Baterie nichel-cadmiu (NiCd) - sursă secundară de curent chimic , în care catodul este hidroxid de nichel Ni (OH) 2 cu pulbere de grafit (aproximativ 5-8%), electrolitul este hidroxid de potasiu KOH cu o densitate de 1,19-1,21 cu la adăugarea hidroxidului de litiu LiOH (pentru formarea nichelaților de litiu și creșterea capacității cu 21–25%), un anod este hidroxidul de cadmiu Cd (OH) 2 sau cadmiul metalic Cd (sub formă de pulbere).
EMF -ul unei baterii nichel-cadmiu este de aproximativ 1,37 V, energia specifică este de aproximativ 45-65 W h / kg. În funcție de proiectare, de modul de funcționare (descărcări lungi sau scurte) și de puritatea materialelor utilizate, durata de viață este de la 100 la 900 de cicluri încărcare-descărcare. Bateriile industriale moderne (lamelă) nichel-cadmiu pot dura până la 20-25 de ani. Bateriile nichel-cadmiu (NiCd), împreună cu bateriile nichel-sare , pot fi depozitate descărcate, spre deosebire de bateriile nichel-metal hidrură (NiMH) și litiu-ion (Li-ion) , care trebuie depozitate încărcate.
În 1899, Waldmar Jungner din Suedia a inventat bateria nichel-cadmiu, care folosea nichel ca electrod pozitiv și cadmiul ca electrod negativ. Doi ani mai târziu, Edison a propus un design alternativ, înlocuind cadmiul cu fier. Datorită costului ridicat (comparativ cu bateriile uscate sau plumb-acid), utilizarea practică a bateriilor nichel-cadmiu și nichel-fier a fost limitată.
De la inventarea anodului presat în 1932 de către Schlecht și Ackermann, s-au făcut multe îmbunătățiri, rezultând un curent de sarcină mai mare și o durabilitate crescută. Cunoscuta baterie cu nichel-cadmiu sigilată a devenit astăzi disponibilă abia după inventarea de către Neumann a celulei complet etanșe în 1947.
Principiul de funcționare al bateriilor cu nichel-cadmiu se bazează pe un proces reversibil:
2NiOOH + Cd + 2H 2 O ↔ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 E 0 = 1,37 V.
Electrodul de nichel este o pastă de metahidroxid de nichel amestecat cu un material conductor și depus pe o plasă de oțel, iar electrodul de cadmiu este o plasă de oțel cu cadmiu spongios presat în ea . Spațiul dintre electrozi este umplut cu o compoziție asemănătoare jeleului pe bază de alcali umed, care îngheață la -27°C [1] . Celulele individuale sunt asamblate în baterii cu o energie specifică de 20-35 Wh/kg și o durată de viață lungă - câteva mii de cicluri de încărcare-descărcare.
În prezent, utilizarea bateriilor nichel-cadmiu este foarte limitată din motive de mediu, astfel încât acestea sunt utilizate doar acolo unde utilizarea altor sisteme este imposibilă, și anume, în dispozitivele caracterizate prin curenți mari de descărcare și încărcare. O baterie tipică de model zburător poate fi încărcată în jumătate de oră și descărcată în cinci minute. Datorită rezistenței interne foarte scăzute, bateria nu se încălzește nici la încărcare la curenți mari. Doar atunci când bateria este complet încărcată începe o încălzire vizibilă, care este folosită de majoritatea încărcătoarelor ca semnal pentru sfârșitul încărcării. Din punct de vedere structural, toate bateriile cu nichel-cadmiu sunt echipate cu o carcasă sigilată durabilă, care poate rezista presiunii interne a gazelor în condiții dure de funcționare.
Ciclul de descărcare începe la 1,35 V și se termină la 1,0 V (respectiv 100% capacitatea și 1% capacitatea rămasă)
Electrozii bateriilor cu nichel-cadmiu se realizează atât prin ștanțare dintr-o foaie, cât și prin presare dintr-o pulbere. Electrozii presați sunt mai avansați din punct de vedere tehnologic, mai ieftin de fabricat și au o capacitate de operare mai mare și, prin urmare, toate bateriile de uz casnic au electrozi presați. Cu toate acestea, sistemele presate sunt supuse așa-numitului „ efect de memorie ”. Efectul de memorie apare atunci când o baterie este încărcată înainte de a se epuiza efectiv. Un strat dublu electric „extra” apare în sistemul electrochimic al bateriei și tensiunea acesteia scade cu 0,1 V. Un controler tipic al unui dispozitiv care utilizează o baterie interpretează această scădere a tensiunii ca o descărcare completă a bateriei și raportează că bateria este "rău". Nu există o reducere reală a consumului de energie, iar un controler bun poate asigura că capacitatea bateriei este utilizată pe deplin. Cu toate acestea, într-un caz tipic, controlerul solicită utilizatorului să efectueze din ce în ce mai multe cicluri de încărcare. Și acest lucru duce la faptul că utilizatorul, cu cele mai bune intenții, „ucide” bateria cu propriile mâini. Adică, putem spune că bateria cedează nu atât de la „efectul de memorie” al electrozilor presați, cât de la „efectul de uitare” al controlerelor ieftine.
