Acumulator de nichel-cadmiu

Baterii de sus în jos - "Gumstick", AA și AAA NiCd.

Acumulator de nichel-cadmiu, PSA, Museum Autovision , Altlußheim , Germania

Bateria cunoscută sub numele de acumulator de nichel-cadmiu (prescurtat în mod obișnuit NiCd ) este un tip foarte popular de baterie reîncărcabilă , adesea utilizată în electronice de consum și jucării portabile, care folosește metalele nichel (Ni) și cadmiu (Cd) ca reactivi chimici . Abrevierea NiCad este o marcă înregistrată a SAFT Corporation și nu ar trebui utilizată pentru a se referi generic la bateriile nichel-cadmiu. Acestea sunt adesea folosite ca înlocuitor pentru celulele primare , ca baterii grele sau pentru a înlocui bateriile alcaline , care sunt adesea disponibile în multe dintre aceleași dimensiuni ca celulele standard.

Introducere

Datorită raportului bun dintre energie și greutate comparativ cu bateriile pe bază de plumb și durata de viață lungă, bateriile nichel-cadmiu cu capacitate mai mare, cu un electrolit umed, sunt utilizate pentru mașinile electrice și ca baterii de pornire pentru avioane.

Bateriile nichel-cadmiu au o tensiune nominală de 1,2 V, mai mică decât 1,5 V a bateriilor alcaline sau zinc-carbon, prin urmare nu sunt potrivite pentru a le înlocui în toate utilizările, cu toate acestea, spre deosebire de acestea, NiCd-urile mențin o tensiune mai constantă în timpul ciclul lor util: deoarece multe dispozitive electronice sunt proiectate să funcționeze corect în condiții de încărcare intermediară, chiar și pentru valori sub 0,9 V pe celulă, tensiunea de 1,2 V pentru celulă oferită de NiCd este mai mult decât suficientă.
Trebuie remarcat faptul că nivelul de tensiune aproape constant al NiCd în timpul funcționării face detecția epuizării lor mai complexă, un subiect abordat cu circuite de detecție mai sofisticate în dispozitivele utilizatorului.
În ciuda, prin urmare, a valorii nominale mai mici și a cerinței complete de descărcare înainte de o reîncărcare ulterioară, celulele NiCd sunt în prezent cea mai bună alegere în aplicații care necesită curenți mari: datorită rezistenței în serie semnificativ reduse, pot furniza curenți de intrare mari care le fac potrivite pentru radio controlate de model de motoare (avioane, nave, automobile) , precum și dispozitive wireless și flash - uri fotografice .

În plus față de elementele unice de 1,2 V, există pe scară largă „pachete” de elemente conectate în serie de 7,2, 9,6 și 12 V în total, cu ambalaje unificate, cum ar fi bateriile obișnuite. De exemplu, bateria "tranzistor" de 9 V poate fi înlocuită cu o baterie NiCd de 8,4 V similară.

Istorie

În 1899, suedezul Waldemar Jungner a creat prima celulă de nichel-cadmiu. La acea vreme, singurii concurenți direcți erau bateriile cu plumb-acid. Primele baterii nichel-cadmiu au fost, de asemenea, robuste din punct de vedere fizic și chimic, dar odată cu primele mici îmbunătățiri ale prototipurilor, densitatea energiei a crescut rapid cu aproximativ 50%, ceea ce promitea mult mai mult în perspectivă decât bateriile clasice cu acid.

În 1910, s-a înființat o companie pentru a produce baterii industriale nichel-cadmiu în Suedia. Prima producție din Statele Unite a început în 1946 . De atunci bateriile au devenit „buzunare”, constând dintr-o carcasă metalică conținând foi de nichel și cadmiu . La mijlocul secolului al XX-lea, acest tip de baterie a devenit foarte popular. Foliile sunt create prin topirea prafului de nichel la o temperatură mult sub punctul de topire, dar folosind în schimb presiuni foarte mari. Aceste folii au aproximativ 80% porozitate și sunt apoi încărcate electric (atât pozitiv cât și negativ) prin scufundarea lor în nichel activ și cadmiu. De obicei, acest tip de plăci sunt mult mai subțiri decât carcasele bateriilor clasice, permițând unei suprafețe reactive mai mari pe unitate de volum, să atingă curenți mai mari decât bateriile clasice de aceeași dimensiune. În general, cu cât suprafața materialelor reactive dintr-o baterie este mai mare, cu atât rezistența internă este mai mică. În ultimele decenii, acest lucru a făcut posibilă crearea bateriilor de nichel-cadmiu cu rezistențe interne la fel de mici ca cele ale celulelor alcaline. Astăzi, toți consumatorii de baterii nichel-cadmiu preferă așa-numita structură „jelly-roll”. După cum puteți ghici, forma cilindrică permite susținerea diferitelor aranjamente ale anodilor și catodilor , oferind o versatilitate comercială mai mare produsului.

