Baterie nichel-hidrură metalică. Baterie nichel-hidrură metalică

09.09.2019 Siguranță

Acest articol despre bateriile nichel-hidrură metalică (Ni-MH) a fost mult timp un clasic pe internetul rusesc. Recomand sa verificati...

Bateriile nichel-hidrură metalică (Ni-MH) sunt similare ca design cu bateriile nichel-cadmiu (Ni-Cd), iar în procesele electrochimice - bateriile nichel-hidrogen. Energia specifică a unei baterii Ni-MH este semnificativ mai mare decât energia specifică a bateriilor Ni-Cd și hidrogen (Ni-H2)

VIDEO: Baterii nichel-hidrură metalică (NiMH).

Caracteristicile comparative ale bateriei

Opțiuni	Ni-Cd	Ni-H2	Ni-MH
Tensiune nominală, V	1.2	1.2	1.2
Energie specifică: Wh/kg \| Wh/l	20-40 60-120	40-55 60-80	50-80 100-270
Durată de viață: ani \| cicluri	1-5 500-1000	2-7 2000-3000	1-5 500-2000
Autodescărcare, %	20-30 (timp de 28 de zile)	20-30 (pentru 1 zi)	20-40 (timp de 28 de zile)
Temperatura de funcționare, °C	-50 — +60	-20 — +30	-40 — +60

***Răspândirea largă a unor parametri din tabel este cauzată de diferite scopuri (design) ale bateriilor. În plus, tabelul nu ia în considerare datele despre bateriile moderne cu autodescărcare scăzută

Istoria bateriei Ni-MH

Dezvoltarea bateriilor nichel-hidrură metalică (Ni-MH) a început în anii 50-70 ai secolului trecut. Rezultatul a fost o nouă modalitate de a stoca hidrogenul în bateriile cu nichel-hidrogen utilizate în navele spațiale. În noul element, hidrogenul s-a acumulat în aliajele anumitor metale. Aliajele care absorb hidrogenul de până la 1.000 de ori volumul propriu au fost descoperite în anii 1960. Aceste aliaje constau din două sau mai multe metale, dintre care unul absoarbe hidrogenul, iar celălalt este un catalizator care promovează difuzia atomilor de hidrogen în rețeaua metalică. Numărul de combinații posibile de metale utilizate este practic nelimitat, ceea ce face posibilă optimizarea proprietăților aliajului. Pentru a crea baterii Ni-MH, a fost necesar să se creeze aliaje care să funcționeze la presiune scăzută a hidrogenului și la temperatura camerei. În prezent, lucrările privind crearea de noi aliaje și tehnologiile de prelucrare a acestora continuă în întreaga lume. Aliajele de nichel cu metale din pământuri rare pot oferi până la 2000 de cicluri de încărcare-descărcare a bateriei reducând în același timp capacitatea electrodului negativ cu cel mult 30%. Prima baterie Ni-MH, care a folosit aliajul LaNi5 ca principal material activ al electrodului cu hidrură metalică, a fost brevetată de Bill în 1975. În experimentele timpurii cu aliaje cu hidrură metalică, bateriile Ni-MH erau instabile și capacitatea necesară a bateriei nu putea fi atins. Prin urmare, utilizarea industrială a bateriilor Ni-MH a început abia la mijlocul anilor 80 după crearea aliajului La-Ni-Co, care permite absorbția reversibilă electrochimic a hidrogenului pentru mai mult de 100 de cicluri. De atunci, designul bateriilor reîncărcabile Ni-MH a fost îmbunătățit continuu pentru a crește densitatea energetică a acestora. Înlocuirea electrodului negativ a făcut posibilă creșterea conținutului de masă activă a electrodului pozitiv, care determină capacitatea bateriei, de 1,3-2 ori. Prin urmare, bateriile Ni-MH au caracteristici energetice specifice semnificativ mai mari în comparație cu bateriile Ni-Cd. Succesul răspândirii bateriilor nichel-hidrură metalică a fost asigurat de densitatea energetică ridicată și netoxicitatea materialelor utilizate la producerea acestora.

Procese de bază ale bateriilor Ni-MH

Bateriile Ni-MH folosesc un electrod de oxid de nichel ca electrod pozitiv, cum ar fi o baterie cu nichel-cadmiu, și folosesc un electrod care absoarbe hidrogen din pământuri rare cu nichel în loc de un electrod negativ cu cadmiu. Următoarea reacție are loc pe electrodul pozitiv de oxid de nichel al unei baterii Ni-MH:

Ni(OH) 2 + OH- → NiOOH + H 2 O + e - (încărcare) NiOOH + H 2 O + e - → Ni(OH) 2 + OH - (descărcare)

La electrodul negativ, metalul cu hidrogen absorbit este transformat într-o hidrură de metal:

M + H 2 O + e - → MH + OH- (încărcare) MH + OH - → M + H 2 O + e - (descărcare)

Reacția generală într-o baterie Ni-MH este scrisă după cum urmează:

Ni(OH) 2 + M → NiOOH + MH (încărcare) NiOOH + MH → Ni(OH) 2 + M (descărcare)

Electrolitul nu participă la reacția principală de formare a curentului. După atingerea 70-80% din capacitate și la reîncărcare, oxigenul începe să fie eliberat pe electrodul de oxid de nichel,

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

care este restaurat la electrodul negativ:

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

Ultimele două reacții asigură un ciclu închis al oxigenului. Când oxigenul este redus, se asigură o creștere suplimentară a capacității electrodului de hidrură metalică datorită formării grupei OH.

Proiectarea electrozilor bateriilor Ni-MH

Electrod metalic cu hidrogen

Principalul material care definește caracteristicile unei baterii Ni-MH este un aliaj care absoarbe hidrogen, care poate absorbi de 1000 de ori propriul său volum de hidrogen. Cele mai răspândite sunt aliajele de tip LaNi5, în care o parte din nichel este înlocuită cu mangan, cobalt și aluminiu pentru a crește stabilitatea și activitatea aliajului. Pentru a reduce costurile, unele companii producătoare folosesc metal misch în loc de lantan (Mm, care este un amestec de elemente de pământuri rare, raportul lor în amestec este apropiat de raportul din minereurile naturale), care, pe lângă lantan, include și ceriu, praseodim și neodim. În timpul ciclului de încărcare-descărcare, expansiunea și contracția rețelei cristaline a aliajelor care absorb hidrogen are loc cu 15-25% din cauza absorbției și desorbției hidrogenului. Astfel de modificări duc la formarea de fisuri în aliaj datorită creșterii tensiunii interne. Formarea fisurilor determină o creștere a suprafeței, care este supusă coroziunii atunci când interacționează cu un electrolit alcalin. Din aceste motive, capacitatea de descărcare a electrodului negativ scade treptat. Într-o baterie cu o cantitate limitată de electrolit, acest lucru creează probleme asociate cu redistribuirea electroliților. Coroziunea aliajului duce la pasivitatea chimică a suprafeței datorită formării de oxizi și hidroxizi rezistenți la coroziune, care cresc supratensiunea reacției principale de generare a curentului a electrodului de hidrură metalică. Formarea produselor de coroziune are loc odată cu consumul de oxigen și hidrogen din soluția de electrolit, care, la rândul său, determină o scădere a cantității de electrolit din baterie și o creștere a rezistenței sale interne. Pentru a încetini procesele nedorite de dispersie și coroziune a aliajelor, care determină durata de viață a bateriilor Ni-MH, sunt utilizate două metode principale (pe lângă optimizarea compoziției și a modului de producție al aliajului). Prima metodă este microîncapsularea particulelor de aliaj, de ex. în acoperirea suprafeţei lor cu un strat subţire poros (5-10%) - în greutate de nichel sau cupru. A doua metodă, care este cea mai utilizată în prezent, implică tratarea suprafeței particulelor de aliaj în soluții alcaline pentru a forma pelicule protectoare permeabile la hidrogen.

Electrod de oxid de nichel

Electrozii de oxid de nichel în producția de masă sunt fabricați cu următoarele modificări de design: lamelă, sinterizată fără lamele (cermet) și presați, inclusiv electrozi de tabletă. În ultimii ani au început să fie folosiți electrozi din pâslă fără lamele și din polimer spumă.

