Никель-металлогидридный (ni-mh) аккумулятор

Разряд

Полностью заряженный элемент подает в среднем 1,25 В / элемент во время разряда, снижаясь до примерно 1,0–1,1 В / элемент (дальнейший разряд может вызвать необратимые повреждения в случае многоячеечных блоков из-за обратной полярности). При небольшой нагрузке (0,5 ампера) пусковое напряжение свежезаряженного никель-металлгидридного элемента AA в хорошем состоянии составляет около 1,4 вольт.

Чрезмерная разрядка

Полная разрядка многоэлементных блоков может вызвать обратную полярность в одной или нескольких ячейках, что может привести к их необратимому повреждению. Такая ситуация может возникнуть при обычном расположении четырех последовательно соединенных элементов AA в цифровой камере , где один полностью разряжается раньше других из-за небольших различий в емкости между элементами. Когда это происходит, исправные элементы начинают переводить разряженный элемент в обратную полярность (т.е. положительный анод / отрицательный катод). Некоторые камеры, приемники GPS и КПК определяют безопасное конечное напряжение разряда последовательных элементов и выполняют автоматическое отключение, но такие устройства, как фонарики и некоторые игрушки, этого не делают.

Необратимое повреждение из-за смены полярности представляет особую опасность, даже когда используется автоматический выключатель по низкому порогу напряжения, когда температура элементов меняется. Это связано с тем, что емкость значительно снижается при охлаждении ячеек. Это приводит к более низкому напряжению под нагрузкой более холодных ячеек.

Саморазряд

Исторически у NiMH-элементов была несколько более высокая скорость саморазряда (эквивалент внутренней утечки), чем у NiCd-элементов. Скорость саморазряда сильно зависит от температуры, при этом более низкая температура хранения приводит к более медленной разрядке и увеличению срока службы батареи. Саморазряд составляет 5–20% в первый день и стабилизируется на уровне 0,5–4% в день при комнатной температуре . Но при 45 ° C он примерно в три раза выше.

Низкий саморазряд

Саморазряда никель — металлгидридные батареи с низким ( LSD NiMH ) имеет значительно более низкую скорость саморазряда. Нововведение было представлено в 2005 году компанией Sanyo под своим брендом Eneloop . Производители заявляют, что благодаря использованию улучшенного сепаратора электродов и улучшенного положительного электрода элементы сохраняют 70–85% своей емкости при хранении в течение одного года при 20 ° C (68 ° F) по сравнению с половиной для обычных NiMH аккумуляторов. В остальном они похожи на другие NiMH аккумуляторы и могут заряжаться в обычных зарядных устройствах NiMH. Эти элементы продаются как «гибридные», «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» аккумуляторные батареи. Сохранение заряда в значительной степени зависит от сопротивления утечки батареи (чем выше, тем лучше), а также от ее физического размера и емкости заряда.

Сепараторы разделяют два электрода, чтобы замедлить электрический разряд, позволяя транспортировать ионные носители заряда, которые замыкают цепь во время прохождения тока . Высококачественные сепараторы имеют решающее значение для производительности аккумулятора.

Толстые сепараторы — это один из способов уменьшить саморазряд, но они занимают место и уменьшают емкость, тогда как тонкие сепараторы имеют тенденцию повышать скорость саморазряда. Некоторые батареи могли преодолеть этот компромисс, используя тонкие сепараторы с более точным производством и используя сепаратор из сульфированного полиолефина, что является дальнейшим улучшением по сравнению с гидрофильным полиолефином на основе этиленвинилового спирта .

Ячейки с низким уровнем саморазряда имеют меньшую емкость, чем стандартные NiMH элементы, из-за большего объема сепаратора. Аккумуляторы AA с самой высокой емкостью и низким уровнем саморазряда имеют емкость 2500 мАч по сравнению с 2700 мАч для NiMH элементов AA высокой емкости.

