Nikl metal hidridna baterija. Nikl metal hidridna baterija

Ovaj članak o nikl-metal hidridnim (Ni-MH) baterijama odavno je klasik na ruskom internetu. Preporučujem da pogledate…

Nikl-metal hidridne (Ni-MH) baterije su po dizajnu analogne nikl-kadmijum (Ni-Cd) baterijama, au elektrohemijskim procesima - nikl-vodonik baterijama. Specifična energija Ni-MH baterije je znatno veća od specifične energije Ni-Cd i vodikovih baterija (Ni-H2)

VIDEO: Nikl metal hidridne baterije (NiMH)

Uporedne karakteristike baterija

Parametri	Ni-Cd	Ni-H2	Ni-MH
Nazivni napon, V	1.2	1.2	1.2
Specifična energija: Wh/kg | Wh/l	20-40 60-120	40-55 60-80	50-80 100-270
Vijek trajanja: godine | ciklusa	1-5 500-1000	2-7 2000-3000	1-5 500-2000
Samopražnjenje, %	20-30 (za 28 dana)	20-30 (za 1 dan)	20-40 (za 28 dana)
Radna temperatura, °S	-50 — +60	-20 — +30	-40 — +60

*** Velika rasprostranjenost pojedinih parametara u tabeli uzrokovana je različitom namjenom (dizajnom) baterija. Osim toga, tabela ne uzima u obzir podatke o modernim baterijama s niskim samopražnjenjem.

Istorija Ni-MH baterije

Razvoj nikl-metal hidridnih (Ni-MH) baterija započeo je 50-70-ih godina prošlog stoljeća. Rezultat je bio novi način skladištenja vodonika u nikl-vodonikovim baterijama koje su se koristile u svemirskim letjelicama. U novom elementu, vodonik se akumulirao u legurama određenih metala. Legure koje apsorbuju 1000 puta veći volumen vodonika otkrivene su 1960-ih. Ove legure se sastoje od dva ili više metala, od kojih jedan apsorbuje vodonik, a drugi je katalizator koji potiče difuziju atoma vodika u metalnu rešetku. Broj mogućih kombinacija korištenih metala je praktički neograničen, što omogućava optimizaciju svojstava legure. Za stvaranje Ni-MH baterija bilo je potrebno stvoriti legure koje mogu raditi na niskom tlaku vodika i sobnoj temperaturi. Trenutno se širom svijeta nastavlja rad na stvaranju novih legura i tehnologija za njihovu preradu. Legure nikla s metalima grupe rijetkih zemalja mogu osigurati do 2000 ciklusa punjenja-pražnjenja baterije sa smanjenjem kapaciteta negativne elektrode za najviše 30%. Bill je patentirao prvu Ni-MH bateriju, koja koristi leguru LaNi5 kao glavni aktivni materijal metal-hidridne elektrode, Bill je 1975. godine. U ranim eksperimentima sa legurama metal-hidrida, nikl-metal hidridne baterije su bile nestabilne, a potreban kapacitet baterije je mogao ne može se postići. Stoga je industrijska upotreba Ni-MH baterija počela tek sredinom 80-ih godina nakon stvaranja legure La-Ni-Co, koja omogućava elektrohemijski reverzibilnu apsorpciju vodonika za više od 100 ciklusa. Od tada je dizajn Ni-MH baterija kontinuirano unapređivan u pravcu povećanja njihove energetske gustine. Zamjena negativne elektrode omogućila je povećanje opterećenja aktivnih masa pozitivne elektrode za 1,3-2 puta, što određuje kapacitet baterije. Stoga, Ni-MH baterije imaju znatno veće specifične energetske karakteristike u odnosu na Ni-Cd baterije. Uspjeh distribucije nikl-metal hidridnih baterija osiguran je velikom gustoćom energije i netoksičnošću materijala koji se koriste u njihovoj proizvodnji.

Osnovni procesi Ni-MH baterija

Ni-MH baterije koriste nikl-oksidnu elektrodu kao pozitivnu elektrodu, poput nikl-kadmijumske baterije, i elektrodu od legure nikl-retke zemlje koja apsorbuje vodonik umjesto negativne kadmijumske elektrode. Na pozitivnoj elektrodi od nikl oksida Ni-MH baterije, reakcija se nastavlja:

Ni(OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e - (punjenje) NiOOH + H 2 O + e - → Ni(OH) 2 + OH - (pražnjenje)

Na negativnoj elektrodi, metal sa apsorbovanim vodonikom pretvara se u metalni hidrid:

M + H 2 O + e - → MH + OH- (punjenje) MH + OH - → M + H 2 O + e - (pražnjenje)

Ukupna reakcija u Ni-MH bateriji je napisana na sljedeći način:

Ni(OH) 2 + M → NiOOH + MH (punjenje) NiOOH + MH → Ni(OH) 2 + M (pražnjenje)

Elektrolit ne učestvuje u glavnoj reakciji stvaranja struje. Nakon prijavljivanja 70-80% kapaciteta i tokom punjenja, kiseonik počinje da se oslobađa na oksidno-nikl elektrodi,

2OH- → 1/2O 2 + H2O + 2e - (punjenje)

koji se obnavlja na negativnoj elektrodi:

1/2O 2 + H 2 O + 2e - → 2OH - (napunite)

Posljednje dvije reakcije osiguravaju zatvoreni ciklus kisika. Kada se kisik smanji, dodatno se povećava kapacitivnost elektrode metalnog hidrida zbog stvaranja OH - grupe.

Izrada elektroda Ni-MH baterija

Metalna vodonična elektroda

Glavni materijal koji određuje performanse Ni-MH baterije je legura koja apsorbira vodonik i može apsorbirati do 1000 puta veći volumen vodonika. Najrasprostranjenije legure su LaNi5, u kojima je dio nikla zamijenjen manganom, kobaltom i aluminijem kako bi se povećala stabilnost i aktivnost legure. Da bi smanjili trošak, neki proizvođači umjesto lantana koriste misch metal (Mm, koji je mješavina rijetkih zemnih elemenata, njihov omjer u mješavini je blizak omjeru u prirodnim rudama), koji osim lantana uključuje i cerij , prazeodimijum i neodimijum. Tokom ciklusa punjenja i pražnjenja, dolazi do širenja i kontrakcije 15-25% kristalne rešetke legura koje apsorbuju vodonik zbog apsorpcije i desorpcije vodonika. Takve promjene dovode do stvaranja pukotina u leguri zbog povećanja unutrašnjeg naprezanja. Stvaranje pukotina uzrokuje povećanje površine, koja je korodirana pri interakciji s alkalnim elektrolitom. Iz ovih razloga, kapacitet pražnjenja negativne elektrode postepeno se smanjuje. U bateriji s ograničenom količinom elektrolita, to uzrokuje probleme s preraspodjelom elektrolita. Korozija legure dovodi do hemijske pasivnosti površine usled stvaranja oksida i hidroksida otpornih na koroziju, koji povećavaju prenapon glavne reakcije generisanja struje metal-hidridne elektrode. Do stvaranja produkata korozije dolazi uz potrošnju kisika i vodika iz otopine elektrolita, što zauzvrat uzrokuje smanjenje količine elektrolita u bateriji i povećanje njenog unutarnjeg otpora. Za usporavanje nepoželjnih procesa disperzije i korozije legura, koji određuju vijek trajanja Ni-MH baterija, koriste se dvije glavne metode (pored optimizacije sastava i načina proizvodnje legure). Prva metoda je mikrokapsuliranje čestica legure, tj. u pokrivanju njihove površine tankim poroznim slojem (5-10%) - težinski nikla ili bakra. Druga metoda, koja je trenutno našla najširu primjenu, sastoji se u tretiranju površine čestica legure u alkalnim otopinama uz stvaranje zaštitnih filmova propusnih za vodik.

Elektroda od nikl oksida

Oksid-nikl elektrode u masovnoj proizvodnji proizvode se u sljedećim izvedbama dizajna: lamelne, bezlamelne sinterirane (metal-keramičke) i presovane, uključujući i pelete. Posljednjih godina počele su se koristiti elektrode od filca bez lamela i polimerne pjene.

Lamelarne elektrode

Lamelarne elektrode su skup međusobno povezanih perforiranih kutija (lamela) izrađenih od tanke (debljine 0,1 mm) niklovane čelične trake.

