[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Натрий никель-хлоридные аккумуляторы (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. В настоящее время аккумуляторы ZEBRA производятся швейцарской компанией MES DEA, и доступны для покупки. Основным разработчиком натрий никель-хлоридных аккумуляторов является Beta Research & Development Ltd. в Великобритании. В этой статье вы сможете почерпнуть сведения о внутреннем строении аккумуляторов и батареи ZEBRA, данные взяты с сайта разработчика: Beta Research & Development Ltd.

Начнем с внутреннего устройства аккумуляторного элемента натрий никель-хлоридной батареи. Внешне элемент представляет собой стальной прямоугольный параллепипед, в него засыпается металический натрий (материал отрицательного электрода), вставляется керамическая трубка из бета-глинозема, являющаяся одновременно и изолятором между положительным и отрицательным электродами, и твердым электролитом, проницаемым для ионов натрия. В керамический сепаратор засыпаеся материал положительного электрода: хлорид никеля (II) и хлорид железа (II), порошок аллюмохлорида натрия и вставляется контактная пластина, вывод которой располагается на торце аккумуляторного элемента.

Поскольку все материалы электродов являются твердыми веществами при нормальных условиях, то для работы аккумулятор следует держать в разогретом до 300°C состоянии.

Остановимся немного на проблеме керамического сепаратора. Так как он являеся твердым электролитом в системе натрий никель-хлоридного аккумулятора, то он лимитирует скорость переноса ионов натрия между электродами (в твердом веществе скорость передвижения намного меньше, чем в расплаве). Первые сепараторы из бета-глинозема были круглой в сечении формы, что не позволяло получить большую мощность от аккумулятора. В современных батареях ZEBRA используются сепараторы в виде четырехлистника на разрезе, что позволило отнимать на 50% больше мощности за счет увеличения площади поверхности и уменьшения расстояния, необходимого для преодоления ионами натрия внутри электродов.

Стойкость керамического сепаратора определяет длительность жизни аккумулятора. Со временем сепаратор разрушается, что ведет к реакции между хлоридом никеля и натрием, с образованием поваренной соли и никеля. Данная смесь достаточно хорошо электропроводна, так что при отказе десятка-другого из нескольких сотен аккумуляторов не происходит серьезного снижения характеристик батареи. На данный момент, при постоянном поддержании рабочей температуры, аккумуляторная батарея ZEBRA выдерживает более 7 лет эксплуатации и более 1000 полных циклов заряда/разряда. Из-за керамического сепаратора аккумулятор может выдержать 50 циклов нагрева/охлаждения.

Теперь разберем устройство положительного электрода. Современные аккумуляторы ZEBRA являются не чисто натрий никель-хлоридными, а натрий никель-железо-хлоридными. Введение хлорида железа в состав положительного электрода способствует более низкому внутреннему сопротивлению аккумулятора. Также при разряде чисто натрий никель-хлоридной системы в конце разряда резко падает выходная мощность (почти в 2 раза). При добавлении хлорида железа удается избежать данного эффекта. Почему это происходит? Рассмотрим уравнения электрохимических реакций на положительном электроде обеих систем:

NiCl₂ + 2Na⁺ + 2e^- → Ni + 2NaCl

FeCl₂ + 2Na⁺ + 2e^- → Fe + 2NaCl

Легко можно заметить, что реакции индентичны. Однако есть малое и существенное отличие: напряжение, выдаваемое первой реакцией 2,58В, а второй – 2,35В. Таким образом, при введении железного "допинга" в конце разряда удается поддержать мощность, выдаваемую аккумулятором на приемлемом уровне. Это важно, поскольку для аккумуляторов ZEBRA характерна относительно низкая плотность мощности.

Утилизация аккумуляторов ZEBRA очень проста – их можно отправлять на переплавку без какого-либо размонтирования. В результате переплавки образуется железо-никелевый сплав, который может использовать сталелитейная промышленность. Даже при простом выбрасывании батарея ZEBRA мало опасна для окружающей среды (основные компоненты и стальной корпус для окружающей среды либо малотоксичны либо вообще нетоксичны).

Отдельный аккумуляторный элемент не представляет большого практического интереса – работа при высокой температуре, низкий параметр выходной мощности и относительно небольшая емкость не позволяют всерьез говорить о его использовании для какого-либо применения, кроме научного. И, в то же время, ситуация коренным образом меняется, если собрать несколько сотен аккумуляторов ZEBRA в батарею.

