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.
Как используются эти устройства
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:
- Первая применяется в устройствах, имеющих повышенное энергопотребление за короткое время. Это всевозможные плееры, модели с радиоуправлением, фотоаппараты, видеокамеры. В общем, приборы, быстро расходующие энергию.
- Вторая используется при расходе энергии, который начинается после определенного интервала времени. Это игрушки, фонари, рации. На аккумуляторе работают приборы, умеренно употребляющие электроэнергию, находящиеся в автономном режиме продолжительное время.
Зарядка Ni-MH устройств
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:
- определяется наличие батареи;
- квалификация устройства;
- предварительная зарядка;
- быстрая зарядка;
- дозарядка;
- поддерживающая зарядка.
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:
- Прекращение заряда по скорости изменения температуры . При использовании данной методики во время зарядки температура батареи находится под постоянным контролем. Когда показатели поднимаются быстрее, чем нужно, зарядка прекращается.
- Метод прекращения заряда по максимальному его времени .
- Прекращение заряда по абсолютной температуре . Тут температура аккумуляторной батареи контролируется в процессе заряда. При достижении максимального значения быстрый заряд прекращается.
- Метод прекращения по отрицательной дельте напряжения . Перед завершением зарядки батареи при осуществлении кислородного цикла повышается температура NiMH устройства, что приводит к понижению напряжения.
- Максимальное напряжение . Метод используется для отключения заряда устройств с повышенным внутренним сопротивлением. Последнее появляется в конце срока службы батареи по причине недостатка электролита.
- Максимальное давление . Метод применяется для призматических аккумуляторов большой емкости. Уровень разрешенного давления в таком устройстве зависит от его размера и конструкции и находится в интервале 0,05-0,8 МПа.
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:
- Эти аккумуляторы гораздо чувствительнее к нагреву, нежели никель-кадмиевые, перегружать их нельзя . Перегрузка отрицательно скажется на токоотдаче (способности держать и выдавать накопленный заряд).
- Металлогидридные аккумуляторы после приобретения можно «потренировать» . Сделать 3-5 циклов зарядки/разрядки, что позволит достигнуть придела емкости, потерянной при перевозке и хранении устройства после выхода с конвейера.
- Хранить нужно аккумуляторы с небольшим количеством заряда , примерно 20-40% от номинальной емкости.
- После разрядки либо зарядки следует дать устройству остыть .
- Если в электронном устройстве используется одинаковая сборка аккумуляторов в режиме дозаряда , то время от времени нужно разряжать каждый из них до напряжения 0,98, а потом полностью заряжать. Эту процедуру циклирования рекомендуется выполнять один раз на 7-8 циклов дозарядки аккумуляторов.
- Если нужно разрядить NiMH, то следует придерживаться минимального показателя 0,98 . Если напряжение упадет ниже 0,98, то он может перестать заряжаться.
Восстановление Ni-MH аккумуляторов
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).
Достоинства и недостатки
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:
- Изготовители ограничили Ni-MH батареи десятью элементами , потому что с увеличением циклов заряд-разряд и срока службы появляется опасность перегрева и переполюсовки.
- Эти аккумуляторы работают в более узком температурном диапазоне, нежели никель-кадмиевые . Уже при -10 и +40°С они теряют свою работоспособность.
- При зарядке Ni-MH аккумулятора выделяют много тепла , поэтому нуждаются в предохранителях либо температурных реле.
- Повышенный самозаряд , наличие которого обусловлено реакцией оксидно-никелевого электрода с водородом из электролита.
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.
Никель-металлгидридные аккумуляторы пришли на смену никель-кадмиевым и никель-водородным батареям. В Ni-MH аккумуляторах положительный электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, изготавливается из оксидно-никелевого сплава, а отрицательный – из сплава никеля с редкоземельными металлами , поглощающий водород. Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является именно водород-абсорбирующий сплав , который может поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий свой собственный объем.
Эти сплавы состоят из двух или нескольких металлов, один из которых абсорбирует водород, а другой является катализатором, способствующим диффузии атомов водорода в решетку металла. Количество возможных комбинаций применяемых металлов практически не ограничено, что дает возможность оптимизировать свойства сплава. Применение этих материалов для изготовления отрицательного электрода позволило повысить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора.
Поэтому никель-металлгидридные аккумуляторные батареи отличает высокая энергетическая плотность по сравнению с предшественниками. Так как при их производстве используются нетоксичные материалы , то легче решается и проблема утилизации отработанных аккумуляторов. У Ni-MH аккумуляторов, в отличие от Ni-Cd, нет “эффекта памяти” .
Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка понижается с увеличением глубины и скорости разряда и зависит от скорости заряда. Ускоренный (за 4 – 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. В зависимости от типа, режима работы и условий эксплуатации аккумуляторы обеспечивают от 500 до 1000 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы от 3 до 5 лет . С повышением нагрузки (уменьшение времени разряда) и при понижении температуры емкость Ni-MH аккумулятора уменьшается . Особенно заметно действие снижения температуры на емкость при больших скоростях разряда.
Условия эксплуатации и хранения
При хранении происходит саморазряд Ni-MH аккумулятора . За месяц при комнатной температуре потеря емкости составляет 20-30%, а при дальнейшем хранении потери уменьшаются до 3-7% в месяц. Скорость саморазряда повышается при увеличении температуры чувствительны к перезаряду . В течение заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется теплота, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термопредохранители или термореле. Ni-MH аккумуляторы имеют сравнительно узкий температурный диапазон эксплуатации : большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 градусов и выше +40 градусов.
Применение в гибридных автомобилях
В гибридных автомобилях применяются прямоугольной конструкции. В них положительные и отрицательные электроды размещены поочередно, а между ними размещается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. В Ni-MH аккумуляторах используется щелочной электролит , состоящий из КОН с добавкой LiOH. Хотя большинство специалистов уверены, что будущее за литий-ионными батареями, на многих гибридных автомобилях используются никель-металлгидридные аккумуляторы. Они существенно дешевле , а их производство технологически отработано. Проигрывают же они в весовом качестве (отношении запасенной энергии к массе) и диапазоне зарядки (от 40 до 60%) – всего 20% общей емкости.
История создания
Первые работы по созданию никель-кадмиевых аккумуляторов начались еще в 50-х годах. Однако только к середине 70-х был созданы сплавы, позволяющие абсорбировать водород в достаточно больших объемах. Правда, аккумуляторы, созданные на их основе, имели недостаточную емкость по сравнению с никель-кадмиевыми.
Однако исследования не прекращались, в результате чего был создан сплав La-Ni-Co, позволяющий электрохимически обратимо абсорбировать водород на протяжении более 100 циклов. В промышленное производство Ni-MH аккумуляторы поступили в середине 80-х годов. С тех пор их конструкция постоянно совершенствуется путем применения новых сплавов. Сплавы никеля с металлами редкоземельной группы могут обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда аккумулятора при понижении емкости отрицательного электрода не более чем на 30 %.
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.
Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов
Преимущества
・ 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
Недостатки
・ 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)
Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ
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 |
таблица взята с
Сфера применения электрических аккумуляторов довольно-таки широка. Небольшими батареями комплектуются привычные для всех бытовые приборы, АКБ слегка больших размеров оснащаются автомобили, ну а уж очень крупные и ёмкостные аккумуляторы монтируют в нагруженные работой промышленные станции. Казалось бы, что помимо пользовательского назначения у разных видов АКБ может быть общего? Однако на самом деле сходств у подобных батарей более чем достаточно. Пожалуй, одним из основных среди возможных сходств аккумуляторов является принцип организации их работы. В сегодняшнем материале наш ресурс решил рассмотреть именно один из таковых. Если быть точнее, то ниже речь пойдет о функционировании и правилах эксплуатации никель-металлогидридных батарей.
История появления никель-металлогидридных АКБ
Создание никель-металлогидридных аккумуляторов начало вызывать немалый интерес у представителей инженерии более 60 лет назад, то есть в 50-х годах 20 века. Ученые, специализирующиеся на изучение физико-химических свойств АКБ, всерьёз задумались над тем, как преодолеть недостатки популярных на то время никель-кадмиевых батарей. Пожалуй, одной из основных целей ученых было создание такого аккумулятора, который мог бы ускорить и упростить процесс протекания всех реакций, связанных с электролитической передачей водорода.
В итоге, специалистам лишь к концу 70-х годов удалось сначала спроектировать, а затем создать и полноценно испытать более-менее качественные никель-металлогидридные батареи. Главное отличие нового типа АКБ от предшественников заключалось в том, что он имел строго определённые места для скопления основной массы водорода. Говоря точнее, скопление вещества происходило в сплавах нескольких металлов, находящихся на электродах аккумулятора. Состав сплавов имел такую структуру, что один или несколько металлов накапливали водород (иногда в несколько тысяч раз превышающих их объём), а другие металлы выступали в роли катализаторов электролитических реакций, обеспечивая переход водородного вещества в металлическую решётку электродов.