Виды АКБ для шуруповертов и их особенности

В современных аккумуляторных шуруповертах и дрелях используются три типа батарей:

1. Никель-кадмиевые (NiCd, Ni-Cd).
2. Никель-металлогидридные (Ni-MH или NiMH).
3. Литий-ионные (Li-ion).

Рассмотрим особенности каждого из типов аккумуляторов подробно.

Никель-кадмиевые

Этот тип источников энергии, пожалуй, самый старый. Появились кадмиевые аккумуляторы в 70-х годах, и это был настоящий прорыв. По сравнению с кислотно-свинцовыми и щелочными батареями никелевые оказались намного компактнее при той же электрической емкости и имели умеренную цену.

Как и свинцово-кислотные, Ni-Cd элементы могут отдавать довольно большой ток в нагрузку и выдерживать до 1 000 циклов заряд/разряд. Причем такое количество циклов – всего лишь гарантия производителя. Фактически батарея продолжает служить и по достижении этой цифры.

Время зарядки Ni-Cd батареи в среднем составляет 6-8 часов, что, к сожалению, многовато, но все же меньше, чем у его кислотных и щелочных собратьев. Отличаются никелевые АКБ и своей «морозоустойчивостью» — они отлично работают при температурах до -20 градусов Цельсия. Дополнительно кадмиевая технология допускает глубокую разрядку, а срок службы батареи зависит в основном от количества циклов заряд/разряд. Храниться же такая батарейка может долго – до 7-8 лет.

Но есть у этого типа аккумуляторов и недостатки, причем существенные. Один из них – большой саморазряд, который может достигать 10% в месяц. Таким образом, если шуруповерт пролежал без дела, скажем, полгода, то перед использованием его придется зарядить.

Еще один недостаток – так называемый «эффект памяти». Если батарею постоянно подзаряжать, не разряжая в ноль, то она «запомнит», до какого уровня ее разряжали и по достижении этого порога просто откажется работать, «сказав», что разряжена. Именно поэтому аккумуляторы данного типа нужно периодически «гонять» — полностью разряжать и тут же заряжать до 100%.

Никель-металлогидридные

Этот тип аккумуляторов появился чуть позже – в начале 90-х годов прошлого века. Ni-MH элементы обладают сходными с кадмиевыми характеристиками, но эффект памяти проявляется у них намного слабее (но все же проявляется) и, главное, в таких аккумуляторах отсутствует кадмий.

Ni-MH батарея аккумуляторов для шуруповерта

Никель-металлогидридная батарея способна отдавать приличный ток, хорошо работает на морозе, а ее саморазряд составляет те же 7-10% в месяц. Что касается стоимости, аккумуляторы этого типа несколько дороже кадмиевых, количество же циклов заряд/разряд, от которого зависит срок службы, составляет всего 300-500 раз, что является существенным минусом. Срок хранения таких элементов – 6-7 лет. Соотношение габариты/емкость, как и время заряда — до 8 часов, сходны с кадмиевыми. Металлогидридные элементы, как и кадмиевые, хорошо переносят глубокий разряд.

Литий-ионные

Li-Ion технология на сегодняшний день является передовой. Литиевые элементы намного компактнее и легче предыдущих при той же электрической емкости и, что очень удобно, могут заряжаться повышенным током. При этом время полной зарядки литий-ионных АКБ может быть сокращено до 1-2 часов.

Li-Ion батарея аккумуляторов для шуруповерта

Большим преимуществом батареек этого типа является и практически полное отсутствие эффекта памяти – инструмент можно подзаряжать когда угодно и до любого уровня. Саморазряд Li-Ion батарейки относительно невелик и составляет примерно 2-3% емкости в месяц.

Что касается недостатков, то до относительно недавнего времени это были высокие степени пожаро- и взрывоопасности. При неправильной эксплуатации батарея могла загореться, а то и взорваться. Причем горящий элемент практически невозможно потушить водой – это только усиливает горение.

