Ток разряда nimh аккумулятора. Аккумуляторы AA (Ni-MH, Ni-Cd) и Правильная зарядка, или восхваление Maha и LaCrosse (TechnoLine). Основные правила заряда никель кадмиевых аккумуляторов

NiMH означает «никель-металлогидрид». Правильная зарядка является ключом к поддержанию производительности и долговечности. Данную технологию нужно знать для того, чтобы заряжать NiMH. Восстановление NiMH-элементов — достаточно сложный процесс, потому что пик напряжения и последующее падение меньше, а следовательно, показатели определяются сложнее. Чрезмерная зарядка приводит к перегреву и повреждению элемента, после чего теряется емкость с последующей утратой функциональности.

Батарея — электрохимическое устройство, в котором электрическая энергия преобразуется и сохраняется в химической форме. Химическая энергия легко преобразуется в электрическую. NiMH работает по принципу, основанному на поглощении, высвобождении и переносе водорода внутри двух электродов.

Батареи NiMH состоят из двух металлических полос, которые выступают в качестве положительных и отрицательных электродов, а также изолирующего сепаратора из фольги между ними. Этот энергетический «бутерброд» наматывается и помещается в аккумуляторную батарею вместе с жидким электролитом. Положительный электрод обычно состоит из никеля, отрицательный — из гидрида металла. Отсюда и название «NiMH», или «никель-металл-гидрид».

Преимущества:

1. Содержит меньше токсинов и являются экологически чистым, поддаются переработке.
2. Эффект памяти выше, чем у Ni-Cad.
3. Гораздо безопаснее, чем литиевые батареи.

Недостатки:

1. Глубокая разрядка сокращает срок службы и вырабатывает тепло при быстрой зарядке и высокой нагрузке.
2. Саморазряд больше по сравнению с другими батареями, его нужно учитывать перед тем как заряжать NiMH.
3. Требуется высокий уровень технического обслуживания. Батарея должна быть полностью разряженной, чтобы предотвратить образование кристаллов в процессе зарядки.
4. Более дорогостоящий, чем Ni-Cad аккумулятор.

Никель-металлогидридная ячейка имеет много характеристик, аналогичных NiCd, например, кривую разряда (с учетом дополнительной зарядки), которую может принять батарея. Она нетерпима к перезарядке, вызывающей снижение емкости, что представляет серьезную проблему для разработчиков зарядных устройств.

Характеристики тока, которые необходимы для того, чтобы правильно зарядить аккумулятор NiMH:

1. Номинальное напряжение — 1.2V.
2. Удельная энергия — 60-120 Вт-час/кг.
3. Плотность энергии — 140-300 Вт-час/кг.
4. Удельная мощность — 250-1000 Вт/кг.
5. Эффективность зарядки / разрядки — 90%.

Эффективность зарядки никелевых батарей составляет в диапазоне от 100% до 70% от полной емкости. Вначале происходит небольшое повышение температуры, но позже, когда уровень заряда поднимается, КПД падает, выделяя тепло, что требуется учитывать перед тем как заряжать NiMH.

Когда аккумулятор NiCD разряжается до определенного минимума напряжения, а затем заряжается, необходимо принять меры, чтобы уменьшить эффект кондиционирования (примерно каждые 10 циклов зарядки/разрядки), иначе он начнет терять емкость. Для NiMH такое требование не требуется, поскольку эффект для него незначителен.

Тем не менее такой процесс восстановления удобен и для никель-металлогидридных устройств, его рекомендуют учитывать перед тем, как заряжать NiMH аккумуляторы. Процесс повторяют три-пять раз, прежде чем они достигнут полной емкости. Процесс кондиционирования перезаряжаемых батарей гарантирует, что они будут работать долгие годы.

Существует несколько способов зарядки, которые можно использовать с никель-металлогидридными батареями. Они, как и NiCds, требуют источника постоянного тока. Скорость обычно указывается на корпусе ячейки. Она не должна превышать технологические нормы. Пределы границ зарядки четко регламентированы производителями. Перед эксплуатацией батарей нужно четко знать, каким током заряжать NiMH аккумуляторы. Существует несколько методов, которые используются для предотвращения сбоя:

Параллельная зарядка батарей затрудняет качественное определение окончания процесса. Это связано с тем, что нельзя быть уверенным, что каждая ячейка или пакет имеют одинаковое сопротивление, и поэтому некоторые из них будут потреблять больше тока, чем другие. Это означает, что нужно использовать отдельную цепь зарядки для каждой линии в параллельном блоке. Следует установить, каким током заряжать NiMH, определив балансировку, например, используя резисторы такого сопротивления, что будут доминировать в управлении параметрами.

Современные алгоритмы были разработаны для обеспечения точной зарядки без использования термистора. Эти устройства аналогичны Delta V, но имеют специальные методы измерения для обнаружения полного заряда, обычно включающие некоторый цикл, когда напряжение измеряется по временному интервалу и между импульсами. Для многоэлементных пакетов, если они не находятся в одном и том же состоянии и не сбалансированы по емкости, они могут заполняться по одному за раз, подавая сигнал об окончании этапа.

Чтобы сбалансировать их, потребуется несколько циклов. Когда батарея достигает конца заряда, кислород начинает образовываться на электродах и рекомбинировать на катализаторе. Новая химическая реакция создает тепло, которое легко измеряется термистором. Это самый безопасный способ определения окончания процесса во время быстрого восстановления.

Ночная зарядка — самый дешевый способ зарядки никель-металлогидридной батареи при C/10, что ниже 10% от номинальной емкости в час. Это нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Таким образом, аккумулятор емкостью 100 мАч будет заряжаться при 10 мА в течение 15 часов. Этот метод не требует датчика окончания процесса и обеспечивает полный заряд. Современные элементы имеют катализатор рециркуляции кислорода, который предотвращает повреждение батареи при воздействии электротоком.