Сделанный аккумулятор, имеющий водородно-металлогидридный анод и никелевый катод, получил аббревиатуру «Ni-MH» (от названия токопроводящих, накапливающих веществ). Работают подобные АКБ на щелочном электролите и обеспечивают отличный цикл «заряд-разряд» — до 2 000 тысяч для одной полноценной батареи. Несмотря на это, путь к проектировке аккумуляторов Ni-MH был нелёгок, а существующие на данный момент образцы до сих пор модернизируются. Основной вектор модернизации направлен на увеличение энергетической плотности батарей.
Отметим, что сегодня никель-металлогидридные АКБ в большинстве своём производятся на основе сплава металлов «LaNi5». Первый образец подобных аккумуляторов был запатентован в 1975 году и стал активно использоваться в широкой промышленности. Современные никель-металлогидридные батареи имеют высокую энергетическую плотность и состоят из совершенно нетоксичного сырья, что упрощает их утилизацию. Пожалуй, именно из-за данных преимуществ они стали очень популярны во многих сферах, где требуется долгое хранение электрического заряда.
Устройство и принцип работы никель-металлогидридной батареи
Никель-металлогидридные аккумуляторы всех размерностей, ёмкостей и предназначений выпускают в двух основных типах форм – призматической и цилиндрической. Вне зависимости от формы, подобные АКБ состоят из следующих обязательных элементов:
- металлогидридных и никелевых электродов (катодов и анодов), образующих гальванический элемент сеточной структуры, который отвечает за движение и накопление электрического заряда;
- сепараторных областей, разделяющих электроды и также участвующих в процессе электролитических реакций;
- выводных контактов, отдающих во внешнюю среду накопленный заряд;
- крышки с вмонтированным в неё клапаном, необходимой для сброса излишнего давления из полостей аккумулятора (давления свыше 2-4 мегапаскаль);
- термозащитного и крепкого корпуса, вмещающего описанные выше элементы батареи.
Конструкция никель-металлогидридных аккумуляторов, как и многих других типов данного устройства, довольно-таки проста и особых сложностей в рассмотрении не представляет. Наглядно это показано на следующих конструктивных схемах АКБ:
Принципы работы рассматриваемых АКБ, в отличие от их общей конструктивной схемы, выглядят слегка сложнее. Для понимания их сути давайте обратим внимание на поэтапное функционирование никель-металлогидридных аккумуляторов. В типовом варианте этапы работы у данных батарей следующие:
- Положительный электрод – анод, осуществляет окислительную реакцию с абсорбцией водорода;
- Отрицательный электрод – катод, реализует восстановительную реакцию в дисабсорбицией водорода.
Говоря простым языком, электродная сетка организует упорядоченное движение частиц (электродов и ионов) посредством конкретных химических реакций. При этом непосредственно электролит в основной реакции выделения электричества не участвует, а включается в работу лишь при определённых обстоятельствах функционирования аккумуляторов Ni-MH (например, при перезарядке, реализуя реакцию циркуляции кислорода). Более подробно рассматривать принципы работы никель-металлогидридных АКБ не будем, так как для этого требуются специальные химические знания, которых у многих читателей нашего ресурса нет. При желании узнать о принципах работы батарей в больших подробностях стоит обратиться к технической литературе, которая максимально подробно освещает течение каждой реакции на концах электродах как при заряде батарей, так и при их разряде.
Характеристики стандартного АКБ Ni-MH можно увидеть в следующей таблице (столбец посередине):
Правила эксплуатации
Любой аккумулятор – относительно неприхотливое в обслуживании и эксплуатации устройство. Несмотря на это, его стоимость зачастую высока, поэтому каждый владелец той или иной батареи заинтересован в увеличении её срока службы. Относительно АКБ формации «Ni-MH» продлить эксплуатационный период не столь сложно. Для этого достаточно:
- Во-первых, соблюдать правила зарядки аккумулятора;
- Во-вторых, правильно его эксплуатировать и хранить при простое.