Что собой представляет аккумуляторная батарея ZEBRA? – Типичный представитель – ZEBRA Z5C. Внешний корпус батареи представляет собой стальной двустенный корпус, между стенками которого создан вакуум. Такой термос позволяет избежать большого рассеяния тепла батареей (в нормальных условиях рассеивается около 100Вт тепла), что важно не только для функционирования аккумуляторов ZEBRA, но и для обеспечения безопасности использования. Внутри корпуса находятся 216 аккумуляторных элемента ML3. Благодаря большому количеству элементов обеспечивается емкость в 16КВт*ч (при двухчасовом разряде), напряжение в 278 или 557В и максимальная выдаваемая мощность 32КВт.

Для поддержания постоянства внутренней температуры внутри корпуса батареи ZEBRA имеется нагреватель и система воздушного охлаждения. Для разогрева аккумуляторов до рабочей температуры нагревателю требуется около суток. Потом нагреватель поддерживает температуру на рабочем уровне (выше 270°C) за счет энергии батареи. При разряде выделяется около 10% от выданой энергии, что требует охлаждения аккумуляторов до температуры ниже максимальной рабочей (350°C).

Для поддержки правильной работы аккумуляторной батареи ZEBRA встроена умная система управления. Система поддерживает внутреннее состояние батареи на оптимальном уровне, автоматически отключает питание при отсутствии нагрузки и в критических ситуациях (имеется встроенный датчик крушения). Вся система может управляться через последовательный порт компьютера с Windows. Доступна не только функция мониторинга состояния батареи в реальном времени, но и возможность тюнинга параметров аккумуляторной батареи под конкретную область применения.

Надеюсь, что эта статья позволила вам узнать больше о таких очень перспективных для электротранспорта источниках тока, как натрий никель-хлоридные аккумуляторы ZEBRA. Для электромобилей производство дешевых вторичных источников тока жизненно необходимо (из-за требуемого большого запаса энергии на борту). Рост цен на свинец и литий всвязи с возрастающим потреблением этих металов для аккумуляторной промышленности требует появления дешевой конкурентной технологии. Радует, что у нас уже есть реально работающие конкуренты распространенных химических источников тока для электромобилей – аккумуляторы ZEBRA. Это еще не последняя статья о NaNiCl аккумуляторах, так что заходите...

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Натрий никель-хлоридные аккумуляторы (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. Аккумуляторы ZEBRA являются продолжателями идеи горячих натрий-серных аккумуляторов. Основной причиной отказа от натрий-серных аккумуляторов в пользу натрий никель-хлоридных явился факт высокой коррозии керамического твердого электролита в натрий серных аккумуляторах в процессе циклирования, что приводило к малому сроку жизни батарей.

В настоящее время аккумуляторы ZEBRA производятся швейцарской компанией MES DEA, и доступны для покупки. О других производителях аккумуляторов ZEBRA известно мало, и их продукция пока недоступна на рынке. Основным разработчиком натрий никель-хлоридных аккумуляторов является Beta Research & Development Ltd. в Великобритании.

Для электромобилей нужны аккумуляторные батареи с высокой удельной емкостью и низкой ценой за КВт*ч запасенной электроэнергии. Также желательно, чтобы батареи имели большой срок эксплуатации и большое количество циклов заряда/разряда, а также могли быстро заряжаться. Аккумуляторы ZEBRA потенциально могут превзойти основные, используемые в данный момент, батареи для электромобилей по всем показателям.

В натрий никель-хлоридных аккумуляторах используются дешевые составляющие – расплавленный натрий, хлорид никеля (II), керамический твердый электролит и расплавленный аллюмохлорид натрия (NaAlCl₄) в качестве жидкого электролита. Для работы данного аккумулятора необходимо поддерживать внутреннюю температуру на уровне 270-350°C. Поэтому аккумуляторные батареи ZEBRA имеют в своем составе нагреватель, воздушный охладитель и упакованы в стальной двустенный термоизолирующий корпус, между стенками которого имеется вакуумная прослойка.