Этот метод не может использоваться, если скорость зарядки превышает C/10. Минимальное напряжение, необходимое для полной реакции, зависит от температуры (не менее 1,41 В на элемент при 20 градусах), что нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH. Продолжительное восстановление не вызывает вентиляции. Оно слегка нагревает батарею. Чтобы сохранить срок службы, рекомендуется использовать таймер с диапазоном от 13 до 15 часов. В зарядном устройстве Ni-6-200 есть микропроцессор, который сообщает о состоянии заряда через светодиод, а также выполняет функцию синхронизации.

Быстротечный процесс заряда

Используя таймер, можно заряжать C/3.33 в течение 5 часов. Это немного рискованно, так как батарея предварительно должна быть полностью разряжена. Один из способов убедиться в том, что этого не произойдет, — автоматическая разрядка аккумулятора, выполняемая зарядным устройством, который затем запускает процесс восстановления на 5 часов. Преимущество этого метода состоит в том, чтобы исключить любую возможность создания негативной памяти батареи.

В настоящее время не все производители выпускают подобные зарядные устройства, но микропроцессорная плата используется, например, в зарядном устройстве C/10 /NiMH-NiCad-solar-charge-controller и может быть легко модифицирован для выполнения разряда. Для рассеивания энергии частично заряженной батареи в течение разумного промежутка времени потребуется блок рассеивания мощности.

Если используется температурный монитор, аккумуляторы NiMH можно заряжать со скоростью до 1C, другими словами, 100% емкости в ампер-часах в течение 1,5 часов. Контроллер заряда батареи PowerStream делает это совместно с платой управления, которая способна измерять напряжение и ток для более сложных алгоритмов. При повышении температуры процесс должен быть прекращен, а при значение dT/dt должен быть установлен на 1-2 градуса в минуту.

Существуют новые алгоритмы, которые используют микропроцессорное управление при использовании сигнала -dV для определения окончания заряда. На практике они работают очень хорошо, поэтому современные устройства используют эту технологию, которая включает в себя процессы включения и выключения для измерения напряжения.

Спецификации адаптера

Важной проблемой является срок службы батарей или общая стоимость периода службы системы. В этом случае производители предлагают устройства с микропроцессорным управлением.

Алгоритм для идеального зарядного устройства:

1. Мягкий старт. Если температура выше 40 градусов или ниже нуля, начинают с зарядки C/10.
2. Опция. Если напряжение разряженной батареи выше 1,0 В/элемент, разряжают батарею до 1,0 В/элемент, а затем переходят к быстрой зарядке.
3. Быстрая зарядка. При 1 градусе, пока температура не достигнет 45 градусов или dT не указывает на полный заряд.
4. После завершения быстрой зарядки заряжают при C/10 в течение 4 часов, чтобы обеспечить полную зарядку.
5. Если напряжение заряженного NiMH аккумулятора поднимается до 1,78 В/элемент, прекращают работу.
6. Если время быстрой зарядки превышает 1,5 часа без перерыва, ее останавливают.

Теоретически подзарядка — это скорость заряда, которая достаточно высока, чтобы держать аккумулятор полностью заряженным, но достаточно низкая, чтобы избежать перезарядки. Определение оптимальной скорости подзарядки для конкретной батареи немного сложно описать, но общепризнанно, что она составляет около десяти процентов от емкости батареи, например, для Sanyo 2500 мАч AA NiMH оптимальная скорость подзарядки — 250 мА или ниже. Ее нужно учитывать, чтобы правильно заряжать NiMH аккумуляторы.

Наиболее частой причиной преждевременного выхода из строя аккумулятора является перезарядка. Типы зарядных устройств, которые чаще всего вызывают ее, — это так называемые «быстрые устройства» на 5 или 8 часов. Проблема с этими приборами состоит в том, что у них действительно нет механизма контроля процесса.

Большинство из них имеют простую функциональность. Они заряжаются с полной скоростью в течение фиксированного периода времени (обычно пять или восемь часов), а затем отключаются или переключаются на более низкую «ручную» скорость. Если они используются должным образом, то все в порядке. Если они применяются неправильно, то срок службы батареи сокращается несколькими способами:

1. Если полностью заряженные или частично заряженные батареи вставлены в устройство, оно не может это почувствовать, поэтому полностью заряжает аккумуляторы, для которых оно предназначено. Так, емкость аккумулятора падает.
2. Другой распространенной ситуацией является прерывание цикла зарядки в процессе. Однако после этого следует повторное подключение. К сожалению, это ведет к повторному запуску полного цикла зарядки, даже если предыдущий цикл практически завершен.

Самый простой способ избежать этих сценариев — использовать интеллектуальное зарядное устройство с микропроцессорным управлением. Оно может определять, когда батарея полностью заряжена, а затем — в зависимости от ее конструкции — либо полностью отключаться, либо переключаться в режим подзарядки.

Для того чтобы заряжать NiMH iMax, понадобится специальное зарядное устройство, так как использование неправильного метода может сделать батарею бесполезной. Многие пользователи считают iMax B6 лучшим выбором для зарядки NiMH. Он поддерживает процесс до 15 ячеистых батарей, а также множество настроек и конфигураций для разных типов аккумуляторов. Рекомендуемое время зарядки не должно превышать 20 часов.

Как правило, производитель гарантирует 2000 циклов зарядки / разрядки от стандартной батареи NiMH, хотя это количество может отличаться по условиям эксплуатации.