Еще один серьезный недостаток элементов этого типа – они не терпят глубокого разряда и перезаряда. В первом случае АКБ тут же выходит из строя, во втором — может загореться. Но эту проблему тоже легко решили все тем же контроллером, который отключает элемент питания от нагрузки при критическом разряде и от зарядного устройства, если АКБ зарядилась.

Обычный ресурс Li-Ion батареек составляет 600 циклов заряд/разряд, но он также сильно зависит и от «возраста». Храниться литий-ионная АКБ может не более 2-3 лет независимо от того, работает она или просто лежит в столе.

Выбирая инструмент с такими элементами питания, следует учитывать, что они будут плохо вести себя на морозе (сильное снижение емкости, которая, впрочем, восстановится в тепле). В дополнение они не смогут отдать большой ток при любой температуре, а значит, не обеспечат большой крутящий момент, необходимый для работы с плотными материалами. И стоимость Li-Ion элементов намного выше, чем у никелевых собратьев.

Основные параметры и характеристика

Все NiMH-батареи являются перезаряжаемыми. Существуют элементы питания разных размеров. Некоторые модели сейчас применяются редко, например батарейка «Крона». Этот источник питания выдавал напряжение 9 В.

Сейчас применяются такие аккумуляторы:

1. Пальчиковые (АА). Емкость достигает 2900 мА/ч.
2. Мизинчиковые (AAA). Помечаются надписью MN2400 или MX2400. Мощность источников питания достигает 1000 мА/ч.
3. Средние (С). От пальчиковых батареек отличаются большими размерами. Емкость достигает 6000 мА/ч.
4. Большие (D). Имеют самую большую мощность — до 11500 мА/ч.

Металлогидридные источники выдают напряжение 1,5 или 1,2 В. При последовательном соединении 10 батареек можно добиться напряжения 15 В.

Сравнение характеристик никелевых аккумуляторов.

Зарядка аккумулятора никель металлгидридного

Процесс зарядки никель металлогидридных аккумуляторов связан с определенными химическими реакциями. Для их нормального протекания требуется часть энергии, которая подается зарядником, от сети.

КПД зарядного процесса представляет собой часть получаемой источником питания энергии, которая запасается. Величина этого показателя может разниться. Но при этом получить 100-процентное КПД невозможно.

Перед тем как заряжать металлогидридные аккумуляторы, изучают основные виды, которые зависят от величины тока.

Капельный тип зарядки

Применять этот вид зарядки для аккумуляторов необходимо осторожно, поскольку он приводит к уменьшению периода эксплуатации. Так как отключение зарядника этого типа осуществляется вручную, процесс нуждается в постоянном контроле, регулировании

В этом случае устанавливается минимальный показатель тока (0,1 от общей емкости).

Поскольку при такой зарядке ni mh аккумуляторов максимальное напряжение не устанавливается, ориентируются только на временной показатель. Для оценки временного промежутка используют параметры емкости, которые имеет разряженный источник питания.

КПД заряженного таким способом источника питания составляет около 65–70 процентов. Поэтому компании-изготовители не советуют пользоваться такими зарядниками, поскольку они влияют на эксплуатационные параметры аккумуляторной батареи.

Быстрая подзарядка

Определяя, каким током можно заряжать ni mh батарейки в быстром режиме, учитываются рекомендации производителей. Величина тока – от 0,75 до 1 от общей емкости. Превышать установленный интервал не рекомендуется, так как аварийные клапана включаются.

КПД быстрой зарядки ni mh источников питания достигает 90 процентов. Но этот параметр уменьшается, как только время зарядки заканчивается. Если своевременно не отключить зарядник, то внутри батарейки начнет увеличиваться давление, возрастет температурный показатель.

Дабы зарядить ni mh акб, выполняют такие действия:

Предварительная зарядка

Этот режим вводят в том случае, если батарейка полностью разряжена. На этом этапе ток составляет от 0,1 до 0,3 от емкости. Пользоваться большими токами запрещено. Временной промежуток – около получаса. Как только параметр напряжения достигает 0,8 вольт, то процесс прекращается.