Необходимость термоизоляции диктует большой размер самой батареи ZEBRA: типичный представитель – Z5C – весит 195кг и запасает 16,8КВт*ч электроэнергии. Чем больше объем, тем меньше удельная площадь для рассеивания тепла, тем меньше требуется энергии для поддержания рабочей температуры на уровне 300°C. Размеры аккумуляторной батареи ZEBRA диктуют ее применение – электротранспорт.

Для правильной работы аккумуляторной батареи ZEBRA необходим умная система управления батареей, и она там есть!.. Система поддерживает внутреннее состояние батареи на оптимальном уровне, автоматически отключает питание при отсутствии нагрузки и в критических ситуациях (имеется встроенный датчик крушения). Вся система может управляться через последовательный порт компьютера с Windows. Доступна не только функция мониторинга состояния батареи в реальном времени, но и возможность тюнинга параметров аккумуляторной батареи под конкретную область применения. Чем хороша подобная система, что MES DEA предоставляет удаленную поддержку для своих аккумуляторов ZEBRA – квалифицированный инженер из Швейцарии может через механизм удаленного помощника Windows помочь настроить аккумуляторную батарею в любой точке мира, где есть доступ в Интернет.

Благодаря тому, что твердый электролит, разделяющий анод и катод, является изолятором, батареи ZEBRA имеют нулевой уровень саморазряда. Ирония ситуации состоит в том, что на поддержание рабочей температуры натрий никель-хлоридного аккумулятора Z5C контроллеру необходимо тратить от 100 до 120Вт энергии, что приводит полностью заряженный аккумулятор к полному разряду за неделю.

Недостаток аккумулятора ZEBRA – высокая температура, в случае с электромобилем может служить также и преимуществом – при нагрузке выделяется дополнительно до 10% тепловой энергии от потребляемой мощности, что для зимних условий означает до 600-1000Вт тепла для малого электромобиля безвредно для дальности пробега. Те же 100Вт тепла при стоянке обеспечат минимальный обогрев сидений и салона в зимних условиях.

Безопасность аккумуляторов ZEBRA не ниже, чем у бака с бензином обычного автомобиля с ДВС. Это не голословное утверждение – кроме двойного термоизолирующего корпуса, каждый аккумуляторный элемент в батарее имеет собственную стальную оболочку. При краш-тестах батареи ZEBRA выдерживали удар на скорости 50км/ч о стальной столб, при этом в корпусе образовывалась вмятина на 15см, и были трещины на 2/3 наружного корпуса. После соударения температура внутри батареи достигала 700°C, в результате поглощения кинетической энергии и реакции между хлоридом никеля и натрием. Однако из-за того, что в процессе этой реакции не возникает газо- и парообразования (в отличие от натрий-серных аккумуляторов), горячие продукты реакции (поваренная соль и никель) не выходили за пределы корпуса и внешняя поверхность оставалась терпимо горячей. Также проводились тесты нагревания батареи – облитая бензином и подожженная, батарея ZEBRA спокойно выдерживала 2 часа нахождения в огне. Опасность термического поражения возникает в случае, когда внешний корпус разрушается настолько, что аккумуляторные элементы выпадают наружу. Однако такая ситуация приведет к гибели находящихся в автомобиле, поскольку, когда на очень прочную батарею внутри корпуса электромобиля воздействует сила, достаточная для полного разрушения этого корпуса, по пассажиры и водитель уже гарантировано представляют собой консервы. В этом случае, разницы между теплыми и горячими консервами лично я уже не вижу... Учитывая, что безопасность современных автомобилей высока настолько, что люди часто переносят удар автомобиля о фонарный столб на скорости 100км/ч без серьезных повреждений, то батарее ZEBRA при таком ударе вообще ничего не угрожает.

Резюме - преимущества и недостатки NiNaCl батарей:

Преимущества

• Высокая удельная емкость, сравнимая с литий-ионными аккумуляторами
• Низкая стоимость и широкая доступность основных материалов аккумулятора
• Большое время жизни аккумулятора – свыше 1000 полных циклов заряда/разряда и свыше 7 лет активной эксплуатации (такие характеристики по зубам далеко не каждому серийному аккумулятору)
• Высокая толерантность к выходу из строя отдельных аккумуляторных элементов в батарее (из-за очень низкого сопротивления вышедшего из строя элемента батарея безболезненно выдерживает до 5% потерь)
• Большой вольтаж (278,6В или 557В для Z5C ZEBRA батареи)
• Высокая безопасность
• Удобство управления, благодаря интеллектуальной системе управления батареи
• Отсутствие надобности в дополнительном обогревателе в зимних условиях
• Высокая экологическая безопасность – основные компоненты натрий никель-хлоридных аккумуляторов мало экологически опасны