Алгоритм работы:

1. Заряжаем NiMH iMax B6. Необходимо подключить шнур питания к розетке с левой стороны устройства, принимая во внимание форму на конце кабеля, чтобы убедиться, что выполнено правильное подсоединение. Вставляем его до упора и останавливаем нажатие, когда появится звуковой сигнал и приветственное сообщение на экране дисплея.
2. Используют серебряную кнопку в крайнем левом углу, чтобы просмотреть первое меню и выбрать тип батареи, которую нужно зарядить. Нажатие крайней левой кнопки подтвердит выбор. Кнопка справа будет прокручивать опции: зарядка, разрядка, баланс, быстрая зарядка, хранение и другие.
3. Две центральные кнопки управления помогут выбрать нужный номер. Нажав крайнюю правую кнопку для входа, можно перейти к настройке напряжения, снова прокручивая с помощью двух центральных кнопок и нажав ввод.
4. Используют несколько кабелей для подключения аккумулятора. Первый набор выглядит как оборудование для лабораторных проводов. Он часто поставляется в комплекте с зажимами для крокодилов. Розетки для подключения находятся на правой стороне устройства рядом с нижней частью. Их достаточно легко обнаружить. Именно так можно зарядить NiMH с iMax B6.
5. Затем нужно подключить свободный кабель аккумулятора к концу красного и черного зажимов, создавая замкнутый контур. Это может быть немного рискованно, особенно если пользователь в первый раз выполнит неправильные настройки. Нажимают и удерживают кнопку ввода в течение трех секунд. Затем экран должен информировать о том, что он проверяет батарею, после чего пользователя попросят подтвердить настройку режима.
6. Во время зарядки аккумулятора можно прокручивать различные экраны дисплея с помощью двух центральных кнопок, которые сообщают информацию о процессе зарядки в различных режимах.

Самый стандартный совет: полностью разрядить батареи, а затем зарядить их. Хотя это является обработкой «эффекта памяти», в никель-кадмиевых батареях нужно быть осторожным, так как легко повредить их из-за чрезмерной разрядки, что приводит к «обращению полюсов» и к необратимым процессам. В некоторых случаях электроника аккумуляторов выполнена таким образом, что предотвращает негативные процессы, отключаясь до того, как они произойдут, но более простые устройства, например, для фонариков, этого не делают.

Необходимо:

1. Быть готовым заменить их. Никель-металлогидридные батареи не вечны. После окончания ресурса они перестанут работать.
2. Купить «умное» зарядное устройство, которое с помощью электроники контролирует процесс и предотвращает перезарядку. Это не только лучше для аккумуляторов, но и потребляет меньше энергии.
3. Извлечь батарею, когда перезарядка завершена. Ненужное время на устройстве означает, что для его зарядки используется больше «струйной» энергии, поэтому увеличивается износ и расходуется больше энергии.
4. Не разряжать батареи полностью, чтобы продлить срок их службы. Несмотря на все советы об обратном, полная разрядка фактически сокращает срок их службы.
5. Хранить NiMH батареи при комнатной температуре в сухом месте.
6. Избыточное тепло может повредить батареи и привести к их быстрой разрядке.
7. Рассмотреть возможность использования модели с низким уровнем заряда.

Таким образом, можно подвести черту. Действительно никель-металлогидрид батареи более подготовлены производителем для работы в современных условиях, а правильная зарядка аккумуляторов с применением умного устройства обеспечит их производительность и долговечность.

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:

1. Положительный электрод – анод, осуществляет окислительную реакцию с абсорбцией водорода;
2. 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:

1. 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.
2. 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;
3. 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

Данная статья про Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы уже давно является классикой на просторах российского интернета. Рекомендую ознакомиться …

Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы по своей конструкции являются аналогами никель-кадмиевых (Ni-Cd) аккумуляторов, а по электрохимическим процессам — никель-водородных аккумуляторов. Удельная энергия Ni-MH аккумулятора существенно выше удельной энергии Ni-Cd и водородных аккумуляторов (Ni-H2)

ВИДЕО: Аккумуляторы никель-металлгидридные (NiMH)

Сравнительные характеристики аккумуляторов

***Большой разброс некоторых параметров в таблице вызван различным назначением (конструкциями) аккумуляторов. Кроме того, в таблице не учитываются данные по современным аккумуляторам с низким саморазрядом

История Ni-MH аккумулятора

Разработка никель-металл-гидридных (Ni-MH) аккумуляторных батарей началась в 50-70-х гг прошлого века. В результате был создан новый способ сохранения водорода в никель-водородных батареях, которые использовались в космических аппаратах. В новом элементе водород накапливался в сплавах определенных металлов. Сплавы, абсорбирующие водород в объеме в 1000 раз больше их собственного объема, были найдены в 1960-х годах. 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. Для создания Ni-MH аккумуляторов потребовалось создание сплавов, работоспособных при малом давлении водорода и комнатной температуре. В настоящее время работа по созданию новых сплавов и технологий их обработки продолжается во всем мире. Сплавы никеля с металлами редкоземельной группы могут обеспечить до 2000 циклов заряда-разряда аккумулятора при понижении емкости отрицательного электрода не более чем на 30 %. Первый Ni-MH аккумулятор, в котором в качестве основного активного материала металлгидридного электрода применялся сплав LaNi5, был запатентован Биллом в 1975 г. В ранних экспериментах с металлгидридными сплавами, никель-металлгидридные аккумуляторы работали нестабильно, и требуемой емкости батарей достичь не получалось. Поэтому промышленное использование Ni-MH аккумуляторов началось только в середине 80-х годов после создания сплава La-Ni-Co, позволяющего электрохимически обратимо абсорбировать водород на протяжении более 100 циклов. С тех пор конструкция Ni-MH аккумуляторных батарей непрерывно совершенствовалась в сторону увеличения их энергетической плотности. Замена отрицательного электрода позволила повысить в 1,3-2 раза закладку активных масс положительного электрода, который и определяет емкость аккумулятора. Поэтому Ni-MH аккумуляторы имеют по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами значительно более высокими удельными энергетическими характеристиками. Успех распространению никель-металлгидридных аккумуляторных батарей обеспечили, высокая энергетическая плотность и нетоксичностъ материалов, используемых при их производстве.