Electrozi lamelari

Electrozii lamelari sunt un set de cutii perforate interconectate (lamele) realizate din bandă de oțel nichelată subțire (0,1 mm grosime).

Electrozi sinterizați (cermet).

electrozii de acest tip constau dintr-o bază metalo-ceramică poroasă (cu o porozitate de cel puțin 70%), în porii căreia se află masa activă. Baza este realizată din pulbere fină de carbonil nichel, care, amestecată cu carbonat de amoniu sau uree (60-65% nichel, restul este umplutură), este presată, rulată sau pulverizată pe o plasă de oțel sau nichel. Apoi plasa cu pulbere este supusă unui tratament termic într-o atmosferă reducătoare (de obicei într-o atmosferă de hidrogen) la o temperatură de 800-960 ° C, în timp ce carbonatul de amoniu sau ureea se descompune și se volatilizează, iar nichelul este sinterizat. Bazele astfel obtinute au o grosime de 1-2,3 mm, o porozitate de 80-85% si o raza a porilor de 5-20 microni. Baza este impregnată alternativ cu o soluție concentrată de azotat de nichel sau sulfat de nichel și o soluție alcalină încălzită la 60-90 ° C, care încurajează precipitarea oxizilor și hidroxizilor de nichel. În prezent, se folosește și metoda de impregnare electrochimică, în care electrodul este supus unui tratament catodic într-o soluție de azotat de nichel. Datorită formării hidrogenului, soluția din porii plăcii devine alcalinizată, ceea ce duce la precipitarea oxizilor și hidroxizilor de nichel în porii plăcii. Electrozii din folie se numără printre tipurile de electrozi sinterizați. Electrozii sunt produși prin aplicarea unei emulsii alcoolice de pulbere de nichel carbonil care conține lianți pe o bandă de nichel perforată subțire (0,05 mm) pe ambele părți, prin pulverizare, sinterizare și impregnare chimică sau electrochimică ulterioară cu reactivi. Grosimea electrodului este de 0,4-0,6 mm.

Electrozi presați

Electrozii presați sunt realizați prin presarea masei active sub o presiune de 35-60 MPa pe o plasă sau bandă de oțel perforată. Masa activă constă din hidroxid de nichel, hidroxid de cobalt, grafit și un liant.

Electrozi metalici din pâslă

Electrozii metalici din pâslă au o bază foarte poroasă din nichel sau fibre de carbon. Porozitatea acestor baze este de 95% sau mai mult. Electrodul de pâslă este realizat pe bază de polimer nichelat sau pâslă de carbon-grafit. Grosimea electrodului, în funcție de scopul său, este în intervalul 0,8-10 mm. Masa activă este introdusă în pâslă folosind diferite metode în funcție de densitatea acesteia. Poate fi folosit în loc de pâslă spumă de nichel, obtinut prin nichelare a spumei poliuretanice urmata de recoacere in mediu reducator. O pastă care conține hidroxid de nichel și un liant sunt de obicei adăugate la un mediu foarte poros prin răspândire. După aceasta, baza cu pasta este uscată și rulată. Electrozii polimeri din pâslă și spumă se caracterizează printr-o capacitate specifică mare și o durată lungă de viață.

Design baterie Ni-MH

Baterii cilindrice Ni-MH

Electrozii pozitivi și negativi, separați de un separator, sunt rulați într-o rolă, care este introdusă în carcasă și închisă cu un capac de etanșare cu o garnitură (Figura 1). Capacul are o supapă de siguranță care se declanșează la o presiune de 2-4 MPa în cazul unei defecțiuni în timpul funcționării bateriei.

Fig.1. Design baterie nichel-hidrură metalică (Ni-MH): 1 corp, 2 capac, capac cu 3 supape, 4 supape, colector de electrozi 5 pozitivi, 6 inel izolator, 7 electrozi negativi, 8 separatori, 9 - electrod pozitiv, 10-izolator.

Baterii prismatice Ni-MH

În bateriile prismatice Ni-MH, electrozii pozitivi și negativi sunt plasați alternativ, iar între ei este plasat un separator. Blocul de electrozi este introdus într-o carcasă de metal sau plastic și închis cu un capac de etanșare. O supapă sau un senzor de presiune este de obicei instalat pe capac (Figura 2).

Fig.2. Design baterie Ni-MH: 1 corp, 2 capac, capac 3 supape, 4 supape, 5 garnituri izolatoare, 6 izolatoare, 7 electrozi negativi, 8 separatori, 9 electrozi pozitivi.

Bateriile Ni-MH folosesc un electrolit alcalin format din KOH cu adaos de LiOH. Polipropilena nețesută și poliamidă cu grosimea de 0,12-0,25 mm, tratate cu un agent de umectare, sunt folosite ca separator în bateriile Ni-MH.

Electrod pozitiv

Bateriile Ni-MH folosesc electrozi pozitivi de oxid de nichel similari celor utilizați în bateriile Ni-Cd. Bateriile Ni-MH folosesc în principal electrozi metalo-ceramici, iar în ultimii ani, pâslă și electrozi din spumă polimerică (vezi mai sus).

Electrod negativ

Cinci modele de electrod cu hidrură metalică negativă (vezi mai sus) și-au găsit aplicație practică în bateriile Ni-MH: - lamelară, atunci când pulberea unui aliaj care absorb hidrogen cu sau fără liant este presată într-o plasă de nichel; — spumă de nichel, atunci când o pastă cu un aliaj și un liant este introdusă în porii unei baze de spumă de nichel, apoi este uscată și presată (laminată); — folie, atunci când o pastă cu un aliaj și un liant este aplicată pe o folie perforată de nichel sau oțel nichelat, apoi se usucă și se presează; - laminata, cand pulberea masei active, formata dintr-un aliaj si un liant, se aplica prin laminare (laminare) pe un grilaj de tractiune de nichel sau plasa de cupru; - sinterizat, atunci când pulberea de aliaj este presată pe o plasă de nichel și apoi sinterizată într-o atmosferă de hidrogen. Capacitatele specifice ale electrozilor de hidrură metalică de diferite modele sunt apropiate ca valoare și sunt determinate în principal de capacitatea aliajului utilizat.

Caracteristicile bateriilor Ni-MH. Caracteristici electrice

Tensiune în circuit deschis

Valoarea tensiunii în circuit deschis Uр.к. Sistemele Ni-MH sunt dificil de determinat cu precizie din cauza dependenței potențialului de echilibru al electrodului de oxid de nichel de gradul de oxidare a nichelului, precum și a dependenței potențialului de echilibru al electrodului de hidrură metalică de gradul de saturație al acestuia. cu hidrogen. La 24 de ore după încărcarea bateriei, tensiunea în circuit deschis a unei baterii Ni-MH încărcate este în intervalul 1,30-1,35 V.

Tensiunea nominală de descărcare

Uр la un curent de descărcare normalizat Iр = 0,1-0,2C (C este capacitatea nominală a bateriei) la 25°C este 1,2-1,25V, tensiunea finală obișnuită este de 1V. Tensiunea scade odată cu creșterea sarcinii (vezi Figura 3)

Fig.3. Caracteristicile de descărcare ale unei baterii Ni-MH la o temperatură de 20°C și diferiți curenți de sarcină normalizați: 1-0,2C; 2-1C; 3-2C; 4-3C

Capacitatea bateriei

Odată cu creșterea sarcinii (scăderea timpului de descărcare) și scăderea temperaturii, capacitatea bateriei Ni-MH scade (Figura 4). Efectul reducerii temperaturii asupra capacității este vizibil în special la rate mari de descărcare și la temperaturi sub 0°C.

Fig.4. Dependența capacității de descărcare a unei baterii Ni-MH de temperatură la diferiți curenți de descărcare: 1-0,2C; 2-1C; 3-3C

Siguranța și durata de viață a bateriilor Ni-MH

În timpul depozitării, bateria Ni-MH se autodescărcă. După o lună la temperatura camerei, pierderea capacității este de 20-30%, iar cu depozitarea ulterioară pierderile scad la 3-7% pe lună. Rata de autodescărcare crește odată cu creșterea temperaturii (vezi Figura 5).