Переход на ускоренный режим

Процесс наращивания тока осуществляется в течение 3–5 минут. В течение всего временного промежутка контролируется температура. Если этот параметр достигает критического значения, то зарядник отключается.

При быстрой зарядке никель металлогидридные батареек ток устанавливается на уровне 1 от общей емкости

При этом очень важно быстро отключить заряжающее устройство, дабы не нанести вред аккумулятору

Для контроля напряжения используют мультиметр или вольтметр. Это способствует исключению ложных срабатываний, которые пагубно влияют на работоспособность устройства.

Часть зарядных устройств для ni mh аккумуляторов работают не при постоянном, а при импульсном токе. Подача тока осуществляется с установленной периодичностью. Подача импульсного тока способствует равномерному распределению электролитического состава, активных веществ.

Дополнительная и поддерживающая зарядка

Для восполнения полного заряда ni mh аккумулятора на последнем этапе показатель тока снижается до 0,3 от емкости. Продолжительность – около 25–30 минут. Увеличивать этот временной промежуток запрещено, поскольку это способствует минимизации периода эксплуатации АКБ.

Ускоренная зарядка

Некоторые модели зарядных устройств для никель кадмиевых аккумуляторов оснащены режимом ускоренной зарядки. Для этого ток зарядки ограничивают, устанавливая параметры на уровне 9–10 от емкости. Снижать ток заряда нужно, как только батарея будет заряжена до 70 процентов.

Если аккумуляторная батарея заряжается в ускоренном режиме более получаса, то структура токопроводящих выводов постепенно разрушается. Специалисты рекомендуют пользоваться такой зарядкой, если вы обладаете определенным опытом.

Рекомендации по разрядке и зарядке АКБ

Как правильно заряжать источники питания, а также исключить вероятность перезарядки? Для этого следует соблюдать такие правила:

1. Контроль температурного режима ni mh аккумуляторов. Прекращать зарядку nimh аккумуляторов необходимо, как только уровень температуры стремительно повышается.
2. Для nimh источников питания установлены временные ограничения, которые позволяют контролировать процесс.
3. Разряжать ni mh аккумуляторные батареи и заряжать их необходимо при напряжении, которое равно 0,98. Если этот параметр существенно снижается, то выполняется отключение зарядников.

История изобретения

Исследования в области технологии изготовления NiMH-аккумуляторов начались в 1970-е годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов. Однако, применяемые в то время металлогидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH-аккумуляторов застопорился. Новые металлогидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году. Начиная с конца 1980-х годов NiMH-аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии. Их разработчики отмечали, что для NiMH-технологий имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.

NiMH-аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металлогидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (англ. low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 года фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее[когда?] многие мировые производители представили свои LSD NiMH-аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трёх недель. Обычные NiMH-аккумуляторы теряют до 10 % ёмкости заряда в течение первых 24 часов после заряда, затем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5 % ёмкости в день. Для LSD NiMH этот параметр, как правило, находится в диапазоне от 0,04 % до 0,1 % ёмкости в день.[источник не указан 669 дней] Производители утверждают,[источник не указан 669 дней] что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

1. Возможность работать с высокими токами разряда, которые могут на порядок превышать ёмкость аккумулятора. Из-за этой особенности LSD NiMH очень хорошо справляются с мощными фонарями, фотовспышками, радиоуправляемыми моделями и любыми другими мобильными устройствами, которые требуют отдачи большого тока.
2. Высокий коэффициент устойчивости к морозам. При −20 °C — потеря номинальной мощности составляет не более 12 %, в то время как лучшие экземпляры[источник не указан 889 дней] обычных NiMH-аккумуляторов теряют порядка 20—30 %.
3. Лучшее сохранение рабочего напряжения. Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения, характерного для Ni-MH — до 1,1 В, а предупреждение низкого питания наступает при 1,205 В.
4. Большее время жизни: в 2—3 раза больше циклов заряда-разряда (до 1500 циклов) и лучше сохраняется ёмкость на протяжении жизни элемента.