Основные процессы Ni-MH аккумуляторов

В Ni-MH аккумуляторах в качестве положительного электрода используется оксидно-никелевый электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, а электрод из сплава никеля с редкоземельными металлами, поглощающий водород, используется вместо отрицательного кадмиевого электрода. На положительном оксидно-никелевом электроде Ni-MH аккумулятора протекает реакция:

Ni(OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e — (заряд) NiOOH + H 2 O + e — → Ni(OH) 2 + OH — (разряд)

На отрицательном электроде металл с абсорбированным водородом превращается в металлгидрид:

M + H 2 O + e — → MH + OH- (заряд) MH + OH — → M + H 2 O + e — (разряд)

Общая реакция в Ni-MH аккумуляторе записывается в следующем виде:

Ni(OH) 2 + M → NiOOH + MH (заряд) NiOOH + MH → Ni(OH) 2 + M (разряд)

Электролит в основной токообразующей реакции не участвует. После сообщения 70-80 % емкости и при перезаряде на оксидно-никелевом электроде начинает выделяться кислород,

2OH- → 1/2O 2 + H2O + 2e — (перезаряд)

который восстанавливается на отрицательном электроде:

1/2O 2 + H 2 O + 2e — → 2OH — (перезаряд)

Две последние реакции обеспечивают замкнутый кислородный цикл. При восстановлении кислорода обеспечивается еще и дополнительное повышение емкости металлгидридного электрода за счет образования группы ОН — .

Конструкция электродов Ni-MH аккумуляторов

Металлводородный электрод

Главным материалом, определяющим характеристики Ni-MH аккумулятора, является водород-абсорбирующий сплав, который может поглощать объем водорода, в 1000 раз превышающий свой собственный объем. Самое большое распространение получили сплавы типа LaNi5, в которых часть никеля заменена марганцем, кобальтом и алюминием для увеличения стабильности и активности сплава. Для уменьшения стоимости некоторые фирмы-производители вместо лантана применяют миш-металл (Мm, который представляет собой смесь редкоземельных элементов, их соотношение в смеси близко к соотношению в природных рудах), включающий кроме лантана также церий, празеодим и неодим. При зарядно-разрядном циклировании имеет место расширение и сжатие на 15-25% кристаллической решетки водородабсорбирующих сплавов из-за абсорбции и десорбции водорода. Такие изменения ведут к образованию трещин в сплаве из-за увеличения внутреннего напряжения. Образование трещин вызывает увеличение площади поверхности, которая подвергается коррозии при взаимодействии со щелочным электролитом. По этим причинам разрядная емкость отрицательного электрода постепенно понижается. В аккумуляторе с ограниченным количеством электролита, это порождает проблемы, связанные с перераспределением электролита. Коррозия сплава приводит к химической пассивности поверхности из-за образования стойких к коррозии оксидов и гидроксидов, которые повышают перенапряжение основной токообразующей реакции металлогидридного электрода. Образование продуктов коррозии происходит с потреблением кислорода и водорода из раствора электролита, что, в свою очередь, вызывает снижение количества электролита в аккумуляторе и повышение его внутреннего сопротивления. Для замедления нежелательных процессов диспергирования и коррозии сплавов, определяющих срок службы Ni-MH аккумуляторов, применяются (помимо оптимизации состава и режима производства сплава) два основных метода. Первый метод заключается в микрокапсулировании частиц сплава, т.е. в покрытии их поверхности тонким пористым слоем (5-10 %) — по массе никеля или меди. Второй метод, нашедший наиболее широкое применение в настоящее время, заключается в обработке поверхности частиц сплава в щелочных растворах с формированием защитных пленок, проницаемых для водорода.

Оксидноникелевый электрод

Оксидно-никелевые электроды в массовом производстве изготавливаются в следующих конструктивных модификациях: ламельные, безламельные спеченные (металлокерамические) и прессованные, включая таблеточные. В последние годы начинают использоваться безламельные войлочные и пенополимерные электроды.

Ламельные электроды

Ламельные электроды представляют собой набор объединенных между собой перфорированных коробочек (ламелей), произведенных из тонкой (толщиной 0,1 мм) никелированной стальной ленты.

Спеченные (металлокерамические) электроды

электроды данного типа состоят из пористой (с пористостью не менее 70%) металлокерамической основы, в порах которой располагается активная масса. Основу изготовляют из карбонильного никелевого мелкодисперсного порошка, который в смеси с карбонатом аммония или карбамидом (60-65% никеля, остальное — наполнитель) напрессовывают, накатывают или напыляют на стальную или никелевую сетку. Затем сетку с порошком подвергают термообработке в восстановительной атмосфере (обычно в атмосфере водорода) при температуре 800-960 °С, при этом карбонат аммония или карбамид разлагается и улетучивается, а никель спекается. Полученные таким образом основы имеют толщину 1-2,3 мм, пористость 80-85% и радиус пор 5-20 мкм. Основу поочередно пропитывают концентрированным раствором нитрата никеля или сульфата никеля и нагретым до 60-90 °С раствором щелочи, которая побуждает осаждение оксидов и гидроксидов никеля. В настоящее время используется также электрохимический метод пропитки, при котором электрод подвергается катодной обработке в растворе нитрата никеля. Из-за образования водорода раствор в порах пластины подщелачивается, что приводит к осаждению оксидов и гидроксидов никеля в порах пластины. К разновидностям спеченных электродов причисляют фольговые электроды. Электроды производят нанесением на тонкую (0,05 мм) перфорированную никелевую ленту с двух сторон, методом пульверизации, спиртовой эмульсии никелевого карбонильного порошка, содержащей связующие вещества, спеканием и дальнейшей химической или электрохимической пропиткой реагентами. Толщина электрода составляет 0,4-0,6 мм.

Прессованные электроды

Прессованные электроды изготавливают методом напрессовки под давлением 35-60 МПа активной массы на сетку или стальную перфорированную ленту. Активная масса состоит из гидроксида никеля, гидроксида кобальта, графита и связующего вещества.