Fig.5. Dependența capacității de descărcare a unei baterii Ni-MH de timpul de păstrare la diferite temperaturi: 1-0°C; 2-20°C; 3-40°С

Încărcarea bateriei Ni-MH

Timpul de funcționare (numărul de cicluri de descărcare-încărcare) și durata de viață a unei baterii Ni-MH sunt în mare măsură determinate de condițiile de funcționare. Timpul de funcționare scade odată cu creșterea adâncimii și vitezei de descărcare. Timpul de funcționare depinde de viteza de încărcare și de metoda de monitorizare a finalizării acesteia. În funcție de tipul bateriilor Ni-MH, de modul de funcționare și de condițiile de funcționare, bateriile asigură de la 500 la 1800 de cicluri de descărcare-încărcare la o adâncime de descărcare de 80% și au o durată de viață (în medie) de 3 până la 5 ani.

Pentru a asigura funcționarea fiabilă a bateriei Ni-MH în perioada garantată, trebuie să urmați recomandările și instrucțiunile producătorului. Cea mai mare atenție trebuie acordată regimului de temperatură. Este recomandabil să evitați supradescărcările (sub 1V) și scurtcircuitele. Se recomandă utilizarea bateriilor Ni-MH în scopul pentru care au fost destinate, evitați combinarea bateriilor uzate și nefolosite și nu lipiți firele sau alte piese direct pe baterie. Bateriile Ni-MH sunt mai sensibile la supraîncărcare decât bateriile Ni-Cd. Supraîncărcarea poate duce la fuga termică. Încărcarea se efectuează de obicei cu curent Iз=0,1С timp de 15 ore. Reîncărcarea compensatorie se efectuează cu curent Iз=0,01-0,03С timp de 30 de ore sau mai mult. Încărcările accelerate (în 4 - 5 ore) și rapide (în 1 oră) sunt posibile pentru bateriile Ni-MH cu electrozi foarte activi. Cu astfel de taxe, procesul este controlat de modificările temperaturii ΔT și ale tensiunii ΔU și alți parametri. Încărcarea rapidă este utilizată, de exemplu, pentru bateriile Ni-MH care alimentează laptopuri, telefoane mobile și unelte electrice, deși laptopurile și telefoanele mobile folosesc acum în mare parte baterii litiu-ion și polimer de litiu. Se recomandă, de asemenea, o metodă de încărcare în trei etape: prima etapă de încărcare rapidă (1C și mai sus), o încărcare la o viteză de 0,1C timp de 0,5-1 oră pentru reîncărcarea finală și o încărcare la o viteză de 0,05-0,02 C ca reîncărcare compensatorie. Informațiile despre metodele de încărcare pentru bateriile Ni-MH sunt de obicei conținute în instrucțiunile producătorului, iar curentul de încărcare recomandat este indicat pe carcasa bateriei. Tensiunea de încărcare Uz la Iz = 0,3-1C se află în intervalul 1,4-1,5V. Datorită eliberării de oxigen pe electrodul pozitiv, cantitatea de energie electrică transferată în timpul încărcării (Q3) este mai mare decât capacitatea de descărcare (Cp). În același timp, randamentul capacității (100 Sr/Qz) este de 75-80%, respectiv 85-90%, pentru bateriile cu disc și cilindrice Ni-MH.

Control de încărcare și descărcare

Pentru a preveni supraîncărcarea bateriilor Ni-MH, următoarele metode de control al încărcării pot fi utilizate cu senzori corespunzători instalați în baterii sau încărcătoare:

metoda de terminare a încărcării bazată pe temperatura absolută Tmax. Temperatura bateriei este monitorizată constant în timpul procesului de încărcare, iar când se atinge valoarea maximă, încărcarea rapidă este întreruptă;
metoda de terminare a încărcării bazată pe rata de schimbare a temperaturii ΔT/Δt. Cu această metodă, panta curbei temperaturii bateriei este monitorizată constant în timpul procesului de încărcare, iar atunci când acest parametru crește peste o anumită valoare setată, încărcarea este întreruptă;
metodă de oprire a încărcăturii folosind o tensiune negativă delta -ΔU. La sfarsitul incarcarii bateriei, in timpul ciclului oxigenului, temperatura acestuia incepe sa creasca, ducand la scaderea tensiunii;
metoda de terminare a încărcării bazată pe timpul maxim de încărcare t;
metoda de terminare a încărcării bazată pe presiunea maximă Pmax. Utilizat în mod obișnuit în bateriile prismatice de dimensiuni și capacitate mari. Nivelul de presiune admisibil într-un acumulator prismatic depinde de proiectarea acestuia și se află în intervalul 0,05-0,8 MPa;
metoda de terminare a incarcarii bazata pe tensiunea maxima Umax. Este folosit pentru a întrerupe încărcarea bateriilor cu rezistență internă ridicată, care apare la sfârșitul duratei de viață din cauza lipsei de electrolit sau la temperaturi scăzute.

Când utilizați metoda Tmax, bateria poate fi supraîncărcată dacă temperatura ambientală scade sau bateria poate fi subîncărcată dacă temperatura ambientală crește semnificativ. Metoda ΔT/Δt poate fi folosită foarte eficient pentru a opri încărcarea la temperaturi ambientale scăzute. Dar dacă la temperaturi mai mari se folosește numai această metodă, bateriile din interiorul pachetelor de baterii vor fi supuse unor temperaturi nedorit de ridicate înainte ca valoarea ΔT/Δt pentru oprire să poată fi atinsă. Pentru o valoare dată a ΔT/Δt, se poate obține o capacitate de intrare mai mare la o temperatură ambientală mai mică decât la o temperatură mai mare. La începutul încărcării bateriei (precum și la sfârșitul unei încărcări), temperatura crește rapid, ceea ce poate duce la oprirea prematură a încărcării atunci când se utilizează metoda ΔT/Δt. Pentru a elimina acest lucru, dezvoltatorii încărcătoarelor folosesc temporizatoare pentru întârzierea inițială a răspunsului senzorului folosind metoda ΔT/Δt. Metoda -ΔU este eficientă în oprirea încărcării la temperaturi ambientale scăzute, mai degrabă decât la temperaturi ridicate. În acest sens, metoda este similară cu metoda ΔT/Δt. Pentru a asigura încetarea încărcării în cazurile în care circumstanțe neprevăzute împiedică întreruperea normală a încărcării, se recomandă, de asemenea, utilizarea unui control cu temporizator care să regleze durata operațiunii de încărcare (metoda t). Astfel, pentru a încărca rapid bateriile cu curenți normalizați de 0,5-1C la temperaturi de 0-50 °C, se recomandă utilizarea simultană a metodelor Tmax (cu o temperatură de oprire de 50-60 °C în funcție de designul bateriilor și baterii), -ΔU (5- 15 mV per baterie), t (de obicei pentru a obține 120% din capacitatea nominală) și Umax (1,6-1,8 V per baterie). În locul metodei -ΔU, se poate folosi metoda ΔT/Δt (1-2 °C/min) cu un temporizator de întârziere inițial (5-10 min). Pentru controlul încărcării, consultați și articolul corespunzător După încărcarea rapidă a bateriei, încărcătoarele prevăd trecerea acestora la reîncărcare cu un curent normalizat de 0,1 C - 0,2 C pentru un anumit timp. Pentru bateriile Ni-MH, încărcarea la tensiune constantă nu este recomandată, deoarece poate apărea „defecțiune termică” a bateriilor. Acest lucru se datorează faptului că la sfârșitul încărcării are loc o creștere a curentului, care este proporțională cu diferența dintre tensiunea de alimentare și tensiunea bateriei, iar tensiunea bateriei la sfârșitul încărcării scade din cauza cresterea temperaturii. La temperaturi scăzute, rata de încărcare trebuie redusă. În caz contrar, oxigenul nu va avea timp să se recombine, ceea ce va duce la o creștere a presiunii în baterie. Pentru funcționarea în astfel de condiții sunt recomandate bateriile Ni-MH cu electrozi foarte poroși.

Avantajele și dezavantajele bateriilor Ni-MH

O creștere semnificativă a parametrilor specifici de energie nu este singurul avantaj al bateriilor Ni-MH față de bateriile Ni-Cd. Refuzul de la cadmiu înseamnă, de asemenea, o tranziție către o producție mai ecologică. Problema reciclării bateriilor uzate este, de asemenea, mai ușor de rezolvat. Aceste avantaje ale bateriilor Ni-MH au determinat o creștere mai rapidă a volumelor lor de producție în rândul tuturor companiilor de baterii de top din lume în comparație cu bateriile Ni-Cd.