Другим преимуществом NiMH-аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH) является то, что они обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление, чем обычные NiMH-батареи. Это сказывается весьма положительно в устройствах с высоким токопотреблением:

• Более стабильное напряжение
• Уменьшенное тепловыделение, особенно на режимах быстрого заряда/разряда
• Более высокая эффективность
• Способность к высокой импульсной токоотдаче (пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
• Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (примеры: пульт дистанционного управления, часы).

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:

1. Первая применяется в устройствах, имеющих повышенное энергопотребление за короткое время. Это всевозможные плееры, модели с радиоуправлением, фотоаппараты, видеокамеры. В общем, приборы, быстро расходующие энергию.
2. 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.

Виды электродов

Катод в ni mh аккумуляторах произволится из металлокерамики, пенополимеров, а также войлочных материалов. Аноды могут изготавливаться из различных сплавов, в настоящее время различают несколько видов:

• металловодородный;
• оксидноникелевый.

Металловодородные электроды

В качестве анода применяется сплав на основе лантана и никеля, благодаря такому сотрудничеству получилось добиться концентрации водорода в нем значительно превышающий собственный размер электрода. Иногда в целях экономии такого металла, как лантан в производстве АКБ могут применяться соединения редкоземельных элементов в сочетании схожим с природным, к ним относят неодим, цезий, празеодим.

В режиме эксплуатации с каждым циклом происходит расширение и сжимание кристаллической решетки металлов в сплаве электродов. Такие деформации приводят к возникновению микротрещин в металле, в местах их образования увеличивается воздействие щелочи на материал. В результате коррозии происходит снижение внутренней емкости источника питания.

Так как в аккумуляторе применяется определенно количество электролита восстанавливать его в ходе заряда невозможно. Процесс коррозии снижает уровень щелочи, что приводит к повышению внутреннего сопротивления источника питания. Для того, чтобы снизить пагубное влияние таких реакций изготовители используют два способа. В первом случае поверхность сплавов покрывают тонкой медной или никелевой пленкой. При втором способе частицы сплавов обрабатывают в растворе щелочи, в результате образуется защитная пленка.

 Ламельные

Такие электроды изготавливаются в виде тонкой стальной ленты, покрытой никелем и собранных в коробочки ламели. Толщина таких электродов достигает значения до 0,1 мм.

Спеченные металлокерамические

Данные электроды представляют собой металлокерамические изделия. В основе имеются многочисленные поры, в которых находится масса активных веществ. Основа изготавливается из карбонильного никелевого порошка, такой состав напрессовывается на металлическую сетку.

После напрессовки сетка проходит термическую обработку при температуре 960°С. В результате разложения карбоната аммония происходит спекание никеля. Таким методом получают основу толщиной до 2,3 мм, с радиусом пор не более 20 мкм. Впоследствии материал подвергают пропитке в щелочи, который насыщает поры гидроксидом никеля.

Прессованные

При изготовлении прессованных отрицательных электродов применяют метод воздействия давлением на материал основы. Таким способом металлическая сетка спрессовывается с активной массой, в качестве которой применяется соединения гидроксида никеля и кобальта, а также связывающих веществ. Значение давления, применяемого при этом 60 Мпа.

Металловойлочные

Металлогидридные аккумуляторы за счет применения волокон углерода и никеля приобретают возможность использования металловойлочных электродов. Данные элементы выполняются из углеграфитного фетра, который покрывается никелем, в результате размер электрода достигает значения до 10 мм. Активные вещества внедряются в войлок различными способами.

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 утилизацией.

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:

1. Изготовители ограничили Ni-MH батареи десятью элементами, потому что с увеличением циклов заряд-разряд и срока службы появляется опасность перегрева и переполюсовки.
2. Эти аккумуляторы работают в более узком температурном диапазоне, нежели никель-кадмиевые. Уже при -10 и +40°С они теряют свою работоспособность.
3. При зарядке Ni-MH аккумулятора выделяют много тепла, поэтому нуждаются в предохранителях либо температурных реле.
4. 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.