Sinterovane (kermet) elektrode

Elektrode ovog tipa sastoje se od porozne (sa poroznošću od najmanje 70%) kermetne baze, u čijim se porama nalazi aktivna masa. Baza je napravljena od finog praha karbonil nikla, koji se pomiješan sa amonijum karbonatom ili karbamidom (60-65% nikla, ostatak je punilo) presuje, valja ili prska na čeličnu ili niklovanu mrežu. Zatim se mreža sa prahom podvrgava termičkoj obradi u redukcionoj atmosferi (obično u atmosferi vodika) na temperaturi od 800-960°C, dok se amonijum karbonat ili urea raspadaju i isparavaju, a nikal se sinteruje. Tako dobijene podloge imaju debljinu od 1-2,3 mm, poroznost od 80-85% i radijus pora od 5-20 µm. Baza se naizmjenično impregnira koncentriranom otopinom nikl nitrata ili nikl sulfata i alkalnom otopinom zagrijanom na 60-90 ° C, što izaziva taloženje nikl oksida i hidroksida. Trenutno se koristi i metoda elektrohemijske impregnacije, u kojoj se elektroda podvrgava katodnoj obradi u otopini nitrata nikla. Zbog stvaranja vodika, otopina u porama ploče se alkalizira, što dovodi do taloženja oksida i hidroksida nikla u porama ploče. Elektrode od folije klasificirane su kao vrste sinteriranih elektroda. Elektrode se proizvode nanošenjem na tanku (0,05 mm) perforiranu nikl traku sa obje strane, prskanjem, alkoholne emulzije nikl karbonilnog praha koja sadrži vezivna sredstva, sinterovanjem i daljom hemijskom ili elektrohemijskom impregnacijom reagensima. Debljina elektrode je 0,4-0,6 mm.

Presovane elektrode

Presane elektrode se izrađuju pritiskom pod pritiskom od 35-60 MPa aktivne mase na mrežicu ili čeličnu perforiranu traku. Aktivna masa se sastoji od nikl hidroksida, kobalt hidroksida, grafita i veziva.

Metalne filcane elektrode

Metalne filcane elektrode imaju visoko poroznu podlogu od nikla ili karbonskih vlakana. Poroznost ovih podloga je 95% ili više. Elektroda od filca izrađena je od niklovanog polimera ili grafitnog filca. Debljina elektrode, ovisno o namjeni, kreće se u rasponu od 0,8-10 mm. Aktivna masa se unosi u filc različitim metodama, u zavisnosti od njegove gustine. Može se koristiti umjesto filca niklova pjena dobiveno niklovanjem poliuretanske pjene nakon čega slijedi žarenje u redukcijskom okruženju. Pasta koja sadrži nikl hidroksid i vezivo obično se unosi u visoko porozan medij nanošenjem. Nakon toga podloga sa pastom se suši i uvalja. Elektrode od filca i pjenastog polimera odlikuju se visokim specifičnim kapacitetom i dugim vijekom trajanja.

Izrada Ni-MH baterija

Cilindrične Ni-MH baterije

Pozitivna i negativna elektroda, razdvojene separatorom, smotane su u obliku rolne, koja se ubacuje u kućište i zatvara zaptivnim poklopcem sa brtvom (slika 1). Poklopac ima sigurnosni ventil koji radi pod pritiskom od 2-4 MPa u slučaju kvara u radu akumulatora.

Fig.1. Dizajn nikl-metal hidridne (Ni-MH) baterije: 1-telo, 2-kapa, 3-ventila, 4-ventila, 5-pozitivni kolektor elektroda, 6-izolacioni prsten, 7-negativna elektroda, 8- separator, 9-pozitivna elektroda, 10-izolator.

Ni-MH prizmatične baterije

U prizmatičnim Ni-MH baterijama naizmjenično se postavljaju pozitivne i negativne elektrode, a između njih se postavlja separator. Blok elektroda se ubacuje u metalno ili plastično kućište i zatvara zaptivnim poklopcem. Ventil ili senzor pritiska se obično ugrađuje na poklopac (slika 2).

Fig.2. Struktura Ni-MH baterije: 1-telo, 2-kapa, 3-ventila, 4-ventila, 5-izolaciona brtva, 6-izolator, 7-negativna elektroda, 8-separator, 9-pozitivna elektroda.

Ni-MH baterije koriste alkalni elektrolit koji se sastoji od KOH sa dodatkom LiOH. Kao separator u Ni-MH baterijama koriste se netkani polipropilen i poliamid debljine 0,12-0,25 mm, tretirani sredstvom za vlaženje.

pozitivna elektroda

Ni-MH baterije koriste pozitivne elektrode od nikl oksida, slične onima koje se koriste u Ni-Cd baterijama. U Ni-MH baterijama se uglavnom koriste keramičko-metalne elektrode, a posljednjih godina elektrode od filca i polimerne pjene (vidi gore).

Negativna elektroda

Pet dizajna negativne metal-hidridne elektrode (vidi gore) našlo je praktičnu primenu u Ni-MH baterijama: - lamelarni, kada se prah legure koja apsorbuje vodonik sa ili bez veziva utiskuje u mrežu od nikla; - pena od nikla, kada se pasta sa legurom i vezivom unese u pore baze nikla pene, a zatim se osuši i presuje (valja); - folija, kada se pasta sa legurom i vezivom nanosi na perforiranu niklovanu ili niklovanu čeličnu foliju, a zatim osuši i presuje; - valjani, kada se prah aktivne mase, koji se sastoji od legure i veziva, nanosi valjanjem (valjanjem) na rastezljivu nikalnu ili bakarnu mrežu; - sinterovano, kada se prah legure utisne na nikalnu rešetku, a zatim sinteruje u atmosferi vodonika. Specifični kapaciteti metal-hidridnih elektroda različitih dizajna su bliske vrijednosti i uglavnom su određene kapacitivnošću korištene legure.

Karakteristike Ni-MH baterija. Električne karakteristike

Napon otvorenog kola

Vrijednost napona otvorenog kola Ur.c. Ni-MH sisteme je teško precizno odrediti zbog zavisnosti ravnotežnog potencijala nikl oksidne elektrode od stepena oksidacije nikla, kao i zavisnosti ravnotežnog potencijala metal-hidridne elektrode od stepena zasićenosti vodonikom. 24 sata nakon što se baterija napuni, napon otvorenog kruga napunjene Ni-MH baterije je u rasponu od 1,30-1,35V.

Nazivni napon pražnjenja

Ur pri normalizovanoj struji pražnjenja Ir = 0,1-0,2C (C je nazivni kapacitet baterije) na 25°C je 1,2-1,25V, uobičajeni konačni napon je 1V. Napon opada sa povećanjem opterećenja (vidi sliku 3)

Fig.3. Karakteristike pražnjenja Ni-MH baterije na temperaturi od 20°C i različitim normalizovanim strujama opterećenja: 1-0,2C; 2-1C; 3-2C; 4-3C

Kapacitet baterije

Sa povećanjem opterećenja (smanjenjem vremena pražnjenja) i smanjenjem temperature, kapacitet Ni-MH baterije opada (slika 4). Efekat smanjenja temperature na kapacitivnost je posebno uočljiv pri visokim brzinama pražnjenja i na temperaturama ispod 0°C.

Fig.4. Zavisnost kapaciteta pražnjenja Ni-MH baterije od temperature pri različitim strujama pražnjenja: 1-0,2C; 2-1C; 3-3C

Sigurnost i vijek trajanja Ni-MH baterija

Tokom skladištenja, Ni-MH baterija se samoprazni. Nakon mjesec dana na sobnoj temperaturi gubitak kapaciteta je 20-30%, a daljim skladištenjem gubitak se smanjuje na 3-7% mjesečno. Brzina samopražnjenja raste sa povećanjem temperature (vidi sliku 5).

Sl.5. Zavisnost kapaciteta pražnjenja Ni-MH baterije od vremena skladištenja na različitim temperaturama: 1-0°S; 2-20°C; 3-40°C

Punjenje Ni-MH baterije

Vreme rada (broj ciklusa pražnjenje-punjenje) i radni vek Ni-MH baterije u velikoj meri su određeni radnim uslovima. Vrijeme rada se smanjuje s povećanjem dubine i brzine pražnjenja. Vrijeme rada ovisi o brzini punjenja i načinu kontrole njegovog završetka. U zavisnosti od vrste Ni-MH baterija, načina rada i uslova rada, baterije obezbeđuju od 500 do 1800 ciklusa pražnjenja-punjenja na dubini pražnjenja od 80% i imaju radni vek (u proseku) od 3 do 5 godina.

Da biste osigurali pouzdan rad Ni-MH baterije tokom garantovanog perioda, morate slijediti preporuke i upute proizvođača. Najveću pažnju treba obratiti na temperaturni režim. Poželjno je izbjegavati prekomjerna pražnjenja (ispod 1V) i kratke spojeve. Preporučljivo je koristiti Ni-MH baterije za njihovu namjenu, izbjegavati miješanje korištenih i neiskorištenih baterija i ne lemiti žice ili druge dijelove direktno na bateriju. Ni-MH baterije su osjetljivije na prekomjerno punjenje od Ni-Cd. Prekomjerno punjenje može dovesti do termalnog bijega. Punjenje se obično vrši strujom Iz = 0,1C 15 sati. Kompenzacijsko punjenje se vrši strujom Iz = 0,01-0,03C tokom 30 sati ili više. Ubrzano (za 4 - 5 sati) i brzo (za 1 sat) punjenje je moguće za Ni-MH baterije sa visoko aktivnim elektrodama. Kod ovakvih punjenja, proces se kontrolira promjenama temperature ΔT i napona ΔU i drugih parametara. Brzo punjenje se koristi, na primjer, za Ni-MH baterije koje napajaju laptope, mobilne telefone i električne alate, iako laptopi i mobilni telefoni sada uglavnom koriste litijum-jonske i litijum-polimerske baterije. Takođe se preporučuje trostepena metoda punjenja: prva faza brzog punjenja (1C i više), punjenje brzinom od 0,1C tokom 0,5-1 h za konačno punjenje i punjenje brzinom od 0,05- 0,02C kao naknada za kompenzaciju. Informacije o načinu punjenja Ni-MH baterija obično se nalaze u uputama proizvođača, a preporučena struja punjenja navedena je na kućištu baterije. Napon punjenja Uz na Iz=0,3-1C nalazi se u rasponu od 1,4-1,5V. Zbog oslobađanja kisika na pozitivnoj elektrodi, količina električne energije koja se isporučuje tijekom punjenja (Qz) veća je od kapaciteta pražnjenja (Cp). Istovremeno, povrat na kapacitet (100 Sr/Qz) je 75-80% i 85-90%, respektivno, za disk i cilindrične Ni-MH baterije.