Bateriile Ni-MH nu au „efectul de memorie” inerent bateriilor Ni-Cd din cauza formării de nichelat în electrodul negativ de cadmiu. Cu toate acestea, efectele asociate cu reîncărcarea electrodului de oxid de nichel rămân. Scăderea tensiunii de descărcare observată la reîncărcări frecvente și lungi, la fel ca la bateriile Ni-Cd, poate fi eliminată efectuând periodic mai multe descărcări de până la 1V - 0,9V. Este suficient să efectuați astfel de evacuări o dată pe lună. Cu toate acestea, bateriile nichel-hidrură metalică sunt inferioare bateriilor nichel-cadmiu, pe care sunt destinate să le înlocuiască, în unele caracteristici de performanță:

Bateriile Ni-MH funcționează eficient într-o gamă mai restrânsă de curenți de funcționare, ceea ce este asociat cu desorbția limitată a hidrogenului din electrodul de hidrură metalică la rate foarte mari de descărcare;
Bateriile Ni-MH au o gamă de temperatură de funcționare mai restrânsă: majoritatea sunt inoperabile la temperaturi sub -10 °C și peste +40 °C, deși în unele serii de baterii, ajustările la rețete au extins limitele de temperatură;
În timpul încărcării bateriilor Ni-MH, se generează mai multă căldură decât la încărcarea bateriilor Ni-Cd, prin urmare, pentru a preveni supraîncălzirea bateriilor de la bateriile Ni-MH în timpul încărcării rapide și/sau supraîncărcării semnificative, siguranțele termice sau releele termice sunt instalate în ele, care sunt situate pe peretele uneia dintre baterii din partea centrală a bateriei (acest lucru se aplică ansamblurilor de baterii industriale);
Bateriile Ni-MH au auto-descărcare crescută, care este determinată de reacția inevitabilă a hidrogenului dizolvat în electrolit cu electrodul pozitiv de oxid de nichel (dar, datorită utilizării aliajelor speciale ale electrodului negativ, a fost posibilă reducerea rata de autodescărcare la valori apropiate de cele pentru bateriile Ni-Cd);
pericolul de supraîncălzire la încărcarea uneia dintre bateriile Ni-MH, precum și inversarea bateriei cu o capacitate mai mică atunci când bateria este descărcată, crește odată cu nepotrivirea parametrilor bateriei ca urmare a ciclării prelungite, prin urmare, crearea de baterii de la mai mult de 10 baterii nu este recomandat de toți producătorii;
pierderea capacității electrodului negativ care apare într-o baterie Ni-MH atunci când este descărcată sub 0 V este ireversibilă, ceea ce impune cerințe mai stricte pentru selectarea bateriilor din baterie și controlul procesului de descărcare decât în cazul utilizării. Bateriile Ni-Cd, de regulă, se recomandă descărcarea la 1 V/ac în bateriile de joasă tensiune și până la 1,1 V/ac într-o baterie de 7-10 baterii.

După cum sa menționat mai devreme, degradarea bateriilor Ni-MH este determinată în primul rând de o scădere a capacității de sorbție a electrodului negativ în timpul ciclării. În timpul ciclului de încărcare-descărcare, volumul rețelei cristaline de aliaj se modifică, ceea ce duce la formarea de fisuri și coroziune ulterioară în timpul reacției cu electrolitul. Formarea produselor de coroziune are loc odată cu absorbția oxigenului și a hidrogenului, în urma cărora cantitatea totală de electrolit scade și crește rezistența internă a bateriei. Trebuie remarcat faptul că caracteristicile bateriilor Ni-MH depind în mod semnificativ de aliajul electrodului negativ și de tehnologia de procesare a aliajului pentru a crește stabilitatea compoziției și structurii acestuia. Acest lucru obligă producătorii de baterii să selecteze cu atenție furnizorii de aliaje, iar consumatorii de baterii să aleagă cu atenție compania producătoare.

Pe baza materialelor de pe site-urile powerinfo.ru, „Chip and Dip”

Cercetările privind bateriile nichel-hidrură metalică au început în anii 1970 ca o îmbunătățire a bateriilor nichel-hidrogen, deoarece greutatea și volumul bateriilor nichel-hidrogen nu erau satisfăcătoare pentru producători (hidrogenul din aceste baterii era sub presiune ridicată, necesitând un oțel durabil și greu). caz). Utilizarea hidrogenului sub formă de hidruri metalice a făcut posibilă reducerea greutății și volumului bateriilor, iar riscul de explozie a bateriilor la supraîncălzire a scăzut și el.

Din anii 1980, tehnologia bateriilor NiMH s-a îmbunătățit semnificativ, iar utilizarea comercială a început într-o varietate de aplicații. Succesul bateriilor NiNH a fost facilitat de capacitatea crescută (40% față de NiCd), utilizarea de materiale reciclabile („prietenoase” cu mediul natural), precum și o durată de viață foarte lungă, depășind adesea pe cea a bateriilor NiCd.

Avantajele și dezavantajele bateriilor NiMH

Avantaje

・ capacitate mai mare - 40% sau mai mult decât bateriile convenționale NiCd
・ efect de „memorie” mult mai puțin pronunțat în comparație cu bateriile cu nichel-cadmiu - ciclurile de întreținere a bateriilor pot fi efectuate de 2-3 ori mai rar
・ posibilitate simplă de transport - transportul companiilor aeriene fără nicio condiție prealabilă
・ ecologic - poate fi reciclat

Defecte

・ Durată de viață limitată a bateriei - de obicei aproximativ 500-700 de cicluri complete de încărcare/descărcare (deși pot exista diferențe semnificative în funcție de modurile de operare și dispozitivul intern).
・ efect de memorie - bateriile NiMH necesită antrenament periodic (ciclu de descărcare/încărcare completă a bateriei)
・ Durata de valabilitate relativ scurtă a bateriilor - de obicei nu mai mult de 3 ani atunci când sunt depozitate într-o stare descărcată, după care se pierd principalele caracteristici. Depozitarea în condiții răcoroase cu o încărcare parțială de 40-60% încetinește procesul de îmbătrânire a bateriilor.
・Autodescărcare baterie mare
・Capacitate de putere limitată - atunci când sarcinile admise sunt depășite, durata de viață a bateriei este redusă.
・ Este necesar un încărcător special cu un algoritm de încărcare în etape, deoarece încărcarea generează o cantitate mare de căldură și bateriile nichel-hidrură metalică sunt ușor de supraîncărcat.
・ Toleranță slabă la temperaturi ridicate (peste 25-30 Celsius)

Construcția de baterii și baterii NiMH

Bateriile moderne nichel-hidrură metalică au un design intern similar cu cel al bateriilor nichel-cadmiu. Electrodul pozitiv de oxid de nichel, electrolitul alcalin și presiunea de proiectare a hidrogenului sunt aceleași în ambele sisteme de baterii. Doar electrozii negativi sunt diferiți: bateriile nichel-cadmiu au un electrod de cadmiu, iar bateriile nichel-hidrură metalică au un electrod bazat pe un aliaj de metale care absorb hidrogenul.

Bateriile moderne nichel-hidrură metalică folosesc compoziții de aliaje care absorb hidrogen, cum ar fi AB2 și AB5. Alte aliaje AB sau A2B nu sunt utilizate pe scară largă. Ce înseamnă literele misterioase A și B din compoziția aliajului? – Simbolul A reprezintă un metal (sau un amestec de metale) care eliberează căldură atunci când formează hidruri. În consecință, simbolul B indică un metal care reacționează endotermic cu hidrogenul.

Pentru electrozii negativi de tip AB5 se folosește un amestec de elemente de pământuri rare din grupa lantanului (componenta A) și nichel cu amestecuri de alte metale (cobalt, aluminiu, mangan) - componenta B. Pentru electrozii de tip AB2, titan și nichel cu amestecuri de zirconiu, vanadiu, fier, mangan se folosesc, crom.

Bateriile nichel-hidrură metalică cu electrozi de tip AB5 sunt mai răspândite datorită caracteristicilor de ciclare mai bune, în ciuda faptului că bateriile cu electrozi de tip AB2 sunt mai ieftine, au o capacitate mai mare și o performanță de putere mai bună.