Металловойлочные электроды

Металловойлочные электроды имеют высокопористую основу, сделанную из никелевых или углеродных волокон. Пористость этих основ — 95 % и более. Войлочный электрод выполнен на базе никелированного полимерного или углеграфитового фетра. Толщина электрода в зависимости от его предназначения находится в диапазоне 0,8-10 мм. Активная масса вносится в войлок разными методами в зависимости от его плотности. Вместо войлока может использоваться пеноникель , получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В высокопористую среду вносятся обычно методом намазки паста, содержащая гидроксид никеля, и связующее. После этого основа с пастой сушится и вальцуется. Войлочные и пенополимерные электроды характеризуются высокой удельной емкостью и большим ресурсом.

Конструкция Ni-MH аккумуляторов

Ni-MH аккумуляторы цилиндрической формы

Положительный и отрицательный электроды, разделенные сепаратором, свернуты в виде рулона, который вставлен в корпус и закрыт герметизирующей крышкой с прокладкой (рисунок 1). Крышка имеет предохранительный клапан, срабатывающий при давлении 2-4 МПа в случае сбоя при эксплуатации аккумулятора.

Рис.1. Конструкция никель-металлгидридного (Ni-MH) аккумулятора: 1-корпус, 2-крышка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-колектор положительного электрода, 6-изоляционное кольцо, 7-отрецательный электрод, 8-сепаротор, 9-положительный электрод, 10-изолятор.

Ni-MH аккумуляторы призматической формы

В призматических Ni-MH аккумуляторах положительные и отрицательные электроды размещены поочередно, а между ними размещается сепаратор. Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой. На крышке как правило устанавливается клапан или датчик давления (рисунок 2).

Рис.2. Конструкция Ni-MH аккумулятора: 1-корпус, 2-крышка, 3-калпачок клапана, 4-клапан, 5-изоляционная прокладка, 6-изолятор, 7-отрецательный электрод, 8-сепаротор, 9-положительный электрод.

В Ni-MH аккумуляторах используется щелочной электролит, состоящий из КОН с добавкой LiOH. В качестве сепаратора в Ni-MH аккумуляторах применяются нетканые полипропилен и полиамид толщиной 0,12-0,25 мм, обработанные смачивателем.

Положительный электрод

В Ni-MH аккумуляторах применяются положительные оксидно-никелевые электроды, аналогичные используемым в Ni-Cd аккумуляторах. В Ni-MH аккумуляторах в основном применяются металлокерамические, а в последние годы — войлочные и пенополимерные электроды (см. выше).

Отрицательный электрод

Практическое применение в Ni-MH аккумуляторах нашли пять конструкций отрицательного металлогидридного электрода (см. выше): — ламельная, когда порошок водород-абсорбирующего сплава со связующим веществом или без связующего, запрессован в никелевую сетку; — пеноникелевая, когда паста со сплавом и связующим веществом вводится в поры пеноникелевой основы, а потом сушится и прессуется (вальцуется); — фольговая, когда паста со сплавом и связующим веществом наносится на перфорированную никелевую или стальную никелированную фольгу, а потом сушится и прессуется; — вальцованная, когда порошок активной массы, состоящей из сплава и связующего вещества, наносится вальцеванием (прокаткой) на растяжную никелевую решетку или медную сетку; — спеченная, когда порошок сплава напрессовывается на никелевую сетку и после этого спекается в атмосфере водорода. Удельные емкости металлогидридных электродов разных конструкций близки по значению и определяются, в основном, емкостью применяемого сплава.

Характеристики Ni-MH аккумуляторов. Электрические характеристики

Напряжение разомкнутой цепи

Значение напряжения разомкнутой цепи Uр.ц. Ni-MH-системы точно определить тяжело вследствие зависимости равновесного потенциала оксидно-никелевого электрода от степени окисленности никеля, а также зависимости равновесного потенциала металлогидридного электрода от степени насыщения его водородом. Через 24 часа после заряда аккумулятора, напряжение разомкнутой цепи заряженного Ni-MH аккумулятора находится в интервале 1,30-1,35В.

Номинальное разрядное напряжение

Uр при нормированном токе разряда Iр = 0,1-0,2С (С — номинальная емкость аккумулятора) при 25°С составляет 1,2-1,25В, обычное конечное напряжение — 1В. Напряжение уменьшается с ростом нагрузки (см. рисунок 3)

Рис.3. Разрядные характеристики Ni-MH аккумулятора при температуре 20°С и разных нормированных токах нагрузки: 1-0,2С; 2-1С; 3-2С; 4-3С

Ёмкость аккумуляторов

С повышением нагрузки (уменьшение времени разряда) и при понижении температуры емкость Ni-MH аккумулятора уменьшается (рисунок 4). Особенно заметно действие снижения температуры на емкость при больших скоростях разряда и при температурах ниже 0°С.

Рис.4. Зависимость разрядной емкости Ni-MH аккумулятора от температуры при разных токах разряда: 1-0,2С; 2-1С; 3-3С

Сохранность и срок службы Ni-MH аккумуляторов

При хранении происходит саморазряд Ni-MH аккумулятора. По прошествии месяца 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 (см. рисунок 5).

Рис.5. Зависимость разрядной емкости Ni-MH аккумулятора от времени хранения при разных температурах: 1-0°С; 2-20°С; 3-40°С

Зарядка Ni-MH аккумулятора

Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы Ni-MH аккумулятора в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка понижается с увеличением глубины и скорости разряда. Наработка зависит от скорости заряда и способа контроля его окончания. В зависимости от типа Ni-MH аккумуляторов, режима работы и условий эксплуатации аккумуляторы обеспечивают от 500 до 1800 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы (в среднем) от 3 до 5 лет.