Kontrola punjenja i pražnjenja

Kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje Ni-MH baterija, mogu se koristiti sljedeće metode kontrole punjenja s odgovarajućim senzorima ugrađenim u baterije ili punjače:

• metoda prekida punjenja apsolutnom temperaturom Tmax. Temperatura baterije se stalno prati tokom procesa punjenja, a kada se dostigne maksimalna vrijednost, brzo punjenje se prekida;
• metoda prekida punjenja brzinom promjene temperature ΔT/Δt. Ovom metodom se konstantno prati nagib krivulje temperature baterije tokom procesa punjenja, a kada se ovaj parametar podigne iznad određene zadate vrijednosti, punjenje se prekida;
• metoda prekida naboja negativnim naponom delta -ΔU. Na kraju punjenja baterije, tokom ciklusa kiseonika, njena temperatura počinje da raste, što dovodi do smanjenja napona;
• način prestanka punjenja prema maksimalnom vremenu punjenja t;
• način prekida punjenja maksimalnim pritiskom Pmax. Obično se koristi u prizmatičnim baterijama velikih veličina i kapaciteta. Nivo dopuštenog tlaka u prizmatičnom akumulatoru ovisi o njegovom dizajnu i nalazi se u rasponu od 0,05-0,8 MPa;
• način prekida punjenja maksimalnim naponom Umax. Koristi se za isključivanje punjenja baterija sa visokim unutrašnjim otporom, koji se javlja na kraju radnog veka usled nedostatka elektrolita ili pri niskoj temperaturi.

Kada koristite metodu Tmax, baterija može biti prepunjena ako temperatura okoline padne ili baterija možda neće biti dovoljno napunjena ako temperatura okoline značajno poraste. Metoda ΔT/Δt može se vrlo efikasno koristiti za prekid punjenja na niskim temperaturama okoline. Ali ako se samo ova metoda koristi na višim temperaturama, baterije unutar baterija će biti izložene nepoželjno visokim temperaturama prije nego što se postigne vrijednost ΔT/Δt za isključenje. Za određenu vrijednost ΔT/Δt, veći ulazni kapacitet se može dobiti na nižoj temperaturi okoline nego na višoj temperaturi. Na početku punjenja baterije (kao i na kraju punjenja) dolazi do brzog porasta temperature, što može dovesti do preranog prekida punjenja kada se koristi ΔT/Δt metoda. Da bi to eliminisali, programeri punjača koriste tajmere za početno kašnjenje odziva senzora pomoću ΔT / Δt metode. Metoda -ΔU je efikasna za prekid punjenja na niskim temperaturama okoline, a ne na povišenim temperaturama. U tom smislu, metoda je slična ΔT/Δt metodi. Kako bi se osiguralo prekid punjenja u slučajevima kada nepredviđene okolnosti onemogućavaju normalan prekid punjenja, preporučuje se i korištenje tajmer kontrole koja reguliše trajanje rada punjenja (metoda t). Dakle, za brzo punjenje baterija nazivne struje od 0,5-1C na temperaturama od 0-50°C, preporučljivo je istovremeno primijeniti Tmax metode (sa temperaturom gašenja od 50-60°C, ovisno o dizajnu baterija i baterije), -ΔU (5-15 mV po bateriji), t (obično za postizanje 120% nazivnog kapaciteta) i Umax (1,6-1,8 V po bateriji). Umjesto -ΔU metode, može se koristiti ΔT/Δt metoda (1-2 °C/min) sa početnim tajmerom odgode (5-10 min). Za kontrolu punjenja pogledajte i odgovarajući članak Nakon brzog punjenja baterije, punjači omogućavaju prebacivanje na punjenje nazivnom strujom od 0,1C - 0,2C na određeno vrijeme. Punjenje konstantnim naponom se ne preporučuje za Ni-MH baterije jer može doći do "termalnog kvara" baterija. To je zato što na kraju punjenja dolazi do povećanja struje, koja je proporcionalna razlici između napona napajanja i napona baterije, a napon baterije na kraju punjenja opada zbog povećanja temperature. Pri niskim temperaturama treba smanjiti brzinu punjenja. Inače, kisik neće imati vremena za rekombinaciju, što će dovesti do povećanja tlaka u akumulatoru. Za rad u takvim uslovima preporučuju se Ni-MH baterije sa visoko poroznim elektrodama.

Prednosti i mane Ni-MH baterija

Značajno povećanje specifičnih energetskih parametara nije jedina prednost Ni-MH baterija u odnosu na Ni-Cd baterije. Udaljavanje od kadmijuma znači i kretanje ka čistijoj proizvodnji. Lakše je riješiti i problem recikliranja pokvarenih baterija. Ove prednosti Ni-MH baterija odredile su brži rast njihove proizvodnje u svim vodećim svjetskim kompanijama baterija u odnosu na Ni-Cd baterije.

Ni-MH baterije nemaju "memorijski efekat" koji imaju Ni-Cd baterije zbog stvaranja nikelata u negativnoj kadmijum elektrodi. Međutim, efekti povezani s prepunom nikl oksidne elektrode ostaju. Smanjenje napona pražnjenja, uočeno kod čestih i dugih punjenja na isti način kao kod Ni-Cd baterija, može se eliminisati periodičnim izvođenjem nekoliko pražnjenja do 1V - 0,9V. Takva pražnjenja dovoljno je obavljati jednom mjesečno. Međutim, nikl-metal hidridne baterije su inferiorne od nikl-kadmijum baterija, koje su dizajnirane da zamene, u nekim karakteristikama performansi:

• Ni-MH baterije rade efikasno u užem opsegu radnih struja, što je povezano sa ograničenom desorpcijom vodonika iz metal-hidridne elektrode pri vrlo visokim brzinama pražnjenja;
• Ni-MH baterije imaju uži raspon radnih temperatura: većina njih ne radi na temperaturama ispod -10 °C i iznad +40 °C, iako je u nekim serijama baterija prilagođavanjem receptura omogućeno proširenje temperaturnih granica;
• prilikom punjenja Ni-MH baterija oslobađa se više topline nego pri punjenju Ni-Cd baterija, stoga, kako bi se spriječilo pregrijavanje baterije iz Ni-MH baterija tokom brzog punjenja i/ili značajnog prepunjavanja, toplinski osigurači ili termalni releji ugrađeni su u njih, koji se nalaze na zidu jedne od baterija u središnjem dijelu baterije (ovo se odnosi na industrijske sklopove baterija);
• Ni-MH baterije imaju povećano samopražnjenje, što je određeno neminovnošću reakcije vodonika otopljenog u elektrolitu s pozitivnom oksidno-nikl elektrodom (ali, zahvaljujući upotrebi posebnih legura negativnih elektroda, bilo je moguće postići smanjenje stope samopražnjenja na vrijednosti bliske onima za Ni-Cd baterije);
• rizik od pregrijavanja pri punjenju jedne od Ni-MH baterija baterije, kao i preokretanja baterije nižeg kapaciteta kada se baterija isprazni, raste sa neusklađenošću parametara baterije kao rezultatom dugog ciklusa, tako da stvaranje baterija od više od 10 baterija ne preporučuju svi proizvođači;
• gubitak kapaciteta negativne elektrode koji se javlja u Ni-MH bateriji pri pražnjenju ispod 0 V je nepovratan, što postavlja strože zahtjeve za izbor baterija u bateriji i kontrolu procesa pražnjenja nego u slučaju koristeći Ni-Cd baterije, po pravilu, pražnjenje do 1 V/ac kod niskonaponskih baterija i do 1,1 V/ac kod baterije od 7-10 baterija.