În timpul procesului de ciclizare, volumul electrodului negativ fluctuează până la 15-25% din original datorită absorbției/eliberării hidrogenului. Ca urmare a fluctuațiilor de volum, în materialul electrodului apar un număr mare de microfisuri. Acest fenomen explică de ce o nouă baterie nichel-hidrură metalică necesită mai multe cicluri de încărcare/descărcare „de antrenament” pentru a aduce puterea și capacitatea bateriei la valoarea nominală. De asemenea, formarea de microfisuri are o latură negativă - suprafața electrodului crește, care este supusă coroziunii cu consumul de electrolit, ceea ce duce la o creștere treptată a rezistenței interne a elementului și o scădere a capacității. . Pentru a reduce viteza proceselor de coroziune, se recomandă depozitarea bateriilor nichel-hidrură metalică în stare încărcată.

Electrodul negativ are o capacitate în exces față de cel pozitiv atât în supraîncărcare, cât și în supradescărcare pentru a asigura un nivel acceptabil de degajare de hidrogen. Datorită coroziunii aliajului, capacitatea de reîncărcare a electrodului negativ scade treptat. De îndată ce capacitatea de reîncărcare în exces este epuizată, o cantitate mare de hidrogen va începe să fie eliberată pe electrodul negativ la sfârșitul încărcării, ceea ce va duce la eliberarea de hidrogen în exces prin supapele celulei, „fierbe- oprit” a electrolitului și defectarea bateriei. Prin urmare, pentru a încărca bateriile nichel-hidrură metalică, aveți nevoie de un încărcător special care ține cont de comportamentul specific al bateriei pentru a evita pericolul de autodistrugere a celulei bateriei. Când reasamblați acumulatorul, asigurați-vă că celulele sunt bine ventilate și că nu fumați în apropierea bateriei de mare capacitate nichel-hidrură metalică care se încarcă.

În timp, ca urmare a ciclării, autodescărcarea bateriei crește datorită apariției unor pori mari în materialul separator și formării unei conexiuni electrice între plăcile electrozilor. Această problemă poate fi rezolvată temporar prin descărcarea profundă a bateriei de mai multe ori, urmată de o încărcare completă.

La încărcarea bateriilor nichel-hidrură metalică se generează o cantitate destul de mare de căldură, mai ales la sfârșitul încărcării, care este unul dintre semnele că încărcarea trebuie finalizată. La asamblarea mai multor celule de baterie într-o baterie, este necesar un sistem de monitorizare a bateriei (BMS), precum și prezența unor jumperi de conectare conductoare cu deschidere termică între o parte a celulelor bateriei. De asemenea, este recomandabil să conectați bateriile în baterie prin sudură prin puncte, mai degrabă decât prin lipire.

Descărcarea bateriilor nichel-hidrură metalică la temperaturi scăzute este limitată de faptul că această reacție este endotermă și se formează apă pe electrodul negativ, diluând electrolitul, ceea ce duce la o probabilitate mare de înghețare a electrolitului. Prin urmare, cu cât temperatura mediului ambiant este mai scăzută, cu atât puterea de ieșire și capacitatea bateriei sunt mai mici. Dimpotrivă, la temperaturi ridicate în timpul procesului de descărcare, capacitatea de descărcare a unei baterii nichel-hidrură metalică va fi maximă.

Cunoașterea designului și a principiilor de funcționare vă va permite să înțelegeți mai bine procesul de funcționare a bateriilor nichel-hidrură metalică. Sper că informațiile culese din acest articol vor ajuta la prelungirea duratei de viață a bateriei dvs. și la evitarea posibilelor consecințe periculoase din cauza neînțelegerii principiilor de utilizare în siguranță a bateriilor nichel-hidrură metalică.

Caracteristicile de descărcare ale bateriilor NiMH la diferite
curenți de descărcare la o temperatură ambiantă de 20 °C

imagine preluată de pe www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781

Baterie Duracell cu hidrură metalică de nichel

imagine preluată de pe www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm

P.P.S.
Schema unei direcții promițătoare pentru crearea bateriilor bipolare

circuit preluat de la baterii bipolare plumb-acid

Tabel comparativ cu parametrii diferitelor tipuri de baterii

	NiCd	NiMH	Acid de plumb	Li-ion	polimer Li-ion	Reutilizabil Alcalin
Densitatea energiei (W*oră/kg)	45-80	60-120	30-50	110-160	100-130	80 (inițial)
Rezistență internă (inclusiv circuite interne), mOhm	100-200 la 6V	200-300 la 6V	<100 la 12V	150-250 la 7,2V	200-300 la 7,2V	200-2000 la 6V
Numărul de cicluri de încărcare/descărcare (atunci când este redus la 80% din capacitatea inițială)	1500	300-500	200-300	500-1000	300-500	50 (pana la 50%)
Timp de încărcare rapid	1 oră tipic	2-4 ore	8-16 ore	2-4 ore	2-4 ore	2-3 ore
Rezistență la supraîncărcare	in medie	scăzut	înalt	foarte jos	scăzut	in medie
Autodescărcare/lună (la temperatura camerei)	20%	30%	5%	10%	~10%	0.3%
Tensiunea celulei (nominală)	1,25 V	1,25 V	2B	3,6 V	3,6 V	1,5 V
Curent de sarcină - vârf - optim	20C 1C	5C 0,5C și mai jos	5C 0,2C	>2C 1C și mai jos	>2C 1C și mai jos	0,5C 0,2C și mai jos
Temperatura de funcționare (doar descărcare)	-40 la 60°C	-20 la 60°C	-20 la 60°C	-20 la 60°C	0 la 60°C	0 la 65°C
Cerințe de întreținere	După 30 – 60 de zile	După 60 – 90 de zile	După 3 – 6 luni	Nu este necesar	Nu este necesar	Nu este necesar
Pret standard ($ SUA, doar pentru comparație)	$50 (7,2 V)	$60 (7,2 V)	$25 (6V)	$100 (7,2 V)	$100 (7,2 V)	$5 (9V)
Preț pe ciclu (USD)	$0.04	$0.12	$0.10	$0.14	$0.29	$0.10-0.50
Începutul utilizării comerciale	1950	1990	1970	1991	1999	1992

masa luata din

Domeniul de aplicare al bateriilor electrice este destul de larg. Bateriile mici sunt folosite în aparatele electrocasnice obișnuite, bateriile puțin mai mari sunt folosite în mașini, iar bateriile foarte mari și de mare capacitate sunt instalate în stațiile industriale aglomerate. S-ar părea că, pe lângă scopul utilizatorului, diferite tipuri de baterii pot avea ceva în comun? Cu toate acestea, de fapt, aceste baterii au asemănări mai mult decât suficiente. Poate una dintre principalele asemănări posibile dintre baterii este principiul organizării funcționării acestora. În materialul de astăzi, resursa noastră a decis să ia în considerare exact una dintre acestea. Pentru a fi mai precis, mai jos vom vorbi despre regulile de funcționare și funcționare ale bateriilor nichel-hidrură metalică.

Istoria apariției bateriilor nichel-hidrură metalică

Crearea bateriilor nichel-hidrură metalică a început să trezească un interes considerabil în rândul reprezentanților ingineriei în urmă cu mai bine de 60 de ani, adică în anii 50 ai secolului XX. Oamenii de știință specializați în studiul proprietăților fizice și chimice ale bateriilor s-au gândit serios la cum să depășească deficiențele bateriilor cu nichel-cadmiu, populare la acea vreme. Poate că unul dintre obiectivele principale ale oamenilor de știință a fost crearea unei baterii care ar putea accelera și simplifica procesul tuturor reacțiilor asociate cu transferul electrolitic de hidrogen.

Drept urmare, abia la sfârșitul anilor 70 specialiștii au reușit să proiecteze mai întâi, apoi să creeze și să testeze complet baterii de nichel-hidrură metalică mai mult sau mai puțin de înaltă calitate. Principala diferență dintre noul tip de baterie și predecesorii săi a fost că avea locuri strict definite pentru acumularea majorității hidrogenului. Mai exact, acumularea substanței s-a produs în aliajele mai multor metale situate pe electrozii bateriei. Compoziția aliajelor avea o astfel de structură încât unul sau mai multe metale acumulau hidrogen (uneori de câteva mii de ori volumul lor), iar alte metale au acționat ca catalizatori pentru reacțiile electrolitice, asigurând tranziția substanței hidrogen în rețeaua metalică a electrozilor.