О первом аспекте обслуживания АКБ поговорим чуть позже, ну а сейчас обратим внимание на основной перечень правил эксплуатации никель-металлогидридных батарей. Шаблонный список данных правил таков:
- Хранение никель-металлогидридных аккумуляторов должно осуществляться только в их заряженном состоянии на уровне 30-50 %;
- Строго запрещается перегревать АКБ Ni-MH, так как по сравнению с теми же никель-кадмиевыми батареями, рассматриваемые нами намного чувствительней к нагреву. Перегруженность работой отрицательно сказывается на всех процессах, протекающих в полостях и на выходах аккумулятора. Особенно страдает токоотдача;
- Никогда не перезаряжайте никель-металлогидридные батареи. Всегда придерживайтесь правил зарядки, описанных в настоящей статье или отражённых в технической документации к аккумулятору;
- В процессе слабой эксплуатации или длительном хранении «тренируйте» АКБ. Зачастую хватает периодически проводимого цикла «заряд-разряд» (порядка 3-6 раз). Также подобной «тренировке» желательно подвергать новые батареи Ni-MH;
- Хранить аккумуляторы никель-металлогидридной формации требуется в комнатном температурном режиме. Оптимальная температура – 15-23 градусов по Цельсию;
- Старайтесь не разряжать аккумулятор до минимальных пределов – напряжение, меньшее 0,9 Вольт для каждой пары «катод-анод». Восстановлению никель-металлогидридные АКБ, конечно, поддаются, но желательно их не доводить до «мёртвого» состояния (о том, как восстановить батарею, также поговорим ниже);
- Следите за конструктивным качеством батареи. Не допускается наличие серьёзных дефектов, недостаток электролита и тому подобные вещи. Рекомендуемая периодичность проверки АКБ равняется 2-4 неделям;
- В случае с использованием больших, стационарных батарей также важно придерживаться правил:
- их текущего ремонта (не менее раза в год):
- капитального восстановления (не менее раза в 3 года);
- надёжного крепления АКБ в месте использования;
- наличия освещения;
- использования правильных зарядных устройств;
- и соблюдения техники безопасности использования подобных аккумуляторов.
Придерживаться описанных правил важно не только потому, что подобный подход к эксплуатации никель-металлогидридных АКБ существенно продлить их срок службы. Также они гарантируют безопасное и, в целом, беспроблемное, использование батареи.
Правила зарядки
Раннее было отмечено, что правила эксплуатации – это далеко не единственное, что требуется для достижения максимального эксплуатационного срока никель-металлогидридных АКБ. Помимо грамотного использования, подобные батареи крайне важно грамотно заряжать. Вообще, ответить на вопрос – «Как правильно заряжать аккумулятор Ni-MH?», довольно-таки сложно. Дело в том, что каждый тип сплавов, используемый на электродах батареи, требует определённых правил данного процесса.
Обобщив и усреднив их, можно выделить следующие фундаментальные основы зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов:
- Во-первых, требуется соблюдать правильное время зарядки. Для большинства АКБ Ni-MH оно составляет либо 15 часов при зарядном токе около 0,1 С, либо 1-5 часов при зарядном токе в пределах 0,1-1 С для батарей с высокоактивными электродами. Исключениями являются восстанавливаемые аккумуляторы, которые могут заряжаться более 30 часов;
- Во-вторых, важно отслеживать температуру батареи в процессе зарядки. Многие производители не рекомендуют превышать температурный максимум в 50-60 градусов по Цельсию;
- И в-третьих, следует учитывать непосредственно порядок проведения зарядки. Оптимальным считается такой подход, когда АКБ разряжается номинальным током до напряжения на выходах в 0,9-1 Вольт, после чего заряжается на 75-80 % от своей максимальной ёмкости. При этом важно учитывать, что при быстрой зарядке (подаваемый ток более 0,1) важно организовать предзарядку с подачей высокого тока на аккумулятор около 8-10 минут. После этого процесс зарядки стоит организовать с плавным повышением подаваемого на АКБ напряжения до 1,6-1,8 Вольт. К слову, при обычной подзарядке никель-металлогидридного аккумулятора напряжение зачастую не изменяется и в норме составляет 0,3-1 Вольт.
Примечание! Отмеченные выше правила зарядки батарей носят усреднённый характер. Не забывайте, что для конкретной марки никель-металлогидридной АКБ они могут слегка отличаться.
