadimise pinge – 1,5–1,8 volti;
• töötemperatuur: -50 kuni +40 kraadi;
• laadimis-tühjendustsüklite arv: 100 kuni 1000 (kõige moodsamates akudes kuni 2000), olenevalt kasutatavast tehnoloogiast;
• isetühjenemise määr: 8–30% esimesel kuul pärast täielikku laadimist;
• erienergiamahtuvus – kuni 65 W*h/kilogramm;
• kasutusiga – umbes 10 aastat.

Ni-Cd akusid toodetakse erinevates standardsuuruses korpustes ja mittestandardsetes konstruktsioonides, sealhulgas ketas- ja suletud korpustes.

Kus kasutatakse nikkel-kaadmiumakusid?

Neid akusid kasutatakse seadmetes, mis tarbivad suurt voolutugevust ja kogevad töötamise ajal ka suuri koormusi järgmistel juhtudel:

• trollibussidel ja trammidel;
• elektriautodel;
• mere- ja jõetranspordi kohta;
• helikopterites ja lennukites;
• elektrilistes tööriistades (kruvikeerajad, puurid, elektrilised kruvikeerajad jne);
• elektrilised pardlid;
• sõjavarustuses;
• kaasaskantavad raadiojaamad;
• raadio teel juhitavates mänguasjades;
• sukeldumistuledes.

Praegu rangemate keskkonnanõuete tõttu enamik populaarse suurusega akusid (AA, AAA ja teised) toodetakse nikkel-metallhüdriid- ja liitiumioontehnoloogiate abil. Samal ajal on paljud erineva suurusega Ni-Cd akud, mis on toodetud mitu aastat tagasi, endiselt kasutusel.

Ni-Cd-elementidel on pikk kasutusiga, mis mõnikord ületab 10 aastat, ja seetõttu võib seda tüüpi akusid lisaks eespool loetletutele leida ka paljudest elektroonikaseadmetest.

Ni-Cd akude plussid ja miinused

Sellisel toiteallikal on järgmised positiivsed omadused:

• pikk kasutusiga ja laadimis-tühjendustsüklite arv;
• pikk kasutusiga ja ladustamisaeg;
• kiire laadimise võimalus;
• võime taluda suuri koormusi ja madalaid temperatuure;
• funktsionaalsuse säilitamine kõige ebasoodsamates töötingimustes;
• madal hind;
• võimalus hoida neid akusid tühjenenud olekus kuni 5 aastat;
• keskmine vastupidavus ülelaadimisele.

Samal ajal on nikkel-kaadmiumi toiteallikatel mitmeid puudusi:

• mäluefekti olemasolu, mis avaldub aku laadimisel mahutavuse kaotuses, ootamata selle täielikku tühjenemist;
• vajadus ennetava hoolduse järele (mitu laadimis-tühjendustsüklit) täisvõimsuse saavutamiseks;
• aku täielik taastamine pärast pikaajalist ladustamist nõuab kolme kuni nelja täielikku laadimis-tühjendustsüklit;
• kõrge isetühjenemine (umbes 10% esimesel hoiustamiskuul), mis viib aku peaaegu täieliku tühjenemiseni aasta jooksul pärast hoiustamist;
• madal energiatihedus võrreldes teiste toitainetega;
• kaadmiumi kõrge toksilisus, mille tõttu on need paljudes riikides, sealhulgas ELis, keelatud, vajadus selliste patareide utiliseerimiseks spetsiaalse varustuse abil;
• suurem kaal võrreldes tänapäevaste akudega.

Ni-Cd ja Li-Ion või Ni-Mh allikate erinevus

Nikli ja kaadmiumi sisaldavate aktiivsete komponentidega akudel on mitmeid erinevusi moodsamatest liitiumioon- ja nikkel-metallhüdriidtoiteallikatest:

• Ni-Cd elemendid, erinevalt Li-ioon Ja Ni-Mh valikud, millel on mäluefekt, millel on samade mõõtmetega väiksem erimaht;
• NiCd allikad on tagasihoidlikumad, säilitavad funktsionaalsuse väga madalatel temperatuuridel ning on mitu korda vastupidavamad ülelaadimisele ja tugevale tühjenemisele;
• Li-ioon- ja Ni-Mh-akud on kallimad, vastuvõtlikumad ülelaadimisele ja sügavale tühjenemisele, kuid neil on madalam isetühjenemine;
• Li-ioonakude kasutusiga ja säilivusaeg (2-3 aastat) on mitu korda lühem kui Ni-Cd toodetel (8-10 aastat);
• NiCd-akud kaotavad puhverrežiimis (nt UPS-is) kasutamisel kiiresti mahtuvuse. Kuigi neid saab täielikult taastada sügava tühjenemise ja laadimise teel, on parem mitte kasutada NiCd-tooteid seadmetes, kus neid pidevalt laetakse;
• Ni-Cd ja Ni-Mh akude laadimisrežiimi sarnasus võimaldab kasutada samu laadijaid, kuid tuleb arvestada asjaoluga, et nikkel-kaadmiumakudel on tugevam mäluefekt.

Olemasolevate erinevuste põhjal on võimatu teha selget järeldust, millised patareid on paremad, kuna kõigil elementidel on nii tugevused kui ka nõrkused.

Kasutusreeglid

Töötamise ajal toimub Ni-Cd toiteallikates mitmeid muutusi, mis põhjustavad jõudluse järkjärgulist halvenemist ja lõpuks funktsionaalsuse kadu:

• elektroodide kasulik pindala ja mass vähenevad;
• elektrolüüdi koostis ja maht muutuvad;
• eraldaja ja orgaanilised lisandid lagunevad;
• vesi ja hapnik kaovad;
• Voolulekked ilmnevad kaadmiumi dendriitide kasvu tõttu plaatidel.