Bateria rezultată, care are un anod de hidrură metalică de hidrogen și un catod de nichel, a primit abrevierea „Ni-MH” (de la numele de substanțe conductoare, de stocare). Astfel de baterii funcționează pe electrolit alcalin și oferă un ciclu excelent de încărcare-descărcare - până la 2.000 de mii pentru o baterie plină. În ciuda acestui fapt, drumul către proiectarea bateriilor Ni-MH nu a fost ușor, iar mostrele existente în prezent sunt încă în curs de modernizare. Principalul vector al modernizării vizează creșterea densității energetice a bateriilor.

Rețineți că astăzi bateriile nichel-hidrură metalică sunt produse în mare parte pe baza aliajului metalic LaNi5. Primul exemplu de astfel de baterii a fost brevetat în 1975 și a început să fie utilizat activ în industria largă. Bateriile moderne nichel-hidrură metalică au o densitate mare de energie și sunt fabricate din materii prime complet netoxice, ceea ce le face ușor de eliminat. Poate tocmai datorită acestor avantaje au devenit foarte populare în multe zone în care este necesară stocarea pe termen lung a sarcinii electrice.

Proiectarea și principiul de funcționare a unei baterii nichel-hidrură metalică

Bateriile nichel-hidrură metalică de toate dimensiunile, capacitățile și scopurile sunt produse în două tipuri principale de forme - prismatice și cilindrice. Indiferent de formă, astfel de baterii constau din următoarele elemente obligatorii:

hidrură metalică și electrozi de nichel (catozi și anozi), formând un element galvanic al unei structuri de rețea, care este responsabil pentru mișcarea și acumularea sarcinii electrice;
zone de separare care separă electrozii și, de asemenea, participă la procesul de reacții electrolitice;
contactele de ieșire care eliberează sarcina acumulată în mediul extern;
un capac cu o supapă încorporată, necesar pentru a elibera excesul de presiune din cavitățile acumulatorului (presiune peste 2-4 megapascali);
o carcasă rezistentă la căldură și care adăpostește elementele bateriei descrise mai sus.

Designul bateriilor nichel-hidrură metalică, ca multe alte tipuri de acest dispozitiv, este destul de simplu și nu prezintă dificultăți deosebite în considerare. Acest lucru este arătat clar în următoarele diagrame de proiectare a bateriei:

Principiile de funcționare ale bateriilor luate în considerare, spre deosebire de schema lor generală de design, par puțin mai complicate. Pentru a le înțelege esența, să acordăm atenție funcționării pas cu pas a bateriilor nichel-hidrură metalică. Într-o versiune tipică, etapele de funcționare ale acestor baterii sunt următoarele:

Electrodul pozitiv, anodul, realizează o reacție oxidativă cu absorbția hidrogenului;
Electrodul negativ, catodul, implementează reacția de reducere în dezsorbția hidrogenului.

În termeni simpli, o grilă de electrozi organizează mișcarea ordonată a particulelor (electrozi și ioni) prin reacții chimice specifice. În acest caz, electrolitul nu participă direct la reacția principală de generare a energiei electrice, ci este activat numai în anumite circumstanțe ale funcționării bateriilor Ni-MH (de exemplu, în timpul reîncărcării, implementarea reacției de circulație a oxigenului). Nu vom lua în considerare mai detaliat principiile de funcționare a bateriilor nichel-hidrură metalică, deoarece acest lucru necesită cunoștințe chimice speciale, pe care mulți cititori ai resursei noastre nu le au. Dacă doriți să aflați mai detaliat despre principiile funcționării bateriilor, ar trebui să apelați la literatura tehnică, care acoperă cât mai detaliat cursul fiecărei reacții la capetele electrozilor, atât la încărcarea, cât și la descărcarea bateriilor.

Caracteristicile unei baterii standard Ni-MH pot fi văzute în următorul tabel (coloana din mijloc):

Reguli de funcționare

Orice baterie este un dispozitiv relativ nepretențios de întreținut și utilizat. În ciuda acestui fapt, costul său este adesea mare, astfel încât fiecare proprietar al unei anumite baterii este interesat să-și mărească durata de viață. În ceea ce privește bateriile din formația „Ni-MH”, extinderea perioadei de funcționare nu este atât de dificilă. Pentru aceasta este suficient:

În primul rând, urmați regulile de încărcare a bateriei;
În al doilea rând, folosiți-l corect și păstrați-l atunci când nu îl utilizați.

Vom vorbi despre primul aspect al întreținerii bateriilor puțin mai târziu, dar acum să ne îndreptăm atenția către lista principală de reguli pentru operarea bateriilor nichel-hidrură metalică. O listă șablon a acestor reguli este următoarea:

Bateriile nichel-hidrură metalică trebuie depozitate numai în stare încărcată la un nivel de 30-50%;
Este strict interzisa supraincalzirea bateriilor Ni-MH, deoarece in comparatie cu aceleasi baterii nichel-cadmiu, cele pe care le luam in considerare sunt mult mai sensibile la caldura. Supraîncărcarea de lucru afectează negativ toate procesele care au loc în cavitățile și ieșirile bateriei. Ieșirea curentă suferă în special;
Nu reîncărcați niciodată bateriile nichel-hidrură metalică. Respectați întotdeauna regulile de încărcare descrise în acest articol sau reflectate în documentația tehnică a bateriei;
În timpul utilizării reduse sau depozitării pe termen lung, „antrenați” bateria. Adesea este suficient un ciclu de încărcare-descărcare efectuat periodic (de aproximativ 3-6 ori). De asemenea, este recomandabil să supuși bateriile Ni-MH noi unui „antrenament” similar;
Bateriile nichel-hidrură metalică trebuie păstrate la temperatura camerei. Temperatura optimă este de 15-23 de grade Celsius;
Încercați să nu descărcați bateria la limita minimă - o tensiune mai mică de 0,9 volți pentru fiecare pereche catod-anod. Bateriile nichel-hidrură metalică, desigur, pot fi restaurate, dar este indicat să nu le aduceți într-o stare „moartă” (vom vorbi și despre cum să restaurați o baterie mai jos);
Monitorizați calitatea designului bateriei. Nu sunt permise defecte grave, lipsa electrolitului și altele asemenea. Frecvența recomandată de verificare a bateriei este de 2-4 săptămâni;
În cazul utilizării de baterii mari, staționare, este, de asemenea, important să respectați următoarele reguli:
- reparația lor curentă (cel puțin o dată pe an):
- restaurarea capitalului (cel puțin o dată la 3 ani);
- fixare fiabilă a bateriei la locul de utilizare;
- disponibilitatea iluminatului;
- utilizarea încărcătoarelor corecte;
- și respectarea măsurilor de siguranță pentru utilizarea unor astfel de baterii.

Este important să respectați regulile descrise nu numai pentru că o astfel de abordare a funcționării bateriilor nichel-hidrură metalică le va prelungi semnificativ durata de viață. De asemenea, garantează utilizarea în siguranță și în general fără probleme a bateriei.

Reguli de încărcare

S-a remarcat anterior că regulile de funcționare nu sunt singurul lucru care este necesar pentru a obține durata de viață maximă a bateriilor nichel-hidrură metalică. Pe lângă utilizarea corectă, este extrem de important să încărcați corect astfel de baterii. În general, este destul de dificil să răspunzi la întrebarea „Cum se încarcă corect o baterie Ni-MH?” Cert este că fiecare tip de aliaj folosit pe electrozii bateriei necesită anumite reguli pentru acest proces.