Для обеспечения надежной работы Ni-MH аккумулятора в течение гарантированного срока нужно соблюдать рекомендации и инструкцию производителя. Наибольшее внимание следует уделить температурному режиму. Желательно избегать переразрядов (ниже 1В) и коротких замыканий. Рекомендуется использовать Ni-MH аккумуляторы по назначению, избегать сочетания бывших в употреблении и неиспользованных аккумуляторов, не припаивать непосредственно к аккумулятору провода или прочие части. Ni-MH аккумуляторы более чувствительны к перезаряду, чем Ni-Cd. Перезаряд может привести к тепловому разгону. Зарядка как правило производится током Iз=0,1С на протяжении 15 часов. Компенсационный подзаряд производят током Iз=0,01-0,03С на протяжении 30 часов и более. Ускоренный (за 4 — 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. При таких зарядах процесс контролируется по изменению температуры ΔТ и напряжения ΔU и другим параметрам. Быстрый заряд применяется, например, для Ni-MH аккумуляторов, питающих ноутбуки, сотовые телефоны, электрические инструменты, хотя в ноутбуках и сотовых телефонах сейчас в основном используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Рекомендуется также трехступенчатый способ заряда: первый этап быстрого заряда (1С и выше), заряд со скоростью 0,1С в течение 0,5-1 ч для заключительной подзарядки, и заряд со скоростью 0,05-0,02С в качестве компенсационного подзаряда. Информация о способах заряда Ni-MH аккумуляторов обычно содержится в инструкциях фирмы-производителя, а рекомендуемый ток зарядки указан на корпусе аккумулятора. Зарядное напряжение Uз при Iз=0,3-1С лежит в интервале 1,4-1,5В. По причине выделения кислорода на положительном электроде, количество электричества преданного при заряде (Qз) больше разрядной емкости (Ср). При этом отдача по емкости (100 Ср/Qз) составляет 75-80% и 85-90% соответственно для дисковых и цилиндрических Ni-MH аккумуляторов.

Контроль заряда и разряда

Для исключения перезаряда Ni-MH аккумуляторных батарей могут применятся следующие методы контроля заряда с соответствующими датчиками, устанавливаемыми в аккумуляторные батареи или зарядные устройства:

• метод прекращения заряда по абсолютной температуре Тmax. Температура батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а при достижении максимального значения быстрый заряд прерывается;
• метод прекращения заряда по скорости изменения температуры ΔT/Δt. При применении этого метода крутизна температурной кривой аккумуляторной батареи постоянно контролируется во время процесса заряда, а когда этот параметр становится выше определенно установленного значения, заряд прерывается;
• метод прекращения заряда по отрицательной дельте напряжения -ΔU. В конце заряда аккумулятора при осуществлении кислородного цикла начинает повышаться его температура, приводя к уменьшению напряжения;
• метод прекращения заряда по максимальному времени заряда t;
• метод прекращения заряда по максимальному давлению Pmax. Используется обычно в призматических аккумуляторах больших размеров и емкости. Уровень допустимого давления в призматическом аккумуляторе зависит от его конструкции и лежит в интервале 0,05-0,8 МПа;
• метод прекращения заряда по максимальному напряжению Umax. Применяется для отключения заряда аккумуляторов с высоким внутренним сопротивлением, которое появляется в конце срока службы из-за недостатка электролита или при пониженной температуре.

При применении метода Тmax аккумуляторная батарея может быть слишком перезаряжена, если температура окружающей среды понижается, либо батарея может получить недостаточно заряда, если температура окружающей среды значительно повышается. Метод ΔT/Δt может применяться очень эффективно для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды. Но если при более высоких температурах применять только этот метод, то аккумуляторы внутри аккумуляторных батарей будут подвергаться нагреванию до нежелательно высоких температур до того, как может быть достигнуто значение ΔT/Δt для отключения. Для определенного значения ΔT/Δt может быть получена большая входная емкость при более низкой температуре окружающей среды, чем при более высокой температуре. В начале заряда аккумуляторной батареи (как и в конце заряда) происходит быстрое повышение температуры, что может привести к преждевременному отключению заряда при применении метода ΔT/Δt. Для исключения этого разработчики зарядных устройств используют таймеры начальной задержки срабатывания датчика при методе ΔT/Δt. Метод -ΔU является эффективным для прекращения заряда при низких температурах окружающей среды, а не при повышенных температурах. В этом смысле метод похож на метод ΔT/Δt. Для обеспечения прекращения заряда в тех случаях, когда непредвиденные обстоятельства препятствуют нормальному прерыванию заряда, рекомендуется также использовать контроль по таймеру, регулирующему длительность операции заряда (метод t). Таким образом, для быстрого заряда аккумуляторных батарей нормированными токами 0,5-1С при температурах 0-50 °С целесообразно применять одновременно методы Тmax (с температурой отключения 50-60 °С в зависимости от конструкции аккумуляторов и батарей), -ΔU (5-15 мВ на аккумулятор), t (обычно для получения 120 % номинальной емкости) и Umax (1,6-1,8 В на аккумулятор). Вместо метода -ΔU может использоваться метод ΔT/Δt (1-2 °С/мин) с таймером начальной задержки (5-10 мин). Про контроль заряда так же см. соответствуюшую статью После проведения быстрого заряда аккумуляторной батареи, в зарядных устройствах предусматривают переключение их на подзаряд нормированным током 0,1С — 0,2С в течение определенного времени. Для Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется заряд при постоянном напряжении, так как может произойти «тепловой выход из строя» аккумуляторов. Это связано с тем, что в конце заряда происходит повышение тока, который пропорционален разности между напряжением электропитания и напряжением аккумулятора, а напряжение аккумулятора в конце заряда понижается из-за повышения температуры. При низких температурах скорость заряда должна быть уменьшена. В противном случае кислород не успеет рекомбинироваться, что приведет к росту давления в аккумуляторе. Для эксплуатации в таких условиях рекомендуются Ni-MH аккумуляторы с высокопористыми электродами.

Достоинства и недостатки Ni-MH аккумуляторов

Значительное увеличение удельных энергетических параметров не единственное достоинство Ni-MH аккумуляторов перед Ni-Cd аккумуляторами. Отказ от кадмия означает также переход к более экологически чистым производствам. Легче решается и проблема утилизации вышедших из строя аккумуляторов. Эти достоинства Ni-MH аккумуляторов определили более быстрый рост объемов их производства у всех ведущих мировых аккумуляторных компаний по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами.