Îmbunătățirile tehnologice și de producție ale bateriilor introduse în a doua jumătate a secolului al XX-lea le-au făcut extrem de economice în faza de producție. În același timp, au crescut și produsele alimentate cu baterii. Din 2000 , aproximativ 1,5 miliarde de baterii de nichel-cadmiu au fost produse în fiecare an. Deși bateriile Ni-Cd nu vor fi utilizate niciodată în sectoarele în care bateriile alcaline au dominat din 1990 , o porțiune surprinzătoare a pieței investește din ce în ce mai mult în producția de echipamente care acceptă bateriile reîncărcabile. Recent, însă, bateriile reîncărcabile cu hidrură de nichel metal sau litiu-ion au devenit din punct de vedere comercial mult mai ieftine, deși sunt încă mai scumpe decât cele din nichel-cadmiu. Cu toate acestea, acolo unde sunt necesare densități mari de energie, aceste tipuri de baterii sunt preferabile Ni-Cd, în special pentru acele dispozitive în care prețul bateriei nu este comparabil cu cel al dispozitivului în sine (adică un telefon mobil ).

Nichel-cadmiu (NiCd)

Beneficii

Acestea necesită mai puțină îngrijire și sunt mai greu de deteriorat.
Ele durează , de obicei , o lungă de timp ( mai multe cicluri de încărcare-descărcare de gestiune)
De obicei, acestea pot fi descărcate sau încărcate mai repede decât celulele gel ^[1] sau bateriile cu plumb-acid.
Nu sunt deteriorate dacă sunt lăsate neîncărcate mult timp.

Dezavantaje

Acumulatorii NiCd sunt relativ scumpi. În comparație cu acumulatorii de plumb, materialele și procesele sunt mai scumpe.
Ele pot dezvolta un efect fals „partea de jos a butoiului”, neacceptând a fi descărcate în continuare, dacă foarte des, sunt aduse în mod obișnuit la același nivel de descărcare și apoi reîncărcate (a se vedea „efectul de memorie” de mai jos).

Dimensiunea pachetului, capacitatea și gama

Fiecare baterie are nominal 1,2 V (când este descărcată și complet încărcată, acestea ajung la aproximativ 1,25 ÷ 1,35 V), de aceea o baterie de 10 baterii în serie are nominal 12 V (la încărcare completă sunt 12,5 ÷ 13, 5 V).

Bateriile NiCd au posibilitatea de a începe să funcționeze (în circuitele electrice obișnuite de 12 V) cu 11 baterii la 13,2 V nominale (13,75 ÷ 14,85 V fără sarcină) sau (spre sfârșitul descărcării lor), cum ar fi 12 baterii, care furnizează 14,4V (când sunt goale sunt aproximativ 15,0-16,2V). Explicația utilității acestui lucru este că în cele mai frecvente aplicații practice aveți nevoie de puțin peste 12 V și că puteți reduce tensiunea (cu un anumit interval de toleranță) prin aplicarea unei rezistențe variabile care determină o cădere de tensiune .

Bateriile NiCd destinate consumului pe scară largă sunt disponibile în dimensiuni standard, de la cele mai mici „AAA” până la tipul „D” și, de asemenea, la modelele de 9 V. Pot fi construite în modele de baterii de 10, 11 sau 12. stiva unică prezentă în modelul standard. Versiunile industriale imersate într-un material inert sunt disponibile în dimensiuni cu capacități de 12,5 Ah , 25 Ah, 100 Ah și chiar mai mult.

Gama maximă de încărcare

Un rol important îl reprezintă posibilitatea reîncărcării unei baterii NiCd de înaltă calitate cu un curent egal cu 80% din capacitatea bateriei (de exemplu, un AA NiCd de bună calitate are o capacitate de 0,9 Ah și necesită aproximativ 45 de minute pentru a fi reîncărcat până la 1,26V).

Factor maxim de descărcare

Pentru bateriile obișnuite AA aproximativ 18 A, pentru bateriile C aproximativ 22 A și pentru bateriile D aproximativ 35 A

Temperatura

În utilizare -20 ° C / +45 ° C
Încărcare 0 ° C / +45 ° C

Aplicații tipice

Electronice portabile, calculatoare, aparate de radio și jucării.

întreținere

Bateriile NiCd, la o temperatură medie de 25 ° C, se descarcă automat cu 5% în fiecare lună. Prin urmare, este adesea necesar să le reîncărcați de la zero. Nu supraîncărcați, deoarece supraîncălzirea excesivă deteriorează bateria. Dacă bateria nu este utilizată timp de cel puțin o lună, aceasta trebuie adesea reîncărcată după perioada de neutilizare.