Недостатки

• Низкая плотность мощности (но это не очень большой недостаток, так как из-за большого количества элементов Z5C ZEBRA может выдавать до 37КВт мощности)
• Необходимость поддержания высокой рабочей температуры внутри батареи диктует высокий расход энергии (около 100Вт для Z5C ZEBRA)
• Для разогрева холодной батареи и приведения ее в рабочее состояние необходимо не менее суток
• Аккумуляторы ZEBRA выдерживают не более 50 циклов нагрева/охлаждения
• Цена каждого киловат-часа емкости батареи составляет на сегодняшний день около 650USD (при заявленной себестоимости киловат-часа при крупносерийном производстве ниже, чем 150USD) – этот недостаток очень высок, так как из-за него электромобиль с батареями ZEBRA может только быть на равных по цене эксплуатации с бензиновыми автомобилями (и то в Европе, где дорого обходится бензин и экологические налоги).

В заключение хочется сказать, что натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи ZEBRA являются очень перспективными для электротранспорта, для чего они и были разработаны. Уже сейчас они используются в электробусах, яхтах, некоторых дорогих электромобилях. При использовании аккумуляторов ZEBRA для электромобиля реально достижим пробег на одной зарядке в 150км. Длительный срок жизни и хорошие показатели циклируемости ставят натрий никель-хлоридные аккумуляторы на одно из первых мест среди существующих аккумуляторов. На данный момент единственной существенной преградой является цена данного типа батарей. Как только произойдет снижение цены одного киловат-часа емкости батареи до уровня 300USD, что реально достижимо (себестоимость производства составляет меньше 150USD за 1КВт*ч), то электромобили среднего радиуса действия станут широко используемой реальностью. Остается только надеятся, что натрий никель-хлоридные аккумуляторы не повторят судьбу никель-металлгидридных собратьев (Texaco/Chevron выкупила патент на никель-металлгидридные батареи у General Motors и запретила производство крупногабаритных элементов до конца 2014 года – тогда заканчивается срок патента, это привело к отбрасыванию на исходные позиции использования свинцово-кислотных аккумуляторов для серийных недорогих электромобилей).

Смотрите также: Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA), особенности внутреннего строения и функционирования

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Первые работы по разработке электрохимических конденсаторов проводились в середине 19 века Гемгольцем. Тогда же им было тереоретически описано строение двойного электрического слоя на поверхности электродов и предсказание использования данного явления в устройствах для запасания энергии.

Первые практические результаты научных работ, связанных с применением суперконденсаторов относятся к середине 20 века, когда появился широкий круг материалов, позволяющих практически реализовать идею суперконденсатора. С другой стороны, разработку новых типов конденсаторов подстегивала потребность промышленности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом.

Работы по улучшению свойств электрохимических конденсаторов привели к появлению в конце 20 века суперконденсаторов с емкостью до 10Вт*ч/кг, что позволило использовать суперконденсаторы для нужд гибридного и электротранспорта.

В настоящий момент можно выделить несколько типов суперконденсаторных батарей по области применения для автомобилестроения:

• пусковые - подключаются параллельно стартерной аккумуляторной батареи для улучшения пусковых качеств и длительности жизни последней
• для поддержки питания мощных автомобильных акустических систем
• буфферные - для использования в гибридных автомобилях, отличаются относительно низкой емкостью и большой выходной мощностью
• тяговые - для применения в качестве основного источника питания электромобиля.

На момент описания статьи лучшие характеристики из представленных промышленных образцов суперконденсаторов были заявлены российскими компаниями ЭСМА и ИНКАР-М. Также производятся суперконденсаторы для нужд автотранспорта в Германии компанией Epcos. Следует отметить продукты фирм Maxwell Technologies, NessCap, Panasonic. Интересные разработки ведутся фирмой Evans Capacitor, где создан новый тип суперконденсаторов - гибридные суперконденсаторы.