У Ni-MH аккумуляторов нет «эффекта памяти», свойственного Ni-Cd аккумуляторам из-за образования никелата в отрицательном кадмиевом электроде. Однако эффекты, связанные с перезарядом оксидно-никелевого электрода, сохраняются. Уменьшение разрядного напряжения, наблюдаемое при частых и долгих перезарядах так же, как и у Ni-Cd аккумуляторов, может быть устранено при периодическом осуществлении нескольких разрядов до 1В — 0.9В. Такие разряды достаточно проводить 1 раз в месяц. Однако никель-металлогидридные аккумуляторы уступают никель-кадмиевым, которые они призваны заменить, по некоторым эксплуатационным характеристикам:

• Ni-MH аккумуляторы эффективно работают в более узком интервале рабочих токов, что связано с ограниченной десорбцией водорода металлгидридного электрода при очень высоких скоростях разряда;
• Ni-MH аккумуляторы имеют более узкий температурный диапазон эксплуатации: большая их часть неработоспособна при температуре ниже -10 °С и выше +40 °С, хотя в отдельных сериях аккумуляторов корректировка рецептур обеспечила расширение температурных границ;
• в течении заряда Ni-MH аккумуляторов выделяется больше теплоты, чем при заряде Ni-Cd аккумуляторов, поэтому в целях предупреждения перегрева батареи из Ni-MH аккумуляторов в процессе быстрого заряда и/или значительного перезаряда в них устанавливают термо-предохранители или термо-реле, которые располагают на стенке одного из аккумуляторов в центральной части батареи (это относится к промышленным аккумуляторным сборкам);
• Ni-MH аккумуляторы имеют повышенный саморазряд, что определяется неизбежностью реакции водорода, растворенного в электролите, с положительным оксидно-никелевым электродом (но, благодаря использованию специальных сплавов отрицательного электрода, получилось достигнуть снижения скорости саморазряда до величин, близких к показателям для Ni-Cd аккумуляторов);
• опасность перегрева при заряде одного из Ni-MH аккумуляторов батареи, а также переполюсования аккумулятора с меньшей емкостью при разряде батареи, возрастает с рассогласованием параметров аккумуляторов в результате продолжительного циклирования, поэтому создание батарей более чем из 10 аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями;
• потери емкости отрицательного электрода, которые имеют место в Ni-MH аккумуляторе при разряде ниже 0 В, необратимы, что выдвигает более жесткие требования к подбору аккумуляторов в батарее и контролю процесса разряда, чем в случае использования Ni-Cd аккумуляторов, как правило рекомендуется разряд до 1 В/ак в батареях незначительного напряжения и до 1,1 В/ак в батарее из 7-10 аккумуляторов.

Как уже отмечалось ранее, деградация Ni-MH аккумуляторов определяется прежде всего понижением при циклировании сорбирующей способности отрицательного электрода. В цикле заряда-разряда происходит изменение объема кристаллической решетки сплава, что приводит к образованию трещин и последующей коррозии при реакции с электролитом. Образование продуктов коррозии происходит с поглощением кислорода и водорода, в результате чего уменьшается общее количество электролита и повышается внутреннее сопротивление аккумулятора. Следует заметить, что характеристики Ni-MH аккумуляторов существенно зависят от сплава отрицательного электрода и технологии обработки сплава для повышения стабильности его состава и структуры. Это вынуждает изготовителей аккумуляторов внимательно относиться к выбору поставщиков сплава, а потребителей аккумуляторов — к выбору компании-изготовителя.

По материалам сайтов pоwеrinfо.ru, «Чип и Дип»

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:

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:

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.

Методы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Существует много различных методов заряда NiCd или NiMH аккумуляторов. Но все их можно разделить на 4 основные группы:

– стандартный заряд – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.

– быстрый заряд – заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов.

– ускоренный или дельта V заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час.

– реверсивный заряд – импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

Несколько слов о терминологии. Емкость аккумулятора часто обозначается буквой “C”, и Вы часто будете видеть ссылки подобные 1/20 C или C/20. Когда говорят о разряде, равном 1/10 C, то это означает разряд током, равным десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора.

Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA.

Теоретически аккумулятор емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.

Аналогично при заряде аккумуляторов, значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора. Медленный заряд в 1/10 C – обычно безопасен для любого аккумулятора.

Стандартный (или медленный) метод заряда

Этот метод подразумевает заряд током приблизительно равным 50 мА (для AA элементов) в течение 15 часов. При таком токе, диффузия кислорода более чем достаточна, чтобы предпринимать какие-либо меры для уменьшения тока после достижения полного заряда.

Безусловно, что в этом случае существует риск получить уменьшение напряжения при перезаряде.

Рис. 3

На графике (Рис.3) ток заряда поддерживается постоянно равным 0. 1C в течение 16 часов. Во время заряда наблюдается повышение напряжения на элементе аккумулятора. (По окончании заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться. Примеч. Переводчика.)

Следует отметить, что NiCd и NiMH аккумуляторы всегда заряжаются постоянным током, в отличие от свинцово-кислотных, которые заряжаются при постоянном напряжении.

Метод быстрого заряда.

Разновидностью медленного заряда является метод быстрого заряда, при котором используется ток заряда от 0.3 до 1.0C. В этом случае существенно важно, чтобы аккумулятор был полностью разряжен перед зарядом, так что такие зарядные устройства часто начинают заряд с цикла разряда для того, чтобы зарядить аккумулятор до его максимальной емкости.

Рис. 4

На графике (Рис.4) заряд током в 1/3 C поддерживался от 4 до 5 часов. Этот метод заряда имеет тенденцию к перегреву аккумулятора, особенно при заряде током близком к 1 C.

Метод D V заряда

Наилучший метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов – так называемый метод дельта V (метод измерения изменения напряжения). Если измерять напряжение на выводах элемента в течение заряда постоянным током, то можно заметить, что напряжение медленно повышается во время заряда. В точке полного заряда, напряжение на элементе будет кратковременно уменьшаться.