Kao što je ranije navedeno, degradacija Ni-MH baterija je prvenstveno određena smanjenjem kapaciteta sorpcije negativne elektrode tokom ciklusa. U ciklusu punjenja-pražnjenja mijenja se volumen kristalne rešetke legure, što dovodi do stvaranja pukotina i naknadne korozije nakon reakcije s elektrolitom. Do stvaranja produkata korozije dolazi pri apsorpciji kisika i vodika, zbog čega se ukupna količina elektrolita smanjuje, a unutarnji otpor baterije povećava. Treba napomenuti da karakteristike Ni-MH baterija značajno zavise od legure negativne elektrode i tehnologije obrade legure kako bi se poboljšala stabilnost njenog sastava i strukture. To tjera proizvođače baterija da budu oprezni u izboru dobavljača legura, a potrošače baterija da budu oprezni pri odabiru proizvodne kompanije.

Na osnovu materijala web lokacija powerinfo.ru, "Chip and Dip"

Istraživanje nikl-metal hidridnih baterija počelo je 1970-ih kao poboljšanje nikl-vodikovih baterija jer težina i zapremina nikl-hidridnih baterija nisu zadovoljavali proizvođače (vodik u ovim baterijama je bio pod visokim pritiskom, što je zahtijevalo jak i težak čelično kućište). Upotreba vodonika u obliku metalnih hidrida omogućila je smanjenje težine i zapremine baterija, a smanjio se i rizik od eksplozije baterije tokom pregrijavanja.

Od 1980-ih godina, tehnologija proizvodnje NiMH baterija je uvelike poboljšana i počela je komercijalna upotreba u različitim poljima. Uspjeh NiNH baterija potaknut je povećanim kapacitetom (do 40% u odnosu na NiCd), upotrebom materijala koji se mogu reciklirati („ekološki prihvatljivi“) i vrlo dugim vijekom trajanja, koji često premašuje NiCd baterije.

Prednosti i mane NiMH baterija

Prednosti

・ Veći kapacitet - 40% ili više od konvencionalnih NiCd baterija
・ mnogo manje izražen "memorijski" efekat u poređenju sa nikl-kadmijum baterijama - ciklusi održavanja baterija se mogu izvoditi 2-3 puta rjeđe
・ Jednostavna opcija prijevoza - avioprijevoz bez ikakvih preduslova
・ ekološki prihvatljivo - reciklirati

nedostatke

・ ograničen vek trajanja baterije - obično oko 500-700 ciklusa punjenja/pražnjenja (iako u zavisnosti od načina rada i internog uređaja, ponekad može doći do razlika).
・ memorijski efekat - NiMH baterije zahtijevaju periodičnu obuku (pun ciklus pražnjenja/punjenja)
・ Relativno kratko trajanje baterije - obično ne više od 3 godine kada se čuva u ispražnjenom stanju, nakon čega se gube glavne karakteristike. Čuvanje u hladnim uslovima uz delimično punjenje od 40-60% usporava proces starenja baterija.
・ Visoko samopražnjenje baterije
・ Ograničeni kapacitet napajanja - Ako su dozvoljena opterećenja prekoračena, vijek trajanja baterije će se smanjiti.
・ Potreban je poseban punjač sa stepenastim algoritmom punjenja, budući da se tokom punjenja stvara velika količina topline, a proho NiMH baterije mogu izdržati prekomjerno punjenje.
・ Loša tolerancija na visoke temperature (preko 25-30 Celzijusa)

Dizajn NiMH baterija i baterija

Moderne nikl-metal hidridne baterije imaju unutrašnji dizajn sličan onom kod nikl-kadmijum baterija. Pozitivna elektroda od nikl oksida, alkalni elektrolit i projektovani pritisak vodonika isti su u oba sistema baterija. Samo negativne elektrode se razlikuju: nikl-kadmijum baterije imaju kadmijumsku elektrodu, nikl-metal hidridne baterije imaju elektrodu na bazi legure metala koji apsorbuju vodonik.

Moderne nikl-metal hidridne baterije koriste sastav legure koja apsorbuje vodonik tipa AB2 i AB5. Druge legure tipa AB ili A2B nisu u širokoj upotrebi. Šta u sastavu legure označavaju misteriozna slova A i B? - Ispod simbola A krije se metal (ili mješavina metala) čije stvaranje hidrida oslobađa toplinu. Shodno tome, simbol B označava metal koji endotermno reaguje sa vodonikom.

Za negativne elektrode tipa AB5 koristi se mešavina retkozemnih elemenata grupe lantana (komponenta A) i nikla sa primesama drugih metala (kobalt, aluminijum, mangan) - komponenta B. Za elektrode tipa AB2 titanijum i nikl sa primesama cirkonija, vanadijuma, gvožđa, mangana, hroma.

Nikl-metal hidridne baterije sa elektrodama tipa AB5 češće su zbog bolje performanse ciklusa, uprkos činjenici da su baterije sa elektrodama tipa AB2 jeftinije, imaju veći kapacitet i bolju snagu.

U procesu cikliranja, volumen negativne elektrode oscilira do 15-25% od početne zbog apsorpcije/oslobađanja vodonika. Kao rezultat fluktuacija volumena, u materijalu elektrode pojavljuje se veliki broj mikropukotina. Ovaj fenomen objašnjava zašto nova nikl-metal hidridna baterija zahtijeva nekoliko ciklusa "trening" punjenja/pražnjenja kako bi se snaga i kapacitet baterije doveli na nominalni nivo. Također, formiranje mikropukotina ima negativnu stranu - povećava se površina elektrode, koja je podvrgnuta koroziji s potrošnjom elektrolita, što dovodi do postupnog povećanja unutrašnjeg otpora elementa i smanjenja kapacitivnosti. Kako bi se smanjila brzina procesa korozije, preporučuje se skladištenje nikl-metal hidridnih baterija u napunjenom stanju.

Negativna elektroda ima višak kapaciteta u odnosu na pozitivnu iu smislu prepunjavanja i prekomjernog pražnjenja kako bi se osigurao prihvatljiv nivo evolucije vodonika. Zbog korozije legure, kapacitet za punjenje negativne elektrode postepeno se smanjuje. Čim se iscrpi višak kapaciteta za punjenje, na negativnoj elektrodi na kraju punjenja počet će se oslobađati velika količina vodika, što će dovesti do oslobađanja viška vodika kroz ventile ćelije, a elektrolit „kipi“. daleko” i kvar baterije. Stoga je za punjenje nikl-metal hidridnih baterija potreban poseban punjač koji uzima u obzir specifično ponašanje baterije kako bi se izbjegao rizik od samouništenja ćelije baterije. Kada sastavljate bateriju, držite ćelije dobro provetrenim i nemojte pušiti u blizini NiMH baterije velikog kapaciteta koja se puni.

S vremenom, kao rezultat cikliranja, samopražnjenje baterije se također povećava zbog pojave velikih pora u materijalu separatora i formiranja električne veze između ploča elektroda. Ovaj problem se može privremeno riješiti dubinskim pražnjenjem baterije nekoliko puta, a zatim je potpuno punjenjem.

Nikl-metal hidridne baterije generiraju dosta topline prilikom punjenja, posebno na kraju punjenja, što je jedan od znakova da punjenje treba završiti. Prilikom sklapanja više baterijskih ćelija u bateriju potreban je sistem za praćenje parametara baterije (BMS), kao i prisustvo termički otvorenih provodnih spojnih kratkospojnika između dijela ćelija baterije. Takođe je poželjno spojiti baterije u bateriju pomoću kratkospojnika za tačkasto zavarivanje, a ne lemljenjem.

Pražnjenje nikl-metal hidridnih baterija na niskim temperaturama ograničeno je činjenicom da je ova reakcija endotermna i da se na negativnoj elektrodi formira voda koja razrjeđuje elektrolit, što rezultira velikom vjerovatnoćom smrzavanja elektrolita. Stoga, što je niža temperatura okoline, to je niža izlazna snaga i kapacitet baterije. Naprotiv, pri povišenoj temperaturi tokom procesa pražnjenja, kapacitet pražnjenja nikl-metal hidridne baterije će biti maksimalan.

Poznavanje dizajna i principa rada omogućit će vam da bolje razumijete rad nikl-metal hidridnih baterija. Nadam se da će informacije prikupljene u ovom članku produžiti vijek trajanja vaše baterije i izbjeći moguće opasne posljedice zbog nerazumijevanja principa bezbedne upotrebe nikl-metal hidridnih baterija.