Преимущества и недостатки суперконденсаторных батарей:

Преимущества

• наибольшая плотность мощности из всех разновидностей аккумуляторов - как объемная, так и весовая
• долговечность - свыше 10 лет и 100000 циклов заряда/разряда (уже подтвеждена практическим использованием суперконденсаторов)
• очень быстрый процесс заряда батарей - до 100% емкости от 15 до 40 минут (зависит, в основном, от возможностей зарядного устройства)
• необслуживаемость - суперконденсаторы герметичны
• относительно низкий показатель саморазряда - до 10% в месяц
• дружественность окружающей среде - большинство суперконденсаторов построены на основе активированного угля, щелочи, гидроксида никеля и никелевых элекродов, для суперконденсаторов на основе свинцовых электродов имеется уже отработанная технология переработки
• возможность работы при низких температурах без существенного снижения характеристик
• простота определения уровня заряда суперконденсатора - однозначная зависимость от уровня напряжения на конденсаторе

Недостатки

• вес - лучшие производимые суперконденсаторы имеют плотность энергии на уровне 10-12Вт*ч/кг, массовые - 5-6Вт*ч/кг
• большое падение напряжения при разряде
• высокая стоимость, до USD10 за килоджоуль накопленной энергии, но эта стоимость, в основном, определяется мелкосерийным процессом производства суперконденсаторов, и при росте спроса и появлении настоящей конкуренции может быть уменьшена в 7-10 раз

Copyright © Дмитрий Спицын, 2007.

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. В настоящее время они доступны для покупки, и все больше производителей электромобилей предлагают установку аккумуляторных батарей ZEBRA в качестве более дешевой и практичной замене литий-ионным аккумуляторам

На страницах этого сайта можно почерпнуть информацию, ранее не публиковавшеюся на русском языке:

• Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA) - описание, основные характеристики, положительные и отрицательные моменты
• Аккумуляторные батареи ZEBRA, особенности внутреннего строения и функционирования – несколько слов о конструкции высокотемпературных NaNiCl АКБ

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Читайте также: Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи – особенности конструкции и функционирования

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), и использование материалов, годных к вторичной переработке ("дружественность" природной среде).

NiMH батареи могут выдерживать меньшие мощностные нагрузки по сравнению с NiCd батареями. Использование при высокой нагрузке и хранение при повышенной температуре ведет к уменьшению срока жизни батареи. NiMH батареи подвержены бОльшему саморазряду, чем NiCd.

Для создателей электромобилей есть один большой облом: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина проста - корпорация Texaco выкупила патент на никель-металлгидридные батареи у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года (и кто же после этого скажет, что нет заговора нефтяных корпораций против электромобилестроения).

В заключение - преимущества и недостатки никель-металлгидридных батарей:

Преимущества

• бОльшая емкость на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
• меньшая выраженность эффекта "памяти" - циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
• простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
• экологически безопасны - возможна переработка

Недостатки

• ограниченное время жизни батареи - обычно около 500 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы 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, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40% 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)

Читайте также: Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи – особенности конструкции и функционирования

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Активные исследования в области никель-металлгидридных аккумуляторов начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных аккумуляторных батарей. Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

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 циклов "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.

Читайте также: Электрохимические процессы, протекающие внутри аккумуляторов

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы с этого года запрещены к производству в странах Евросоюза, эти неустанные труженики до сих пор используются во многих недорогих и мощных автономных устройствах (шуруповерты, электробритвы, фонари).

Даже если в инструкции по эксплуатации о типе аккумулятора устройства ничего не сказано, определить то, что именно никель-кадмиевый аккумулятор служит источником тока достаточно просто — чаще всего время зарядки указывается в диапазоне 5-12 часов и присутствует указание на необходимость самостоятельного отключение зарядного по истечению времени заряда.

Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для мощных автономных устройств. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузке без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристаллы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

Никель-кадмиевые аккумуляторы являются самыми «дуракоустойчивыми» из современных массовых аккумуляторов — для их использования не требуется даже системы мониторирования параметров аккумулятора, что определяет их использование в недорогих и мощных устройствах.

Зарядка малыми токами за 5-12 часов позволяет обойтись без каких-либо предосторожностей в виде систем контроля заряда-разряда. При перезаряде аккумулятор просто медленно будет терять емкость (на радость производителя). Необходимо помнить об этом при использовании «bad-boy» зарядных устройств (зарядных без механизма автоматического контроля заряда). Поэтому, лучше всего заряжать полностью разряженный аккумулятор и строго соблюдать время зарядки, что позволит сохранить емкость NiCd аккумулятора достаточно долгое время.