O baterie de uz casnic nichel-cadmiu, descărcată și încărcată cu curenți slabi (de exemplu, într-o telecomandă TV ), își pierde rapid capacitatea, iar utilizatorul o consideră nefuncțională. În mod similar, o baterie care a fost încărcată de mult timp (de exemplu, într-un sistem de alimentare neîntreruptibilă) își va pierde capacitatea, deși tensiunea sa va fi corectă. Adică, nu puteți folosi o baterie nichel-cadmiu în modul tampon. Cu toate acestea, un ciclu de descărcare profundă și încărcarea ulterioară vor restabili complet capacitatea bateriei.
În timpul depozitării, bateriile NiCd își pierd și ele capacitate, deși mențin tensiunea de ieșire. Pentru a evita sortarea incorectă la scoaterea bateriilor din depozit, se recomandă depozitarea lor într-o formă descărcată - apoi după prima încărcare bateriile vor fi complet gata de utilizare.
Pentru a descărca complet bateria și a egaliza tensiunile pe fiecare element descărcat, puteți conecta un lanț de două diode de siliciu și un rezistor la fiecare element, limitând astfel tensiunea la 1-1,1 V per element. În acest caz, căderea de tensiune pe fiecare diodă de siliciu este de 0,5–0,7 V, deci este necesar să selectați manual diodele pentru lanț, folosind, de exemplu, un multimetru.
După depozitarea pe termen lung a bateriei, este necesar să se efectueze două sau trei cicluri de încărcare/descărcare cu un curent egal numeric cu capacitatea nominală (1C), astfel încât să intre în modul de funcționare și să funcționeze cu eficiență deplină.
Bateriile cu nichel-cadmiu de dimensiuni mici sunt folosite în diverse echipamente ca înlocuitor pentru o celulă galvanică standard , mai ales dacă echipamentul consumă curent mare. Deoarece rezistența internă a bateriilor cu nichel-cadmiu este cu unu până la două ordine de mărime mai mică decât cea a bateriilor convenționale cu mangan-zinc și mangan-aer, puterea este furnizată mai stabil și fără supraîncălzire.
Bateriile cu nichel-cadmiu sunt utilizate în mașinile electrice (ca tracțiune), tramvaie și troleibuze (pentru alimentarea circuitelor de control), nave fluviale și maritime. Sunt utilizate pe scară largă în aviație ca baterii de bord pentru avioane și elicoptere. Ele sunt folosite ca surse de alimentare pentru șurubelnițe / șurubelnițe și burghie autonome , cu toate acestea, există tendința de a le înlocui cu baterii de curent mare ale diferitelor sisteme cu litiu.
În ciuda dezvoltării altor sisteme electrochimice și a înăspririi reglementărilor de mediu , bateriile cu nichel-cadmiu rămân alegerea principală pentru dispozitivele extrem de fiabile care consumă energie mare, cum ar fi luminile de scufundare .
Durată lungă de valabilitate, relativ puțin solicitantă pentru îngrijirea și controlul constant, capacitatea de a lucra stabil în îngheț până la -40 ° C și absența posibilității de aprindere în caz de depresurizare în comparație cu litiu, greutate specifică scăzută în comparație cu plumb și ieftinitatea în comparație cu argint-zinc, rezistența internă mai mică, fiabilitatea mai mare și rezistența la îngheț în comparație cu NiMH determină utilizarea încă pe scară largă a bateriilor nichel-cadmiu în echipamentele militare, aviație și comunicațiile radio portabile.