Karakteristike pražnjenja NiMH baterija kod raznih
struje pražnjenja na temperaturi okoline od 20 °C

slika preuzeta sa www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781

Duracell nikl metal hidridna baterija

slika preuzeta sa www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm

P.P.S.
Shema obećavajućeg smjera za stvaranje bipolarnih baterija

dijagram preuzet iz bipolarnih olovnih baterija

Uporedna tabela parametara različitih tipova baterija

	NiCd	NiMH	olovna kiselina	Li-ion	Li-ion polimer	Za višekratnu upotrebu Alkalna
Gustoća energije (W*h/kg)	45-80	60-120	30-50	110-160	100-130	80 (početno)
Unutrašnji otpor (uključujući interna kola), mΩ	100-200 na 6V	200-300 na 6V	<100 na 12V	150-250 na 7.2V	200-300 na 7.2V	200-2000 na 6V
Broj ciklusa punjenja/pražnjenja (kada se smanji na 80% početnog kapaciteta)	1500	300-500	200-300	500-1000	300-500	50 (do 50%)
Brzo vrijeme punjenja	1 sat tipično	2-4 sata	8-16 sati	2-4 sata	2-4 sata	2-3 sata
Otpornost na prekomjerno punjenje	prosjek	nisko	visoko	vrlo nisko	nisko	prosjek
Samopražnjenje / mjesec (na sobnoj temperaturi)	20%	30%	5%	10%	~10%	0.3%
Napon ćelije (nominalni)	1.25V	1.25V	2B	3.6V	3.6V	1.5V
Struja opterećenja - vrhunac - optimalno	20C 1C	5C 0,5C i niže	5C 0,2C	>2C 1C i niže	>2C 1C i niže	0.5C 0,2C i niže
Radna temperatura (samo pražnjenje)	-40 do 60°C	-20 do 60°C	-20 do 60°C	-20 do 60°C	0 do 60°C	0 do 65°C
Zahtjevi za uslugu	Nakon 30 - 60 dana	Nakon 60 - 90 dana	Nakon 3 - 6 mjeseci	Nije potrebno	Nije potrebno	Nije potrebno
Standardna cijena (US$, samo za poređenje)	$50 (7,2V)	$60 (7,2V)	$25 (6V)	$100 (7,2V)	$100 (7,2V)	$5 (9V)
Cijena po ciklusu (US$)	$0.04	$0.12	$0.10	$0.14	$0.29	$0.10-0.50
Početak komercijalne upotrebe	1950	1990	1970	1991	1999	1992

tabela preuzeta iz

Opseg primjene električnih baterija je prilično širok. Male baterije su opremljene svima poznatim kućanskim aparatima, malo veće baterije su opremljene automobilima, a vrlo velike i kapacitivne baterije montirane su u industrijskim stanicama opterećenim poslom. Čini se da pored namjene korisnika, različite vrste baterija mogu imati nešto zajedničko? Međutim, u stvari, takve baterije imaju više nego dovoljno sličnosti. Možda je jedna od glavnih među mogućim sličnostima baterija princip organizacije njihovog rada. U današnjem materijalu, naš resurs odlučio je razmotriti samo jedan od njih. Da budemo precizniji, u nastavku ćemo govoriti o funkcionisanju i pravilima rada nikl-metal hidridnih baterija.

Povijest pojave nikl-metal hidridnih baterija

Stvaranje nikl-metal hidridnih baterija počelo je izazivati ​​značajan interes među predstavnicima inženjeringa prije više od 60 godina, odnosno 50-ih godina 20. stoljeća. Naučnici specijalizovani za proučavanje fizičkih i hemijskih svojstava baterija ozbiljno su razmišljali o tome kako da prevaziđu nedostatke nikl-kadmijumskih baterija popularnih u to vreme. Možda je jedan od glavnih ciljeva naučnika bio stvoriti takvu bateriju koja bi mogla ubrzati i pojednostaviti proces svih reakcija povezanih s elektrolitičkim prijenosom vodika.

Kao rezultat toga, tek krajem 70-ih stručnjaci su uspjeli prvo dizajnirati, a zatim stvoriti i u potpunosti testirati više ili manje visokokvalitetne nikl-metal hidridne baterije. Glavna razlika između novog tipa baterija i njegovih prethodnika bila je u tome što je imao strogo određena mjesta za akumulaciju najveće količine vodonika. Preciznije, do nakupljanja materije došlo je u legurama nekoliko metala koji se nalaze na elektrodama baterije. Sastav legura imao je takvu strukturu da je jedan ili više metala akumulirali vodik (ponekad nekoliko hiljada puta veći od svog volumena), dok su ostali metali djelovali kao katalizatori elektrolitičkih reakcija, osiguravajući prijelaz vodikove tvari u mrežu metalnih elektroda.

Izrađena baterija, koja ima hidrogen-metal-hidridnu anodu i nikl katodu, dobila je skraćenicu "Ni-MH" (od naziva provodnih, akumulirajućih supstanci). Takve baterije rade na alkalnom elektrolitu i pružaju odličan ciklus punjenja-pražnjenja - do 2.000 tisuća za jednu punopravnu bateriju. Uprkos tome, put do dizajna Ni-MH baterija nije bio lak, a trenutno postojeći dizajni se i dalje nadograđuju. Glavni vektor modernizacije usmjeren je na povećanje gustoće energije baterija.

Napominjemo da se danas nikl-metal hidridne baterije uglavnom proizvode na bazi legure metala LaNi5. Prvi uzorak takvih baterija patentiran je 1975. godine i počeo se aktivno koristiti u općoj industriji. Moderne nikl-metal hidridne baterije imaju visoku gustoću energije i sastoje se od potpuno netoksičnih sirovina, što ih čini lakim za odlaganje. Možda su upravo zbog ovih prednosti postali vrlo popularni u mnogim područjima gdje je potrebno dugotrajno skladištenje električnog punjenja.

Uređaj i princip rada nikl-metal hidridne baterije

Nikl-metal hidridne baterije svih dimenzija, kapaciteta i namena proizvode se u dva glavna tipa oblika - prizmatični i cilindrični. Bez obzira na oblik, takve baterije se sastoje od sljedećih obaveznih elemenata:

• metal-hidridne i nikl elektrode (katode i anode), koje čine galvanski element strukture mreže, koji je odgovoran za kretanje i akumulaciju električnog naboja;
• separatorske oblasti koje odvajaju elektrode i takođe učestvuju u procesu elektrolitičkih reakcija;
• izlazni kontakti koji odaju akumulirani naboj u vanjsko okruženje;
• poklopci sa ugrađenim ventilom, neophodnim za otpuštanje viška pritiska iz šupljina akumulatora (pritisak preko 2-4 megapaskala);
• toplotno zaštitno i snažno kućište koje sadrži gore opisane baterije.

Dizajn nikl-metal hidridnih baterija, kao i mnogih drugih tipova ovog uređaja, prilično je jednostavan i ne predstavlja posebne poteškoće u razmatranju. Ovo je jasno prikazano na sljedećim dijagramima dizajna baterija:

Principi rada razmatranih baterija, za razliku od njihove opće sheme dizajna, izgledaju nešto složenije. Da bismo razumjeli njihovu suštinu, obratimo pažnju na fazno funkcioniranje nikl-metal hidridnih baterija. U tipičnoj izvedbi, faze rada ovih baterija su sljedeće:

1. Pozitivna elektroda - anoda, provodi oksidativnu reakciju uz apsorpciju vodika;
2. Negativna elektroda, katoda, provodi reakciju redukcije u disapsorpciji vodika.

Jednostavno rečeno, elektrodna mreža organizira uređeno kretanje čestica (elektroda i jona) kroz specifične kemijske reakcije. Istovremeno, elektrolit ne sudjeluje direktno u glavnoj reakciji proizvodnje električne energije, već se uključuje u rad samo pod određenim okolnostima rada Ni-MH baterija (na primjer, prilikom punjenja, realizacije reakcije cirkulacije kisika) . Nećemo detaljnije razmatrati principe rada nikl-metal hidridnih baterija, jer to zahtijeva posebno kemijsko znanje, koje mnogi čitatelji našeg resursa nemaju. Ako želite detaljnije saznati o principima rada baterija, trebali biste pogledati tehničku literaturu, koja u najvećoj mogućoj mjeri pokriva tok svake reakcije na krajevima elektroda, kako kada su baterije napunjene tako i kada su napunjene. se otpuštaju.

Specifikacije standardne Ni-MH baterije mogu se vidjeti u sljedećoj tabeli (srednja kolona):

Pravila rada

Svaka baterija je relativno nepretenciozan uređaj u održavanju i radu. Unatoč tome, njegova cijena je često visoka, pa je svaki vlasnik određene baterije zainteresiran za produženje njenog vijeka trajanja. Što se tiče baterija Ni-MH formacije, nije tako teško produžiti radni period. Za ovo je dovoljno:

• Prvo, slijedite pravila za punjenje baterije;
• Drugo, ispravno je rukovati i skladištiti kada je u stanju mirovanja.