Condiții de încărcare

Bateriile NiCd de înaltă calitate au un sistem de izolare termică cu care opresc încărcarea dacă temperatura este prea mare. În plus, dacă un NiCd este încărcat în timp ce este încă fierbinte după utilizare, acesta nu va atinge încărcarea maximă. În aceste cazuri este util să lăsați bateria să se odihnească la temperatura camerei pentru a fi încărcată ulterior.

Chimie

Bateriile NiCd conțin un electrod pozitiv de oxid de nichel negru și metal de nichel, un electrod negativ de hidroxid de cadmiu , un separator și un electrolit alcalin . Bateriile NiCd au de obicei un recipient metalic cu o placă de etanșare cu o supapă de siguranță autosigilantă . Electrozii, izolați de orice altceva de separator, sunt înfășurați în interiorul containerului.

Reacția chimică care are loc într-o baterie NiCd este:

$2NiO(OH)+Cd+2H_{2}O\leftrightarrow 2Ni(OH)_{2}+Cd(OH)_{2}$ ${\ displaystyle 2NiO (OH) + Cd + 2H_ {2} O \ leftrightarrow 2Ni (OH) _ {2} + Cd (OH) _ {2}}$ ${\ displaystyle 2NiO (OH) + Cd + 2H_ {2} O \ leftrightarrow 2Ni (OH) _ {2} + Cd (OH) _ {2}}$

Această reacție merge de la stânga la dreapta când bateria este descărcată și de la dreapta la stânga când este reîncărcată. Electrolitul alcalin (de obicei KOH) nu este consumat în această reacție.

Când Jungner a construit primele baterii de nichel-cadmiu, a folosit oxid de nichel în catod și fier și cadmiu în anod. Nu după mult timp, cadmiul pur și hidroxidul de nichel au început să fie utilizate. Până în jurul anului 1960, reacția în bateriile de nichel-cadmiu nu a fost încă pe deplin înțeleasă. Dezbaterea a fost în cele din urmă rezolvată prin spectrometrie .

O altă inovație importantă din spatele bateriilor NiCd a fost adăugarea de hidroxid de litiu la electrolitul de hidroxid de potasiu. S-a crezut în acest fel pentru a face bateriile mai rezistente, prelungind astfel durata medie de viață a bateriilor. Cu toate acestea, bateria de nichel-cadmiu în forma sa modernă este extrem de durabilă în sine, astfel încât această practică a fost abandonată.

Supraîncărcarea face acum parte din proiectarea bateriilor. În cazul NiCd, există două efecte posibile ale supraîncărcării. Dacă anodul este supraîncărcat, se produce hidrogen ; dacă catodul este supraîncărcat, se produce oxigen . Din acest motiv, anodul este întotdeauna proiectat pentru a avea o capacitate mai mare decât catodul, pentru a evita eliberarea de hidrogen. Bateriile nichel-cadmiu sunt ventilate, cu supape care se deschid după o anumită temperatură internă. Acest mecanism complex, inutil în bateriile alcaline, contribuie la costurile lor mai mari.

Bateriile NiCd conțin cadmiu , care este un metal greu toxic și, prin urmare, necesită o atenție specială la eliminarea acestuia. De fapt, în Statele Unite , o parte din prețul unei baterii NiCd este utilizată pentru eliminarea sa la sfârșitul ciclului său de viață.

Probleme cu acumulatorii NiCd

Efect de memorie

Același subiect în detaliu: baterie reîncărcabilă § Efect_memorie .

Mulți susțin că acumulatorii NiCd au așa - numitul efect de memorie și că capacitatea lor totală de încărcare scade dacă sunt reîncărcați înainte de a fi descărcați complet. Fenomenul aparent este că bateria pare să- și amintească punctul în care a început reîncărcarea și în timpul utilizării ulterioare va avea o scădere bruscă a tensiunii furnizate din acel punct, ca și cum bateria s-ar fi descărcat aproape complet. În realitate, în afară de acest punct specific, capacitatea bateriei nu s-a micșorat substanțial. Unele echipamente electronice proiectate să fie alimentate cu NiCd pot rezista căderii de tensiune suficient de mult timp pentru a permite revenirea tensiunii la normal. Pe de altă parte, dacă dispozitivul nu are capacitatea de a funcționa în această perioadă de tensiune scăzută și, prin urmare, dacă un aparat care necesită multă energie (cum ar fi o mașină electrică ) nu reușește să-l obțină în acel moment, poate să fie spus chiar dacă în mod necorespunzător că bateria a suferit o reducere a capacității sale. Există o controversă cu privire la existența efectului de memorie și criticitatea acestuia. Unii cred că reprezintă o modalitate de a promova acumulatorii de NiMH , care par să sufere mult mai puțin de acest fenomen. Mulți producători de baterii nichel-cadmiu neagă sau tac din acest aspect. Un efect foarte asemănător cu cel anterior este așa-numitul „efect leneș de baterie”. Acest efect este rezultatul supraîncărcării repetate; simptomul este că bateria pare încărcată complet, dar se descarcă imediat după o perioadă foarte scurtă de utilizare. Uneori, o mare parte din capacitatea pierdută poate fi recuperată printr-un ciclu scurt, intens de descărcare utilizând niște încărcătoare automate. Cu toate acestea, atunci când este utilizată corect, o baterie NiCd poate fi încărcată de peste 1000 de ori înainte ca capacitatea sa totală să fie redusă cu 50%.

