Никель металлогидридные аккумуляторы

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.

Оглавление:

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:

1. электрод (металл гидридный водородный);
2. катод (никелевый оксид);
3. 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:

1. прямоугольный корпус;
2. крышка такой же формы;
3. клапан;
4. клапанный колпачок;
5. прокладка изолятор;
6. изолятор;
7. анод;
8. катод;
9. сепаратор.

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:

1. ламельная;
   • Ламельная – состав, имеющий состояние порошка методом прессования, вводят в сетку из никеля.
2. пеноникелеванием;
   • Пеноникелевание – состав, имеющий состояние пасты, помещают в пористую пеноникелевую основу.
3. фольгованием;
   • Фольгование – состав наносится на фольгу из токопроводящей стали или никеля с последующим просушиванием и прессованием. Металлизированная фольга предварительно подвергается перфорированию.
4. вальцеванием;
   • Вальцевание – активный состав закрепляется на решетке из никеля или сетке из меди при помощи прокатывания (вальцевания).
5. спечением.
   • Спечение – порошок, нанесенный на сетку из никеля, спекается при высокой температуре в водородной атмосфере.

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:

• по температуре, которая закладывается в памяти зарядника и по достижении ее значения переводит процесс быстрого заряда на другую ступень;
• по изменению температуры в единицу времени;
• по времени;
• по давлению;
• по напряжению;
• по падению напряжения.

Рассчитать примерное время, зарядки довольно просто пользуясь формулой: Т=1,3(С/I), где С – емкость аккумулятора, I – сила тока зарядного устройства.

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.