O prvom aspektu održavanja baterija govorit ćemo malo kasnije, ali sada obratimo pažnju na glavnu listu pravila za rad s nikl-metal hidridnim baterijama. Lista šablona ovih pravila je sljedeća:

• Skladištenje nikl-metal hidridnih baterija treba vršiti samo u napunjenom stanju na nivou od 30-50%;
• Strogo je zabranjeno pregrijavanje Ni-MH baterija, jer su u poređenju sa istim nikl-kadmijum baterijama, one koje razmatramo mnogo osetljivije na toplotu. Preopterećenje radom negativno utiče na sve procese koji se dešavaju u šupljinama i na izlazima baterije. Strujni izlaz je posebno pogođen;
• Nikada ne punite nikl-metal hidridne baterije. Uvijek se pridržavajte pravila punjenja koja su opisana u ovom članku ili navedena u tehničkoj dokumentaciji za bateriju;
• U procesu slabog rada ili dugotrajnog skladištenja, "obučite" bateriju. Često je dovoljan periodično vođen ciklus "punjenja-pražnjenja" (otprilike 3-6 puta). Poželjno je i nove Ni-MH baterije podvrgnuti takvoj "obuci";
• Nikl-metal hidridne baterije moraju se čuvati na sobnoj temperaturi. Optimalna temperatura je 15-23 stepena Celzijusa;
• Pokušajte ne isprazniti bateriju do minimalnih granica - napon manji od 0,9 volti za svaki par katoda-anoda. Naravno, nikl-metal hidridne baterije se mogu vratiti, ali je preporučljivo da ih ne dovodite u "mrtvo" stanje (o tome kako vratiti bateriju ćemo također govoriti u nastavku);
• Pratite strukturni kvalitet baterije. Ozbiljni nedostaci, nedostatak elektrolita i slično nisu dozvoljeni. Preporučena učestalost provjera baterije je 2-4 sedmice;
• U slučaju korištenja velikih, stacionarnih baterija, također je važno pridržavati se pravila:
  • njihov tekući popravak (najmanje jednom godišnje):
  • sanacija kapitala (najmanje jednom svake 3 godine);
  • pouzdano pričvršćivanje baterije na mjestu upotrebe;
  • prisustvo rasvjete;
  • korištenje ispravnih punjača;
  • i usklađenost sa sigurnosnim propisima za korištenje takvih baterija.

Važno je pridržavati se opisanih pravila ne samo zato što će takav pristup radu nikl-metal hidridnih baterija značajno produžiti njihov vijek trajanja. Oni također jamče sigurnu i općenito bezbrižnu upotrebu baterije.

Pravila punjenja

Ranije je napomenuto da pravila rada nisu jedina stvar koja je potrebna za postizanje maksimalnog radnog vijeka nikl-metal hidridnih baterija. Pored pravilne upotrebe, izuzetno je važno pravilno puniti takve baterije. Općenito, odgovor na pitanje - "Kako pravilno napuniti Ni-MH bateriju?" Prilično je težak. Činjenica je da svaka vrsta legure koja se koristi na elektrodama baterija zahtijeva određena pravila za ovaj proces.

Sumirajući ih i usrednjavajući ih, možemo razlikovati sljedeće osnovne principe punjenja nikl-metal hidridnih baterija:

• Prvo, morate pratiti tačno vrijeme punjenja. Za većinu Ni-MH baterija, to je ili 15 sati pri struji punjenja od oko 0,1 C, ili 1-5 sati pri struji punjenja u rasponu od 0,1-1 C za baterije sa visoko aktivnim elektrodama. Izuzetak su punjive baterije čije punjenje može trajati više od 30 sati;
• Drugo, važno je pratiti temperaturu baterije tokom procesa punjenja. Mnogi proizvođači ne preporučuju prekoračenje maksimalne temperature od 50-60 stepeni Celzijusa;
• I treće, redoslijed punjenja treba direktno uzeti u obzir. Ovaj pristup se smatra optimalnim kada se baterija isprazni nazivnom strujom do napona na izlazima od 0,9-1 Volt, nakon čega se puni za 75-80% svog maksimalnog kapaciteta. Istovremeno, važno je uzeti u obzir da je prilikom brzog punjenja (isporučena struja veća od 0,1) važno organizirati pretpunjenje sa visokom strujom dovoda baterije u trajanju od oko 8-10 minuta. Nakon toga, proces punjenja treba organizirati glatkim povećanjem napona koji se dovodi u bateriju na 1,6-1,8 volti. Inače, tokom normalnog punjenja nikl-metal hidridne baterije, napon se često ne mijenja i obično je 0,3-1 volti.

Bilješka! Gore navedena pravila punjenja baterije su prosječne prirode. Imajte na umu da se za određenu marku nikl-metal hidridnih baterija mogu neznatno razlikovati.

Battery Recovery

Uz visoku cijenu i brzo samopražnjenje, Ni-MH baterije imaju još jedan nedostatak - izražen "memorijski efekat". Njegova suština leži u činjenici da se sustavnim punjenjem nepotpuno ispražnjene baterije, čini da to pamti i s vremenom značajno gubi svoj kapacitet. Kako bi neutralizirali takve rizike, vlasnici takvih baterija moraju puniti najviše ispražnjene baterije, kao i povremeno ih „trenirati“ kroz proces oporavka.

Za obnavljanje nikl-metal hidridnih baterija tokom "treninga" ili kada su jako ispražnjene potrebno je sljedeće:

1. Prije svega, morate se pripremiti. Za oporavak će biti potrebno:
   • visokokvalitetan i po mogućnosti pametan punjač;
   • Alati za mjerenje napona i struje;
   • bilo koji uređaj sposoban da crpi energiju iz baterije.
2. Nakon pripreme, već se možete pitati kako vratiti bateriju. Prvo je potrebno napuniti bateriju u skladu sa svim pravilima, a zatim je isprazniti prema naponu na izlazu baterije od 0,8-1 Volt;
3. Tada direktno počinje oporavak, koji se, opet, mora provesti u skladu sa svim pravilima za punjenje nikl-metal hidridnih baterija. Standardni proces oporavka može se provesti na dva načina:
   • Prvi je ako baterija pokazuje znakove "života" (u pravilu kada je prazna na nivou od 0,8-1 Volt). Punjenje se odvija uz konstantno povećanje dovedenog napona od 0,3 do 1 Volt sa strujom od 0,1 C tokom 30-60 minuta, nakon čega napon ostaje nepromijenjen, a struja se povećava na 0,3-0,5 C;
   • Drugi - ako baterija ne pokazuje znakove "života" (sa pražnjenjem manjim od 0,8 volti). U ovom slučaju, punjenje se vrši 10-minutnim pretpunjenjem visoke struje u trajanju od 10-15 minuta. Nakon toga se provode gore navedeni koraci.

Treba shvatiti da je restauracija nikl-metal hidridnih baterija postupak koji se mora periodično provoditi za apsolutno sve baterije (i "naponske" i "nenaponske"). Samo će takav pristup radu ove vrste baterija pomoći da se iz njih "iscijedi" maksimum.

Možda se ova priča o današnjoj temi može dovršiti. Nadamo se da vam je gore predstavljeni materijal bio koristan i dao odgovore na vaša pitanja.

Ako imate bilo kakvih pitanja - ostavite ih u komentarima ispod članka. Mi ili naši posjetioci rado ćemo im odgovoriti.

Sve je počelo činjenicom da je moja foto sapunica u potpunosti odbila da radi sa tek izvađenim baterijama iz punjača - četiri NiMH baterije AA veličine. Bili bi uzeti, kao i obično, i bačeni. Ali iz nekog razloga, ovaj put je znatiželja prevladala nad zdravim razumom (ili je možda žaba dala glas) i htio sam shvatiti - da li je moguće iz ovih baterija iscijediti barem nešto drugo. Kamera je jako gladna energije, ali ima i skromnijih potrošača - bežični miševi ili tastature, na primjer.

Zapravo, postoje dva parametra koja su od interesa za potrošača - kapacitet baterije i njen unutrašnji otpor. Postoji i nekoliko mogućih manipulacija - pražnjenje i punjenje. Mjerenjem struje i vremena tokom pražnjenja možete procijeniti kapacitet baterije. Po razlici u naponu baterije u praznom hodu i pod opterećenjem možete procijeniti unutrašnji otpor. Ponavljanjem ciklusa pražnjenja-punjenja (tj. nakon završetka „treninga“) nekoliko puta, može se shvatiti da li ova akcija uopće ima smisla.

Shodno tome, formiran je i takav plan - izrađujemo kontrolisani razmak i punjač sa mogućnošću kontinuiranog merenja procesnih parametara, vršimo jednostavne aritmetičke operacije nad izmerenim vrednostima, ponavljamo proces onoliko puta koliko je potrebno. Uspoređujemo, zaključujemo, konačno bacamo baterije.

Stalak za merenje

Kompletna kolekcija bicikala. Sastoji se od analognog dijela (na dijagramu ispod) i mikrokontrolera. U mom slučaju, arduino je bio intelektualni dio, iako to uopće nije važno - sve dok postoji potreban skup ulaza/izlaza.

Stalak je napravljen od onoga što je pronađeno u radijusu od tri metra. Ako neko želi ponoviti, onda uopće nije potrebno točno slijediti shemu. Izbor parametara elementa može biti prilično širok, to ću komentirati kasnije.