Aku töötamise ja ladustamise ajal tekkivate kahjustuste minimeerimiseks on vaja vältida aku kahjulikke mõjusid, mis on seotud järgmiste teguritega:

• Täislaetud aku laadimine põhjustab selle mahutavuse pöörduva vähenemise, mis on tingitud toimeaine kogupindala vähenemisest kristallide moodustumise tagajärjel;
• regulaarne tugev ülelaadimine, mis põhjustab ülekuumenemist, suurenenud gaaside moodustumist, vee kadu elektrolüüdis ning elektroodide (eriti anoodi) ja separaatori hävimist;
• aku enneaegne tühjenemine, mis põhjustab alalaemist;
• Pikaajaline töötamine väga madalatel temperatuuridel põhjustab elektrolüüdi koostise ja mahu muutust, aku sisetakistus suureneb ja selle jõudlusomadused halvenevad, eriti väheneb mahtuvus.

Aku sees oleva rõhu tugeva suurenemise tõttu kiire laadimise tagajärjel suure voolutugevusega ja kaadmiumi katoodi tugeva lagunemise tagajärjel võib akus eralduda liigne vesinik, mis viib rõhu järsu suurenemiseni, mis võib korpust deformeerida, häirida montaažitihedust, suurendada sisemist takistust ja vähendada tööpinget.

Akudes, mis on varustatud avariirõhuventiiliga, saab deformatsiooniohtu vältida, kuid aku keemilise koostise pöördumatuid muutusi ei saa vältida.

Ni-Cd akusid tuleks laadida vooluga 10% (kui spetsiaalsetes akudes on vaja kiiret laadimist - vooluga kuni 100% 1 tunniga) nende mahutavusest (näiteks 100 mA mahutavusega 1000 mAh) 14-16 tunni jooksul. Parim tühjendusviis on vooluga, mis võrdub 20%-ga aku mahutavusest.

Kuidas taastada Ni-Cd akut

Nikkel-kaadmiumi toiteallikaid saab mahtuvuse kadumise korral peaaegu täielikult taastada täieliku tühjenemise (kuni 1 volt elemendi kohta) ja sellele järgneva standardrežiimis laadimise abil. Sellist aku treenimist saab mahtuvuse täielikuks taastamiseks mitu korda korrata.

Kui akut ei ole võimalik tühjendamise ja laadimise teel taastada, võite proovida seda taastada lühikeste vooluimpulsside (kümneid kordi suuremate kui taastatava elemendi mahtuvus) rakendamisega mitme sekundi jooksul. See efekt kõrvaldab aku elementide sisemise lühise, mis tekib dendriitide kasvu tõttu nende tugeva vooluga läbipõletamise teel. On olemas spetsiaalsed tööstuslikud aktivaatorid, mis sellist efekti täidavad.

Selliste akude algse mahutavuse täielik taastamine on elektrolüüdi koostise ja omaduste pöördumatute muutuste, samuti plaatide lagunemise tõttu võimatu, kuid see võimaldab pikendada kasutusiga.

Koduse taastumise meetod koosneb järgmistest toimingutest:

• vähemalt 1,5 ruutmillimeetri ristlõikega traadi abil ühendage taastatava elemendi miinus võimsa aku, näiteks autoaku või UPS-i katoodiga;
• teine ​​juhe on kindlalt kinnitatud ühe aku anoodi (plusspooluse) külge;
• 3-4 sekundi jooksul puudutage teise juhtme vaba otsaga kiiresti vaba positiivset klemmi (sagedusega 2-3 puudutust sekundis). Sellisel juhul on vaja vältida juhtmete keevitamist ristmikul;
• taastatava allika pinge kontrollimiseks kasutatakse voltmeetrit; kui see puudub, viiakse läbi teine ​​taastamistsükkel;
• kui akule ilmub elektromotoorjõud, pannakse see laadima;

Lisaks võite proovida aku dendriite hävitada, külmutades neid 2-3 tundi ja seejärel neid teravalt koputades. Külmumisel muutuvad dendriidid hapraks ja hävivad löögi tõttu, mis teoreetiliselt võib aidata neist lahti saada.

On ka äärmuslikumaid taastamismeetodeid, mis hõlmavad vanadele elementidele destilleeritud vee lisamist nende korpuse avamise teel. Kuid selliste elementide tiheduse täielik tagamine tulevikus on väga problemaatiline. Seetõttu ei ole väärt säästmist ja oma tervise seadmist kaadmiumiühenditega mürgistuse ohtu mitme töötsükli võitmise tõttu.

Säilitamine ja utiliseerimine

Nikkel-kaadmiumakusid on parem hoida tühjenenud olekus madalal temperatuuril kuivas kohas. Mida madalam on selliste akude säilitustemperatuur, seda vähem on neil isetühjenemist. Kvaliteetseid mudeleid saab säilitada kuni 5 aastat ilma nende tehniliste omaduste olulise kahjustamiseta. Nende kasutuselevõtuks piisab laadimisest.

Ühes AA-patareis sisalduvad kahjulikud ained võivad reostada umbes 20 ruutmeetrit territooriumi. Ni-Cd-patareide ohutuks utiliseerimiseks tuleb need anda taaskasutuskeskustesse, kust need saadetakse tehastesse, kus need tuleb hävitada spetsiaalsetes suletud ahjudes, mis on varustatud mürgiseid aineid püüdvate filtritega.