Scurtcircuit

Bateriile NiCd, atunci când nu sunt utilizate în mod regulat, tind să producă dendrite (cristale subțiri conducătoare) în interiorul lor, mult mai devreme decât susțin producătorii, care provoacă scurtcircuite și deseori ruperea bateriei. Uneori dendritele pot fi îndepărtate printr-o descărcare puternică de înaltă tensiune către celulele individuale ale stivei, dar odată ce procesul de formare a început, stiva poate fi greu menținută corect.

Pentru a reduce această problemă, este recomandabil să mențineți bateriile descărcate.

Consecințe asupra mediului

Cadmiul , deoarece este un metal greu , poate provoca poluări substanțiale, atât atunci când este aruncat în gropi de gunoi, cât și când este incinerat . Din acest motiv, în multe țări există programe de reciclare pentru colectarea, reprocesarea sau depozitarea bateriilor NiCd în locuri sigure.

Siguranță

Nu scurtcircuitați niciodată bateria, deoarece ar putea exploda. Prin scurtcircuit înțelegem conexiunea directă a polilor pozitivi și negativi ai bateriei, de exemplu cu un fir (această cerință se aplică fiecărui acumulator).
Nu ardeți acumulatori NiCd; pe lângă posibilitatea exploziei, ar putea apărea eliberarea de cadmiu , o substanță toxică , în mediu. Dimpotrivă, se recomandă reciclarea bateriei.
Nu scăpați, nu loviți sau nu măriți bateria, deoarece aceasta ar putea provoca daune interne, inclusiv un scurtcircuit al celulei.
Evitați încărcarea excesiv de rapidă; acest lucru ar putea provoca o scurgere de electroliți, o scurgere de gaz sau, eventual, o explozie.
Nu expuneți bateria la contactul direct cu lumina soarelui, mai ales când este vorba de lumină reflectată, deoarece ar putea declanșa o explozie.

Comparație cu alte baterii

Bateriile reîncărcabile cu acid sunt cele mai utilizate pe scară largă (practic la toate mașinile). Cu toate acestea, au o densitate de încărcare mult mai mică decât NiCds. În ciuda costurilor ridicate ale acestuia din urmă, în cazurile în care problemele precum dimensiunea și greutatea sunt fundamentale, NiCd este preferat altor tipuri.

Bateriile NiCd au o capacitate mai mică decât principalii lor concurenți, clasicul alcalin . Cu toate acestea, durata medie de viață a unui NiCd este cu siguranță mai lungă, deoarece majoritatea alcalinilor nu pot fi reîncărcați. În anii 1990 , Rayovac a lansat o baterie alcalină reîncărcabilă, Renewal , care, deși mai scumpă, începuse să înlocuiască NiCd-urile. Cu toate acestea, după câțiva ani, acest produs a fost abandonat.

Bateriile NiMH sunt similare cu NiCd, dar mult mai puțin toxice și cu capacități mai mari. De când au fost introduse pe piață în 1990, bateriile NiMH au cucerit o mare parte din piață. Cu toate acestea, NiCd-urile au încă trei avantaje principale față de NiMhs. În primul rând, cel mai mic cost. În al doilea rând, factorul de descărcare automată, 20% lunar pentru NiCd, 30% pentru NiMh. În cele din urmă, faptul că NiCd-urile mențin o tensiune constantă, astfel încât echipamentul să funcționeze corect.

În viitor, ar putea prelua o altă tehnologie nouă a bateriilor alcaline, bateriile super fier . Până în prezent, au fost produse doar prototipuri funcționale, dar se crede că aceste baterii vor avea o capacitate cu 50% mai mare decât alcalina și pot fi reîncărcate de peste 300 de ori.

Notă

^ Baterii plumb-acid cu gel electrolit

Bibliografie

( EN ) Bergstrom, Sven. „Baterii nichel-cadmiu - tip buzunar”. Jurnalul Societății de Electrochimie, septembrie 1952. 1952 Societatea de Electrochimie.
(EN) Ellis, GB, Mandel, H. și Linden, D. „Baterii de nichel-cadmiu cu plăci sinterizate”. Jurnalul Societății de Electrochimie, septembrie 1952. 1952 Societatea de Electrochimie.