При использовании «быстрой» зарядки (со временем заряда менее 5 часов) желательно иметь зарядное устройство с температурным датчиком, поскольку при заряде повышается температура аккумулятора, вместе с температурой растет емкость, с ростом емкости зарядный прибор может перезарядить батарею свыше необходимого уровня, что приводит к еще большему росту температуры (явление «терморазгона» аккумулятора) и, как минимум, к ухудшению параметров батареи. Подобная ситуация существует и при заряде батареи при низких температурах. Температурный датчик позволяет сдвинуть параметры заряда в зависимости от температуры аккумулятора, а также отключить батарею от заряда при превышении скорости роста температуры выше 1 градуса Цельсия в минуту или по достижении температуры батареи в 60 градусов Цельсия что позволяет избежать трагических последствий терморазгона.

В качестве иллюстрации необходимости термодатчика в зарядном могу привести пример двухлетней давности заряда никель-кадмиевой батареи для профессионального шуруповерта на зарядном без термодатчика (на фото - это самое зарядное устройство), позволяющего заряжать батарею ускоренным темпом – за час. В то время была температура в квартире около 30°C, зарядное автоматически должно заряжать аккумулятор до достижения целевого напряжения и автоматически отключаться, что английским по-белому было сказано в инструкции в разделе безопасность. Утром первый аккумулятор из комплекта был заряжен без всяких эксцессов – через 50 минут зарядное отключилось, ближе к вечеру второй аккумулятор при заряде преподнес сюрприз: из-за отсутствия термодатчика в зарядном, батарея вошла в режим терморазгона. Так как заряд был ускоренным проблема была замечена поздно – когда аккумулятор пошел дымом и стал разбрызгивать горячий электролит. Быстро отключенный от сети зарядник удалось спасти. Аккумулятор же еще долго сопел в агонии, пытаясь причинить как можно больше вреда при отходе в мир иной, однако ему это не удалось и вред ограничился стоимостью самого аккумулятора – 15USD. С тех пор зарядное подключается к сети через таймер.

Несмотря на свои недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы до сих пор существуют среди нас. Надеюсь, немного теории и практического опыта, изложенного в статье, позволят читателю получить от никель-кадмиевого аккумулятора своего устройства максимум того, на что он способен.

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Изобретены шведом Вальдмаром Юнгнером (Waldmar Jungner) в 1899 году. В те времена материал для никель-кадмиевых аккумуляторных батарей был дорогим по сравнению с другими аккумуляторами и использование этого типа батарей ограничилось небольшим числом мест применения. Начало герметичным никель-кадмиевым батареям положило изыскание в 1932 году расположение активного материала внутри пористого никелевого электрода.

С 1947 стали серийно выпускаться герметичные никель-кадмиевые батареи, не сильно отличающиеся от современных. В этих батареях образующиеся при зарядке газы рекомбинируют и не выходят за пределы батареи, что исключает необходимость слежения за уровнем и периодического долива электролита.

Для никель-кадмиевыевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для такой мощностной нагрузки, как двигатель электромобиля. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузки без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.

Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристалы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.

На данный момент есть варианты замены кадмиевого электрода на менее токсичные компоненты (например, никель-металгидридные батареи), но по сравнению с никель-кадмиевыми батареями они несут меньшую емкость и плотность мощности и более дороги.

В заключение - преимущества и недостатки NiCd батарей:

Преимущества

• быстрый и простой процесс заряда, даже после длительного хранения
• большое количество циклов заряда/разряда при соблюдении правильного ухода - более 1000 циклов
• прекрасная переносимость большой мощностной нагрузки
• возможность длительного хранения - до 5 лет
• простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
• прекрасная сохранность показателей при низких температурах
• прощают полный разряд - по этому показателю NiCd акумуляторы наиболее надежный выбор из всех существующих
• экономически выгодны - представляют одну из наименьших цен на один цикл заряда/разряда

Недостатки

• относительно низкая плотность энергии
• эффект памяти - NiCd батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
• компоненты батареи токсичны для окружающей среды и переработка этих батарей затруднительна, из-за чего многие страны ограничивают их использование
• Относительно высокий саморазряд батарей

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]