Величина уменьшения небольшая, примерно 10 mV на элемент для NiCd и меньше для NiMH, но явно выражена. Метод дельта V заряда почти всегда сопровождается измерением температуры, что обеспечивает дополнительный критерий оценки степени заряда аккумулятора (а для верности зарядные устройства для больших аккумуляторов высокой емкости обычно имеют кроме этого и таймеры безопасности).

Рис. 5

На графике (Рис.5) использовался ток заряда равный 1 C и после достижения полного заряда, ток заряда уменьшился до 1/30 … 1/50 C для компенсации явления саморазряда аккумулятора.

Существуют электронные схемы, разработанные специально для реализации метода дельта V заряда. Например MAX712 и 713. Реализация этого метода более дорога, чем другие, но дает хорошо воспроизводимые результаты.

Следует отметить, что в аккумуляторе с хотя бы одним плохим элементом из цепочки последовательно соединенных, метод дельта V заряда может не работать и привести к разрушению остальных элементов, поэтому необходимо быть осторожным.

Другой экономичный путь обнаружения момента полного заряда аккумулятора заключается в измерении температуры элемента. Температура элемента резко повышается при достижении полного заряда. И когда она повысится на 10° С или значительно выше окружающей среды, прекратите заряд, или перейдите в режим тонкоструйного заряда. При любом методе заряда, если применяются большие токи заряда, требуется предохранительный таймер. На всякий случай не допускайте ток заряда более, чем значение двойной емкости элемента,. (т.е. для элемента емкостью 800 мА*час, не более, чем 1600 мА*часа заряд).

NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с зарядом. Величина дельта V очень мала (примерно 2mV на элемент) и ее более трудно обнаружить, чем в случае NiCd аккумуляторов.

Поэтому NiMH аккумуляторы для сотовых телефонов имеют температурные датчики в качестве резервного средства для обнаружения дельта V .

Одна из специфических проблем, связанных с зарядом по этому методу заключается в том, что при использовании в автомобилях электрические шумы и помехи маскируют обнаружение дельта V, и телефоны более склонные к управлению зарядом по температурному ограничению. Это может привести к порче аккумулятора в автомобиле, где телефон постоянно подключен (например автомобильный комплект) и многократные запуски и остановки двигателя имеет место. Каждый раз, когда зажигание выключается на несколько минут и затем включается обратно, новый цикл заряда инициируется.

При использовании нерегулируемого зарядного устройства, которое не обеспечивает обнаружение момента наступления полного заряда любым известным способом, необходимо ограничить ток заряда. Практически все NiCd элементы могут заряжаться током C/10 (приблизительно 50 мА для AA элемента) неопределенно долго без охлаждения. При этом, естественно, не удасться избежать уменьшения напряжения после полного заряда, но и аккумулятор не испортится. Все зарядные устройства, непосредственно встроенные в телефоны, имеют электронные схемы обнаружения полного заряда.

Если хотите ускорить процесс, то заряд током величиной C/3 зарядит элементы примерно через 4 часа, и при таком токе большинство элементов лишь немного перезарядится без больших неприятностей. То есть, если Вы заканчиваете процесс заряда в течение часа после достижения полного заряда, то это – хорошо. Исключение перезаряда – вот к чему необходимо стремиться. При токе заряда более C/2 необходимо использовать только зарядные устройства с автоматическими средствами обнаружения полного заряда. При таком токе и выше, элементы аккумулятора могут быть при перезаряде легко повреждены. Те элементы, которые содержат в своем составе поглотители кислорода, могут не охлаждаться, но будут весьма горячими.

С хорошей электронной схемой управления зарядом могут быть использованы токи заряда более 1C – проблемой в этом случае становится уменьшение эффективности заряда и внутреннее нагревание от потерь на внутреннем сопротивлении. Однако, если Вы не спешите, избегайте заряд током большим, чем 1C.

Реверсивный метод заряда

В анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 и CASP/2000L (H) используются реверсивные импульсные методы заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами. Считается, что такой метод заряда улучшает рекомбинацию газов, возникающих в процессе заряда, и позволяет проводить заряд большим током за меньшее время. Кроме того, восстанавливается кристаллическая структура кадмиевых анодов, устраняя тем самым "эффект памяти".

На рис.6 схематично изображена временная диаграмма реверсивного метода заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, реализованная в анализаторе Cadex 7000. Цифрой 1 обозначен нагрузочный импульс, а цифрой 2 – зарядный.

Рис. 6

Величина обратного импульса нагрузки определяется в процентах от тока заряда в диапазоне от 5 до 12 %. Оптимальное значение 9 %. Так например, для NiCd аккумулятора емкостью 1800 мА*час, зарядный ток величиной в 1С равен 1800 мА. Тогда импульс нагрузочного тока будет равен 1800 мА * 0.09 = 162 мА. Выбирайте значение равное 5 % для NiCd емкостью 500 мА*час и менее.

Примечание переводчика:

Был проведен единичный эксперимент по измерению параметров метода реверсивного заряда NiCd и NiMH аккумуляторов емкостью 1000 мА*час.

Измерения проводились с помощью осциллографа, путем измерения параметров импульса напряжения на резисторе С5 -16В – 0.2 Ом +-1%, последовательно включенном в положительную цепь заряда аккумулятора. По результатам измерений получилось:

Длительность импульса "1" составляет ~30 мс, а период следования ~200 мс;

Амплитуды импульсов тока "1" и "2" примерно одинаковы и равны значению тока заряда.

Дополнительная информация:

Быстрый заряд NiMH аккумуляторов осуществляется постоянным током с отслеживанием момента полного заряда по моменту начала уменьшения напряжения на и (или) максимально допустимому приращению температуры. Типовые характеристики быстрого заряда NiMH аккумуляторов в зависимости от тока заряда приведены на Рис. 7. Дополнительно на рисунке приведены график изменения температуры внутри аккумулятора и изменения тока в процессе заряда.

Рис. 7. Типовые характеристики быстрого заряда NiMH аккумуляторов