Bateriile nichel-cadmiu sunt, de asemenea, disponibile într-un design sigilat „tabletă”, cum ar fi bateriile pentru ceasuri. Electrozii dintr-o astfel de baterie sunt două tablete subțiri presate de masă activă, pliate într-o pungă cu un separator și un arc plat și rulate într-o carcasă de oțel placată cu nichel cu diametrul unei monede. Sunt folosite pentru alimentarea diferitelor sarcini, în mare parte de putere redusă (curent C / 10-C / 5). Sunt permisi doar curenți mici de încărcare, nu mai mult de C/10, deoarece recombinarea gazelor eliberate trebuie să aibă timp să aibă loc în interiorul carcasei. Datorita designului inchis, permit o reincarcare indelungata cu recombinare continua si eliberarea de energie in exces sub forma de caldura. Tensiunea unei astfel de baterii este mai mică decât cea a uneia neetanșate și se modifică puțin în timpul procesului de descărcare din cauza unui exces de masă activă a catodului creat pentru a accelera recombinarea oxigenului.
Bateriile de disc (de regulă, în baterii de 3 bucăți într-o carcasă comună, de o dimensiune similară cu cea sovietică D-0.06) au fost utilizate pe scară largă în computerele personale fabricate în anii 1980-1990, în special PC -286/386 și la începutul anilor. 486, pentru alimentarea cu energie a memoriei nevolatile de setări și ceas în timp real când alimentarea de la rețea este oprită. Durata de viață a bateriei în acest mod a fost de câțiva ani, după care bateria, în majoritatea cazurilor lipită pe placa de bază , a trebuit să fie înlocuită. Odată cu dezvoltarea tehnologiei CMOS și scăderea consumului de energie, bateriile NVRAM și RTC au fost înlocuite cu celule de litiu de unică folosință cu o capacitate de aproximativ 200 mAh ( CR2032 etc. ), instalate în prize cu blocare și înlocuite cu ușurință de către utilizator, cu un perioadă similară de funcționare continuă.
În URSS, bateriile de disc erau practic singurele baterii disponibile pentru vânzare generală (cu excepția bateriilor auto și, mai târziu, a dimensiunii NiCd AA pentru 450 mAh). Pe lângă elementele individuale, a fost oferită o baterie de 9 volți cu șapte baterii D-0.1 cu un conector similar cu Krone , care, totuși, nu a fost inclus în compartimentul de alimentare al tuturor radiourilor pentru care a fost destinat. Au fost furnizate doar cele mai simple încărcătoare cu un curent de C/10, încărcând bateria sau acumulatorul în aproximativ 14 ore (timpul era controlat de utilizator).
| Numele bateriei | Diametru , mm | Înălțime, mm | Tensiune, V | Capacitate, Ah | Curent de descărcare recomandat, mA | Aplicație |
|---|---|---|---|---|---|---|
| D-0,03 | 11.6 | 5.5 | 1.2 | 0,03 | 3 | camere , aparate auditive |
| D-0,06 | 15.6 | 6.4 | 1.2 | 0,06 | 12 | aparate foto , expometre fotografice , aparate auditive , dozimetre |
| D-0,125 | douăzeci | 6.6 | 1.2 | 0,125 | 12.5 | lanterne electrice reîncărcabile[ specifica ] , radiouri miniaturale |
| D-0,26 | 25.2 | 9.3 | 1.2 | 0,26 | 26 | lanterne electrice reîncărcabile, lanterne , calculatoare ( B3-36 ) |
| D-0,55 | 34.6 | 9.8 | 1.2 | 0,55 | 55 | vedere de noapte 1PN58 (un bloc de cinci D-0.55S), lanterne , lanterne electrice reîncărcabile, calculatoare ( B3-34 ) |
| 7D-0,125 | 8.4 | 0,125 | 12.5 | înlocuirea bateriei krona |
Bateriile NiCd sunt produse de multe companii, inclusiv companii internaționale mari precum GP Batteries, Samsung (sub marca Pleomax), VARTA , GAZ, Konnoc, Metabo, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial , Ansmann etc. Producătorii ruși, se poate numi NIAI (creat pe baza Laboratorului Central de Baterii, 1946), Kosmos, CJSC Pilot Plant NIIKhIT, JSC NIIKhIT.
Topirea produselor de reciclare a bateriilor NiCd are loc în cuptoare la temperaturi ridicate, cadmiul devine extrem de volatil în aceste condiții, iar dacă cuptorul nu este echipat cu un filtru special de captare, substanțele toxice (de exemplu, vaporii de cadmiu) sunt eliberate în mediu. , otrăvind zonele înconjurătoare. Ca rezultat, echipamentul de eliminare este mai scump decât echipamentul de eliminare a bateriilor cu plumb.