Rezumând și făcând o medie a acestora, putem evidenția următoarele principii fundamentale ale încărcării bateriilor nichel-hidrură metalică:

În primul rând, trebuie respectat timpul corect de încărcare. Pentru majoritatea bateriilor Ni-MH, este fie 15 ore la un curent de încărcare de aproximativ 0,1 C, fie 1-5 ore la un curent de încărcare de 0,1-1 C pentru bateriile cu electrozi foarte activi. Excepție fac bateriile reîncărcabile, care pot dura mai mult de 30 de ore pentru a se încărca;
În al doilea rând, este important să monitorizați temperatura bateriei în timpul încărcării. Mulți producători nu recomandă depășirea unei temperaturi maxime de 50-60 de grade Celsius;
Și în al treilea rând, trebuie luată în considerare procedura de încărcare. Această abordare este considerată optimă atunci când bateria este descărcată cu un curent nominal la o tensiune de ieșire de 0,9-1 Volți, după care este încărcată la 75-80% din capacitatea sa maximă. Este important să țineți cont de faptul că la încărcarea rapidă (curentul furnizat este mai mare de 0,1), este important să organizați preîncărcarea cu un curent mare furnizat bateriei timp de aproximativ 8-10 minute. După aceasta, procesul de încărcare ar trebui organizat cu o creștere lină a tensiunii furnizate bateriei la 1,6-1,8 volți. Apropo, în timpul reîncărcării normale a unei baterii nichel-hidrură metalică, tensiunea adesea nu se schimbă și este în mod normal de 0,3-1 volți.

Notă! Regulile de încărcare a bateriilor menționate mai sus sunt de natură medie. Nu uitați că pentru o anumită marcă de baterie nichel-hidrură metalică acestea pot diferi ușor.

Recuperarea bateriei

Pe lângă costul ridicat și autodescărcarea rapidă, bateriile Ni-MH au un alt dezavantaj - un „efect de memorie” pronunțat. Esența sa constă în faptul că, atunci când încarcă sistematic o baterie nu complet descărcată, pare să-și amintească acest lucru și, în timp, își pierde semnificativ capacitatea. Pentru a neutraliza astfel de riscuri, proprietarii unor astfel de baterii trebuie să încarce bateriile descărcate maxim, precum și să le „antreneze” periodic prin procesul de recuperare.

Este necesară refacerea bateriilor nichel-hidrură metalică în timpul „antrenamentului” sau atunci când sunt descărcate sever, după cum urmează:

În primul rând, trebuie să vă pregătiți. Pentru restaurare veți avea nevoie de:
- încărcător de înaltă calitate și, de preferință, inteligent;
- instrumente pentru măsurarea tensiunii și a curentului;
- orice dispozitiv capabil să consume energie dintr-o baterie.
După pregătire, vă puteți întreba deja cum să restabiliți bateria. Mai întâi, trebuie să încărcați bateria conform tuturor regulilor și apoi să o descărcați în funcție de tensiunea de la ieșirile bateriei de 0,8-1 volți;
Apoi începe restaurarea în sine, care, din nou, trebuie efectuată în conformitate cu toate regulile de încărcare a bateriilor nichel-hidrură metalică. Procesul standard de recuperare poate fi efectuat în două moduri:
- Primul este dacă bateria prezintă semne de „viață” (de obicei când este descărcată la un nivel de 0,8-1 volți). Încărcarea are loc cu o creștere constantă a tensiunii de alimentare de la 0,3 la 1 Volt cu un curent de 0,1 C timp de 30-60 de minute, după care tensiunea rămâne neschimbată și curentul crește la 0,3-0,5 C;
- Al doilea este dacă bateria nu prezintă semne de „viață” (cu o descărcare mai mică de 0,8 volți). În acest caz, încărcarea se realizează cu o preîncărcare de 10 minute cu curent mare timp de 10-15 minute. După aceasta, se efectuează pașii descriși mai sus.

Merită să înțelegem că restaurarea bateriilor nichel-hidrură metalică este o procedură care trebuie efectuată periodic pentru absolut toate bateriile (atât „vii”, cât și „nevii”). Doar această abordare a utilizării acestui tip de baterie vă va ajuta să profitați la maximum de ele.

Poate că aici se poate încheia povestea despre subiectul de astăzi. Sperăm că materialul prezentat mai sus v-a fost util și a oferit răspunsuri la întrebările dumneavoastră.

Dacă aveți întrebări, lăsați-le în comentariile de sub articol. Noi sau vizitatorii noștri vom fi bucuroși să le răspundem

Totul a început cu faptul că aparatul meu de îndreptare și fotografiere a refuzat categoric să funcționeze cu baterii proaspăt scoase din încărcător - patru baterii NiMH de dimensiune AA. Luați-le ca de obicei și aruncați-le. Dar din anumite motive, de data aceasta curiozitatea a prevalat asupra bunului simț (sau poate că broasca a fost cea care a vorbit) și am vrut să înțeleg dacă este posibil să stoarce măcar altceva din aceste baterii. Camera este foarte avidă de energie, dar există și consumatori mai modesti - mouse-uri sau tastaturi wireless, de exemplu.

De fapt, există doi parametri care sunt interesanți pentru consumator - capacitatea bateriei și rezistența sa internă. Există, de asemenea, puține manipulări posibile - descărcare și încărcare. Măsurând curentul și timpul în timpul procesului de descărcare, puteți estima capacitatea bateriei. Prin diferența de tensiune a bateriei la ralanti și sub sarcină, puteți estima rezistența internă. Repetând ciclul de descărcare-încărcare (adică, efectuând „antrenamentul”) de mai multe ori, puteți înțelege dacă această acțiune are sens deloc.

În consecință, s-a format următorul plan - facem un eclator controlat și un încărcător cu capacitatea de a măsura continuu parametrii procesului, de a efectua operații aritmetice simple pe valorile măsurate și de a repeta procesul de numărul necesar de ori. Comparăm, tragem concluzii și în final aruncăm bateriile.

Stand de măsurare

O colecție completă de biciclete. Este format dintr-o parte analogică (în diagrama de mai jos) și un microcontroler. În cazul meu, partea intelectuală a fost Arduino, deși acest lucru nu este deloc important - atâta timp cât există setul necesar de intrări/ieșiri.

Standul a fost realizat din ceea ce a fost găsit pe o rază de trei metri. Dacă cineva dorește să o repete, nu este deloc necesar să urmezi întocmai diagrama. Alegerea parametrilor elementului poate fi destul de largă, voi comenta acest lucru puțin mai târziu.

Unitatea de descărcare este un stabilizator de curent controlat bazat pe amplificatorul operațional IC1B (LM324N) și tranzistorul cu efect de câmp Q1. Aproape orice tranzistor, atâta timp cât există suficiente tensiuni permise, curenți și putere disipată. Și toți sunt mici aici. Rezistor de feedback și, în același timp, o parte din sarcină (împreună cu Q1 și R20) pentru baterie - R1. Valoarea sa maximă trebuie să fie astfel încât să asigure curentul maxim de descărcare necesar. Dacă presupunem că bateria poate fi descărcată la 1 V, atunci pentru a asigura un curent de descărcare de, de exemplu, 500 mA, rezistența R1 nu trebuie să fie mai mare de 2 ohmi. Stabilizatorul este controlat de un DAC rezistiv pe trei biți (R12-R17). Aici calculul este după cum urmează - tensiunea de la intrarea directă a amplificatorului operațional este egală cu tensiunea de la R1 (care este proporțională cu curentul de descărcare). Schimbăm tensiunea la intrarea directă - curentul de descărcare se modifică. Pentru a scala ieșirea DAC la intervalul dorit, există un rezistor de reglare R3. Este mai bine dacă este multi-turn. Valorile R12-R17 pot fi oricare (în regiunea de zeci de kilo-ohmi), principalul lucru este că raportul valorilor lor este 1/2. Nu este necesară o precizie specială de la DAC, deoarece curentul de descărcare (tensiunea pe R1) este măsurat direct de amplificatorul de instrumentare IC1D în timpul procesului. Câștigul său este K=R11/R10=R9/R8. Ieșirea este alimentată la microcontrolerul ADC (A1). Prin modificarea valorilor lui R8-R11, câștigul poate fi ajustat la valoarea dorită. Tensiunea de pe baterie este măsurată de al doilea amplificator IC1C, K=R5/R4=R7/R6. De ce controlați curentul de descărcare? Ideea aici este în esență aceasta. Dacă vă descărcați cu un curent ridicat constant, atunci datorită rezistenței interne ridicate a bateriilor uzate, tensiunea minimă admisă de 1 V (și nu există un alt punct de referință pentru oprirea descărcării) va fi atinsă înainte ca bateria să se descarce efectiv. . Dacă descărcați cu un curent scăzut constant, procesul va dura prea mult. Prin urmare, descărcarea se realizează în etape. Opt pași mi s-au părut suficienți. Dacă vânătoarea este mai mult/mai puțin, atunci puteți modifica adâncimea de biți a DAC-ului. În plus, pornind și oprind sarcina, puteți estima rezistența internă a bateriei. Cred că algoritmul de funcționare a controlerului în timpul descărcării nu necesită explicații suplimentare. La sfârșitul procesului, Q1 este blocat, bateria este complet deconectată de la sarcină, iar controlerul pornește unitatea de încărcare.