Jedinica za pražnjenje je kontrolirani strujni stabilizator baziran na operacijskom pojačalu IC1B (LM324N) i tranzistoru s efektom polja Q1. Gotovo svaki tranzistor, samo da ima dovoljno dozvoljenih napona, struja i disipacije snage. I svi su mali. Povratni otpornik i istovremeno dio opterećenja (zajedno sa Q1 i R20) za bateriju - R1. Njegova maksimalna vrijednost mora biti takva da obezbijedi potrebnu maksimalnu struju pražnjenja. Ako polazimo od činjenice da se baterija može isprazniti do 1 V, tada da bi se osigurala struja pražnjenja, na primjer, 500 mA, otpornik R1 ne bi trebao biti veći od 2 oma. Stabilizatorom upravlja trobitni otporni DAC (R12-R17). Ovdje je proračun sljedeći - napon na direktnom ulazu op-amp je jednak naponu na R1 (koji je proporcionalan struji pražnjenja). Mijenjamo napon na direktnom ulazu - mijenja se struja pražnjenja. Da biste skalirali izlaz DAC-a na željeni raspon, postoji tuning otpornik R3. Bolje je da bude višestruko. Ocjene R12-R17 mogu biti bilo koje (u području od nekoliko desetina kilo-oma), glavna stvar je da omjer njihovih vrijednosti bude 1/2. Posebna preciznost nije potrebna od DAC-a, pošto se struja pražnjenja (napon na R1) u procesu meri direktno instrumentacionim pojačalom IC1D. Njegovo pojačanje je K=R11/R10=R9/R8. Izlaz se dovodi na ADC mikrokontrolera (A1). Promjenom vrijednosti R8-R11 pojačanje se može podesiti na željeno. Napon baterije se mjeri drugim pojačalom IC1C, K=R5/R4=R7/R6. Zašto kontrola struje pražnjenja? Poenta je u osnovi ovo. Ako praznite konstantnom velikom strujom, tada će zbog velikog unutrašnjeg otpora istrošenih baterija minimalno dozvoljeni napon od 1 V (i ne postoji druga referentna tačka za zaustavljanje pražnjenja) biti dostignut prije nego što se baterija stvarno isprazni. otpušten. Ako se praznite konstantnom malom strujom, tada će se proces predugo protezati. Stoga se pražnjenje vrši postupno. Činilo mi se da je osam koraka dovoljno. Ako je lov veći/manji, tada možete promijeniti bitnu dubinu DAC-a. Osim toga, uključivanjem i isključivanjem opterećenja, možete procijeniti unutrašnji otpor baterije. Mislim da algoritam rada regulatora pri pražnjenju ne zahtijeva dalje objašnjenje. Na kraju procesa, Q1 je zaključan, baterija je potpuno isključena iz opterećenja, a kontroler uključuje jedinicu za punjenje.

Blok punjenja. Također i strujni stabilizator, samo nekontroliran, ali se može uključiti. Struja je postavljena referentnim naponom na IC2 (2,5 V, 1% tačnosti prema podacima) i otpornikom R21. U mom slučaju struja punjenja je bila klasična - 1/10 nominalnog kapaciteta baterije. Povratni otpornik - R20. Možete koristiti bilo koji drugi referentni izvor napona - po vašem ukusu i dostupnosti detalja. Tranzistor Q2 radi u rigidnijem režimu od Q1. Zbog primjetne razlike između Vcc napona i napona baterije, na njemu se rasipa primjetna snaga. Ovo je cijena koju treba platiti za jednostavnost sheme. Ali radijator spašava situaciju. Tranzistor Q3 služi da prisili Q2 da se isključi, odnosno da isključi punjač. Upravlja se signalom 12 mikrokontrolera. Za rad ADC kontrolera potreban je drugi izvor referentnog napona (IC3). Tačnost mjerenja našeg štanda ovisi o njegovim parametrima. LED1 LED - za označavanje statusa procesa. U mom slučaju ne svijetli tokom procesa pražnjenja, svijetli prilikom punjenja i treperi kada se ciklus završi.
Napon napajanja je odabran tako da osigura otvaranje tranzistora i njihov rad u potrebnim rasponima. U ovom slučaju, za oba tranzistora, napon otpuštanja gejta je prilično visok - oko 2-4 V. Osim toga, Q2 je "podržan" naponom baterije i R20, tako da napon otpuštanja kapije počinje na oko 3,5-5,5 V. Zauzvrat, LM323 ne može podići izlazni napon iznad Vcc minus 1,5 V. Stoga, Vcc mora biti dovoljno velik, au mom slučaju je 9V.

Algoritam kontrole punjenja vođen je klasičnom verzijom kontrole trenutka kada počinje pad napona na bateriji. Međutim, u stvarnosti se pokazalo da sve nije baš tako, ali o tome kasnije.
Sve izmjerene veličine u procesu "istraživanja" upisane su u datoteku, zatim su napravljeni proračuni i izgrađeni grafikoni.

Mislim da je sa mjernim postoljem sve jasno, pa da pređemo na rezultate.

Rezultati mjerenja

Dakle, imamo napunjene (ali neradne) baterije, koje praznimo i mjerimo pohranjeni kapacitet, a ujedno i unutrašnji otpor. To izgleda ovako.

Grafovi na osi vrijeme, sati (X) i snaga, W (Y) za najbolje i najgore baterije. Može se vidjeti da je uskladištena energija (područje ispod grafikona) značajno drugačija. Brojčano, izmjereni kapacitet baterije iznosio je 1196, 739, 1237 i 1007 mAh. Nije mnogo, s obzirom da je nominalni kapacitet (koji je naznačen na kućištu) 2700 mAh. A širenje je veoma veliko. Šta je sa unutrašnjim otporom? Bio je 0,39, 0,43, 0,32 i 0,64 Ω, respektivno. Užasno. Jasno je zašto je posuda za sapun odbila raditi - baterije jednostavno ne mogu dati veliku struju. Pa, počnimo sa treningom.

Ciklus jedan. Opet izlazna snaga najboljih i najgorih baterija.

Napredak je vidljiv golim okom! Brojke to potvrđuju: 1715, 1444, 1762 i 1634 mAh. Unutrašnji otpor se također poboljšao, ali vrlo neravnomjerno - 0,23, 0,40, 0,1, 0,43 Ohma. Čini se da postoji šansa. Ali nažalost, daljnji ciklusi pražnjenja / punjenja nisu dali ništa. Vrijednosti kapacitivnosti, kao i unutrašnje otpornosti, varirale su od ciklusa do ciklusa unutar oko 10%. To leži negdje blizu granica tačnosti mjerenja. One. dug trening, barem za moje baterije, nije učinio ništa. Ali s druge strane, postalo je jasno da su baterije zadržale više od polovine svog kapaciteta i da će i dalje raditi na niskoj struji. Bar neke ekonomske uštede.

Sada se želim malo zadržati na procesu punjenja. Možda će moja zapažanja biti korisna nekome ko će dizajnirati inteligentni punjač.
Evo tipičnog grafikona punjenja (na lijevoj strani je skala napona na bateriji u voltima).

Nakon početka punjenja, uočava se pad napona. U različitim ciklusima može biti manje ili više po dubini, malo drugačije u trajanju, ponekad i izostati. Dalje, oko 10 sati, dolazi do ujednačenog rasta, a zatim izlaz na gotovo horizontalni plato. Teorija kaže da uz malu struju punjenja nema pada napona na kraju punjenja. Bio sam strpljiv i ipak čekao ovu jesen. Mali je (gotovo se ne primjećuje na grafikonu), treba ga čekati jako dugo, ali uvijek je tu. Nakon deset sati punjenja i prije pada, napon na bateriji, iako raste, izuzetno je neznatan. To gotovo da nema utjecaja na konačno punjenje, ne primjećuju se nikakve neugodne pojave poput zagrijavanja baterije. Stoga, kada dizajnirate punjače male struje, nema smisla opskrbljivati ​​ih inteligencijom. Tajmer za 10-12 sati je dovoljan i nije potrebna posebna preciznost.

Međutim, ovu idilu razbio je jedan od elemenata. Nakon otprilike 5-6 sati punjenja, došlo je do vrlo primjetnih fluktuacija napona.

U početku sam to otpisao kao grešku u dizajnu mog štanda. Na fotografiji se vidi da je sve sastavljeno površinskom montažom, a kontroler je povezan prilično dugim žicama. Međutim, ponovljeni eksperimenti su pokazali da se takve gluposti stalno događaju s istom baterijom i nikada se ne dešavaju s drugima. Na moju sramotu, nisam našao razlog za ovakvo ponašanje. Ipak (a to je jasno vidljivo na grafikonu), prosječna vrijednost napona raste kako bi trebala.

Epilog

Kao rezultat, imamo četiri baterije, koje su pronašle ekološku nišu pomoću preciznih naučnih metoda. Razočarani smo mogućnostima trenažnog procesa. I imamo jedan neobjašnjiv efekat koji se javlja prilikom punjenja.
Sljedeći na redu je veći akumulator - akumulator automobila. Ali otpornici opterećenja su za nekoliko redova jačine. Negdje prolaze kroz prostranstva Evroazije.

To je sve. Hvala na pažnji.

Iz radnog iskustva

NiMH ćelije se naširoko reklamiraju kao da imaju visoku gustoću energije, da su otporne na hladnoću i da nemaju memoriju. Kupivši Canon PowerShot A 610 digitalni fotoaparat, naravno, opremio sam ga velikom memorijom za 500 visokokvalitetnih snimaka, a da bih produžio trajanje snimanja, kupio sam 4 NiMH ćelije kapaciteta 2500 mA * sat od Duracell-a.