Восстановление аккумулятора
Наряду с дороговизной и быстрым саморазрядом, у аккумуляторов Ni-MH есть ещё один недостаток – ярко выраженный «эффект памяти». Его суть заключается в том, что при систематичной зарядке не полностью разряженной батареи она как бы запоминает это и с течением времени существенно теряет в своей ёмкости. Для нейтрализации подобных рисков владельцам подобных АКБ требуется заряжать максимально разряженные батареи, а также периодически «тренировать» их путём процесса восстановления.
Восстанавливать никель-металлогидридные аккумуляторы при «тренировке» или при их сильном разряде необходимо следующим образом:
- В первую очередь, необходимо подготовиться. Для восстановления потребуются:
- качественный и, желательно, умный зарядный прибор;
- инструменты для замера напряжения и сила тока;
- любое устройство, способное потреблять энергию с АКБ.
- После подготовки можно уже задаться вопросом по поводу того, как восстановить батарею. Сначала необходимо по всем правилам зарядить аккумулятор, а затем его разрядить по напряжения на выходах батареи в 0,8-1 Вольт;
- Затем начинается непосредственно восстановление, которое, опять же, должно проводится в соответствии со всеми правилами зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов. Стандартный процесс восстановления может быть проведён двумя способами:
- Первый – если АКБ подаёт признаки «жизни» (как правило, при разряде на уровне 0,8-1 Вольт). Зарядка проходит с постоянным увеличением подаваемого напряжение с 0,3 до 1 Вольта с силой тока 0,1 С в течение 30-60 минут, после чего вольтаж остаётся неизменным, а сила тока увеличивается до 0,3-0,5 С;
- Второй – если АКБ не подаёт признаков «жизни» (при разряде менее 0,8 Вольт). В таком случае зарядка осуществляется с 10-минутной пред-зарядкой высоким током на протяжении 10-15 минут. После этого проводятся описанные выше действия.
Стоит понимать, что восстановление никель-металлогидридных АКБ – это процедура, которую требуется периодически проводить для абсолютно всех аккумуляторов (и «живых», и «неживых»). Только такой подход к эксплуатации данного типа батарей поможет «выжать» из них максимум.
Пожалуй, на этом повествование по сегодняшней теме можно завершать. Надеемся, представленный выше материал был для вас полезен и дал ответы на интересующие вопросы.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
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.
Исторический экскурс
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:
- электрод (металл гидридный водородный);
- катод (никелевый оксид);
- электролит (калия гидроксид).
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.
Проходящие химические реакции
При заряде и разряде внутри аккумуляторов происходят химические реакции, связанные с абсорбированием водорода. Реакции можно записать в следующем виде.
- Во время зарядки: Ni(OH)2+M→NiOOH+MH.
- Во время разряда: NiOOH+MH→Ni(OH)2+M.
На катоде протекают следующие реакции с выделением свободных электронов:
- Во время зарядки: Ni(OH)2+ОН→NiOOH+H2О+е.
- Во время разряда: NiOOH+ H2О+е →Ni(OH)2+ОН.
На аноде:
- Во время зарядки: М+ H2О+е →МH+ОH.
- Во время разряда: МН+OH →М+. H2О+е.
Конструкция аккумуляторов
Основной выпуск никель металлогидридных аккумуляторов производится в двух формах: призматической и цилиндрической.
Цилиндрические Ni-MH элементы
В конструкцию входят:
- цилиндрический корпус;
- крышка корпуса;
- клапан;
- клапанный колпачок;
- анод;
- коллектор анода;
- катод;
- кольцо диэлектрическое;
- сепаратор;
- изоляционный материал.
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.
Призматические Ni-MH элементы
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:
Характеристики
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:
- теоретическая – 300;
- удельная – 60–72.
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:
- Электрическая движущая сила (ЭДС) – 1,25В.
- Энергетическая плотность – 150 Вт∙ч/дм3.
- Температура эксплуатирования - от -60 до +55°С.
- Длительность эксплуатирования – до 500 циклов.
Правильная зарядка и контроль
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:
Достоинства и недостатки присущие Ni-MH элементам
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.
Увеличенная емкость запаса энергии
Экологичность обеспечивают современные материалы. Переход на них значительно облегчил утилизацию отработанных элементов.
Что касается недостатков, то их тоже немало:
- высокое тепловыделение;
- температурный диапазон работы мал (от -10 до +40°С) хотя производители заявляют другие показатели;
- небольшой интервал рабочего тока;
- высокий саморазряд;
- несоблюдение полярности выводит аккумулятор из строя;
- хранить недолгое время.
Подбор по емкости и эксплуатация
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.
Загрузка...