Uporedimo karakteristike elemenata koje proizvodi industrija:

Parametri		Litijum jonski Li-ion	Nikl kadmijum NiCd	nikl- metal hidrid NiMH	Olovna kiselina Pb
trajanje usluge, ciklusi punjenja/pražnjenja		1-1,5 godina	500-1000		3 00-5000
Energetski kapacitet, W*h/kg
Struja pražnjenja, mA * kapacitet baterije
Napon jednog elementa, V
Stopa samopražnjenja		2-5% mjesečno	10% za prvi dan, 10% za svaki naredni mjesec	2 puta više NiCd	40% u godini
Dozvoljeni temperaturni opseg, stepeni Celzijusa	punjenje
	detente		-20... +65
Dozvoljeni opseg napona, V		2,5-4,3 (kola), 3,0-4,3 (grafit)			5,25-6,85 (za baterije 6 V), 10,5-13,7 (za baterije 12V)

Tabela 1.

Iz tabele vidimo da NiMH elementi imaju visok energetski kapacitet, što ih čini poželjnijim pri odabiru.

Za njihovo punjenje nabavljen je inteligentni punjač DESAY Full-Power Harger koji uz njihovu obuku omogućava punjenje NiMH elemenata. Njegovi elementi bili su visoko kvalitetno nabijeni, ali... Međutim, pri šestom punjenju, naručio je dug život. Izgorjela elektronika.

Nakon zamjene punjača i nekoliko ciklusa punjenja-pražnjenja, baterije su se počele prazniti u drugom ili trećem desetku.

Ispostavilo se da uprkos uvjeravanjima, NiMH elementi također imaju memoriju.

A većina modernih prijenosnih uređaja koji ih koriste imaju ugrađenu zaštitu koja isključuje napajanje kada se dostigne određeni minimalni napon. Ovo sprečava da se baterija potpuno isprazni. Ovdje memorija elemenata počinje igrati svoju ulogu. Ćelije koje nisu potpuno ispražnjene nisu potpuno napunjene i njihov kapacitet opada sa svakim punjenjem.

Punjači visokog kvaliteta omogućavaju punjenje bez gubitka kapaciteta. Ali ovako nešto nisam mogao naći na prodaju za elemente kapaciteta 2500mah. Ostaje povremeno provoditi njihovu obuku.

Trening NiMH elemenata

Sve napisano u nastavku ne odnosi se na ćelije baterija sa jakim samopražnjenjem . Mogu se samo baciti, iskustvo pokazuje da se ne mogu trenirati.

Obuka NiMH elemenata se sastoji od nekoliko (1-3) ciklusa pražnjenje-punjenje.

Pražnjenje se vrši sve dok napon na baterijskoj ćeliji ne padne na 1V. Preporučljivo je isprazniti elemente pojedinačno. Razlog je taj što mogućnost primanja naplate može biti različita. I pojačava se pri punjenju bez treninga. Zbog toga dolazi do preranog rada naponske zaštite vašeg uređaja (plejer, kamera,...) i naknadnog punjenja neispražnjenog elementa. Rezultat toga je progresivni gubitak kapaciteta.

Pražnjenje se mora vršiti u posebnom uređaju (slika 3), što omogućava da se izvrši pojedinačno za svaki element. Ako nema kontrole napona, tada se pražnjenje vrši do primjetnog smanjenja svjetline sijalice.

A ako otkrijete vrijeme gorenja sijalice, možete odrediti kapacitet baterije, izračunava se po formuli:

Kapacitet = struja pražnjenja x vrijeme pražnjenja = I x t (A * sat)

Baterija kapaciteta 2500 mAh sposobna je isporučiti struju od 0,75 A na opterećenje tijekom 3,3 sata, ako je vrijeme dobiveno kao rezultat pražnjenja manje, a samim tim i preostali kapacitet manji. A sa smanjenjem kapaciteta, morate nastaviti trenirati bateriju.

Sada, za pražnjenje ćelija baterije, koristim uređaj napravljen prema shemi prikazanoj na slici 3.

Napravljen je od starog punjača i izgleda ovako:

Samo sada postoje 4 sijalice, kao na slici 3. Posebno treba pomenuti sijalice. Ako sijalica ima struju pražnjenja jednaku nazivnoj za datu bateriju ili nešto manju, može se koristiti kao opterećenje i indikator, inače je sijalica samo indikator. Tada bi otpornik trebao imati takvu vrijednost da ukupni otpor El 1-4 i otpornika R 1-4 paralelnog s njim bude reda veličine 1,6 oma. Zamjena sijalice LED-om je neprihvatljiva.

Primjer sijalice koja se može koristiti kao opterećenje je 2,4 V kriptonska baterijska lampa.

Poseban slučaj.

Pažnja! Proizvođači ne garantuju normalan rad baterija pri strujama punjenja koje prelaze struju ubrzanog punjenja.I punjenje treba da bude manje od kapaciteta baterije. Dakle, za baterije kapaciteta 2500 ma*h trebao bi biti ispod 2,5A.

Dešava se da NiMH ćelije nakon pražnjenja imaju napon manji od 1,1 V. U tom slučaju je potrebno primijeniti tehniku ​​opisanu u gornjem članku u MIR PC magazinu. Element ili niz elemenata povezan je sa izvorom napajanja preko sijalice za automobil od 21 W.

Još jednom, skrećem vam pažnju! Takvi elementi se moraju provjeriti na samopražnjenje! U većini slučajeva to su elementi niskog napona koji imaju povećano samopražnjenje. Ove elemente je lakše izbaciti.

Punjenje je poželjno individualno za svaki element.

Za dvije ćelije sa naponom od 1,2V, napon punjenja ne bi trebao biti veći od 5-6V. Kod prinudnog punjenja, svjetlo je također indikator. Smanjenjem svjetline sijalice možete provjeriti napon na NiMH elementu. Bit će veći od 1,1 V. Obično ovo početno pojačano punjenje traje 1 do 10 minuta.

Ako NiMH element, tokom prinudnog punjenja, ne poveća napon nekoliko minuta, zagrije se, to je razlog da ga uklonite iz punjenja i odbacite.

Preporučujem korištenje punjača samo sa mogućnošću treniranja (regeneracije) elemenata prilikom punjenja. Ako ih nema, onda nakon 5-6 radnih ciklusa u opremi, bez čekanja na potpuni gubitak kapaciteta, obučite ih i odbacite elemente s jakim samopražnjenjem.

I neće te iznevjeriti.

Na jednom od foruma komentirao je ovaj članak "lose napisano ali nista vise". Dakle, ovo nije "glupo", već jednostavno i dostupno svima kojima je potrebna pomoć u kuhinji. Odnosno što jednostavnije. Napredni može staviti kontroler, spojiti kompjuter, ......, ali ovo je već druga istorija.

Da ne izgledam glupo

Postoje "pametni" punjači za NiMH ćelije.

Ovaj punjač radi sa svakom baterijom posebno.

On može:

1. rade pojedinačno sa svakom baterijom u različitim režimima,
2. punite baterije u brzom i sporom načinu rada,
3. individualni LCD ekran za svaki odeljak za baterije,
4. punite svaku bateriju nezavisno,
5. punjenje od jedne do četiri baterije različitog kapaciteta i veličine (AA ili AAA),
6. zaštitite bateriju od pregrijavanja,
7. zaštiti svaku bateriju od prekomjernog punjenja,
8. određivanje kraja punjenja padom napona,
9. identificirati neispravne baterije
10. prethodno ispraznite bateriju do preostalog napona,
11. vraćanje starih baterija (trening punjenja-pražnjenja),
12. provjerite kapacitet baterije
13. prikaz na LCD-u: - struja punjenja, napon, odražavaju trenutni kapacitet.

Ono što je najvažnije, ističem da ovaj tip uređaja omogućava individualni rad sa svakom baterijom.

Prema recenzijama korisnika, takav punjač vam omogućava da vratite većinu baterija koje rade, a one koje se mogu servisirati mogu se koristiti cijeli zajamčeni vijek trajanja.

Nažalost, nisam koristio takav punjač, ​​jer ga je jednostavno nemoguće kupiti u provinciji, ali na forumima možete pronaći puno recenzija.

Glavna stvar je da se ne puni na velikim strujama, unatoč deklariranom načinu rada sa strujama od 0,7 - 1A, ovo je još uvijek uređaj male veličine i može raspršiti 2-5 vata snage.

Zaključak

Svaki oporavak NiMh baterija je strogo individualan (sa svakim pojedinačnim elementom) rad. Uz stalno praćenje i odbacivanje elemenata koji ne prihvataju punjenje.

A najbolji način da se pozabavite njihovim oporavkom je uz pomoć inteligentnih punjača koji vam omogućavaju da pojedinačno odbacite i ciklus punjenja-pražnjenja sa svakom ćelijom. A kako ne postoje takvi uređaji koji automatski rade s baterijama bilo kojeg kapaciteta, oni su dizajnirani za elemente strogo definiranog kapaciteta ili moraju imati kontrolirane struje punjenja i pražnjenja!