Bloc de încărcare. De asemenea, un stabilizator de curent, doar necontrolat, dar comutabil. Curentul este setat de sursa de tensiune de referință pe IC2 (2,5 V, precizie 1% conform fișei tehnice) și rezistența R21. În cazul meu, curentul de încărcare a fost clasic - 1/10 din capacitatea nominală a bateriei. Rezistor de feedback - R20. Puteți utiliza orice altă sursă de tensiune de referință - în funcție de gustul dumneavoastră și de disponibilitatea pieselor. Tranzistorul Q2 funcționează într-un mod mai rigid decât Q1. Datorită diferenței vizibile dintre tensiunea Vcc și a bateriei, puterea semnificativă este disipată prin aceasta. Acesta este prețul de plătit pentru simplitatea circuitului. Dar radiatorul salvează situația. Tranzistorul Q3 servește la oprirea forțată a Q2, adică la oprirea unității de încărcare. Controlat de semnalul 12 al microcontrolerului. O altă sursă de tensiune de referință (IC3) este necesară pentru ca ADC-ul controlerului să funcționeze. Precizia de măsurare a standului nostru depinde de parametrii acestuia. LED1 - pentru a indica starea procesului. În cazul meu, nu se aprinde în timpul procesului de descărcare, se aprinde la încărcare și clipește când ciclul este încheiat.
Tensiunea de alimentare este selectată pentru a se asigura că tranzistoarele se deschid și funcționează în intervalele necesare. În acest caz, pentru ambele tranzistoare, tensiunea de deblocare a porții este destul de mare - aproximativ 2-4 V. În plus, Q2 este „susținut” de tensiunea bateriei și R20, astfel încât tensiunea de deblocare a porții începe de la aproximativ 3,5-5,5 V. La rândul său, LM323 nu poate ridica tensiunea de ieșire peste Vcc minus 1,5 V. Prin urmare, Vcc trebuie să fie destul de mare și în cazul meu este de 9 V.

Algoritmul de control al încărcării s-a bazat pe versiunea clasică de monitorizare în momentul în care tensiunea de pe baterie începe să scadă. Cu toate acestea, în realitate totul s-a dovedit a nu fi în întregime adevărat, dar mai multe despre asta mai târziu.
Toate valorile măsurate în timpul procesului de „cercetare” au fost scrise într-un fișier, apoi au fost făcute calcule și au fost desenate grafice.

Cred că totul este clar cu suportul de măsurare, așa că să trecem la rezultate.

Rezultatele măsurătorilor

Deci, avem baterii încărcate (dar nefuncționale), pe care le descarcăm și le măsurăm capacitatea stocată, și în același timp și rezistența internă. Arata cam asa.

Grafice pe axe: timp, ore (X) și putere, W (Y) pentru cele mai bune și mai proaste baterii. Se poate observa că energia stocată (zona de sub grafice) este semnificativ diferită. În termeni numerici, capacitățile măsurate ale bateriei au fost de 1196, 739, 1237 și 1007 mAh. Nu foarte mult, avand in vedere ca capacitatea nominala (care este indicata pe carcasa) este de 2700 mAh. Și răspândirea este destul de mare. Dar rezistența internă? A fost 0,39, 0,43, 0,32 și, respectiv, 0,64 Ohm. Teribil. Este clar de ce vasul de săpun a refuzat să funcționeze - bateriile pur și simplu nu sunt capabile să furnizeze un curent mare. Ei bine, să începem antrenamentele.

Ciclul unu. Din nou puterea de ieșire a celei mai bune și mai proaste baterii.

Progresul este vizibil cu ochiul liber! Numerele confirmă acest lucru: 1715, 1444, 1762 și 1634 mAh. Rezistența internă s-a îmbunătățit și ea, dar foarte neuniform - 0,23, 0,40, 0,1, 0,43 Ohm. S-ar părea că există o șansă. Dar, din păcate, alte cicluri de descărcare/încărcare nu au dat nimic. Valorile capacității, precum și rezistența internă, au variat de la ciclu la ciclu în aproximativ 10%. Care se află undeva aproape de limitele preciziei măsurătorii. Acestea. Antrenamentul lung, cel puțin pentru bateriile mele, nu a făcut nimic. Dar a devenit clar că bateriile își păstrează mai mult de jumătate din capacitatea lor și vor funcționa în continuare la curent scăzut. Măcar niște economii la fermă.

Acum vreau să mă opresc puțin asupra procesului de încărcare. Poate că observațiile mele vor fi utile cuiva care intenționează să proiecteze un încărcător inteligent.
Iată un grafic tipic de încărcare (în stânga este scala de tensiune a bateriei în volți).

După începerea încărcării, se observă o scădere de tensiune. În diferite cicluri poate fi mai mare sau mai mică în profunzime, cu durată ușor diferită și uneori absentă. Apoi, timp de aproximativ 10 ore, are loc o creștere uniformă și apoi un platou aproape orizontal. Teoria afirmă că, cu un curent de încărcare scăzut, nu există nicio cădere de tensiune la sfârșitul încărcării. Am avut răbdare și am așteptat toamna asta. Este mic (este aproape invizibil pentru ochi pe diagramă), trebuie să așteptați foarte mult timp pentru el, dar este întotdeauna acolo. După zece ore de încărcare și înainte de scădere, tensiunea bateriei, deși crește, este extrem de nesemnificativă. Acest lucru nu are aproape niciun efect asupra încărcării finale, nu se observă fenomene neplăcute precum încălzirea bateriei. Astfel, atunci când proiectăm încărcătoare cu curent redus, nu are rost să le echipăm cu inteligență. Un cronometru pentru 10-12 ore este suficient și nu este necesară o precizie specială.

Cu toate acestea, această idilă a fost perturbată de unul dintre elemente. După aproximativ 5-6 ore de încărcare, au apărut fluctuații de tensiune foarte vizibile.

La început am pus acest lucru pe seama unui defect de design din standul meu. Fotografia arată că totul a fost asamblat folosind o instalație cu balamale, iar controlerul a fost conectat cu fire destul de lungi. Cu toate acestea, experimente repetate au arătat că astfel de prostii apar în mod constant cu aceeași baterie și nu apar niciodată cu altele. Spre rusinea mea, nu am gasit motivul acestui comportament. Cu toate acestea (și acest lucru este clar vizibil pe grafic) valoarea medie a tensiunii crește așa cum ar trebui.

Epilog

Ca urmare, avem patru baterii, pentru care s-a găsit o nișă ecologică folosind metode științifice precise. Suntem dezamăgiți de capacitățile procesului de formare. Și avem un efect inexplicabil care apare în timpul încărcării.
Urmează o baterie mai mare - o baterie de mașină. Dar acolo, rezistențele de sarcină sunt cu câteva ordine de mărime mai puternice. Undeva călătoresc prin întinderile Eurasiei.

Asta e tot. Vă mulțumim pentru atenție.

Din experiența operațională

Celulele NiMH sunt promovate pe scară largă ca fiind de mare energie, rezistente la frig și fără memorie. Cumpărând o cameră digitală Canon PowerShot A 610, am dotat-o în mod natural cu o memorie încăpătoare pentru 500 de fotografii de înaltă calitate, iar pentru a mări durata de fotografiere am cumpărat de la Duracell 4 celule NiMH cu o capacitate de 2500 mAh.

Să comparăm caracteristicile elementelor produse industrial:

Opțiuni		Ioni de litiu Li-ion	NiCd-cadmiu	Nichel- hidrură metalică NiMH	plumb-acid Pb
Durata serviciului cicluri de încărcare/descărcare		1-1,5 ani	500-1000		3 00-5000
Capacitate energetică, W*h/kg
Curent de descărcare, mA*capacitate baterie
Tensiunea unui element, V
Rata de autodescărcare		2-5% pe lună	10% pentru prima zi, 10% pentru fiecare lună următoare	de 2 ori mai mare NiCd	40% in an
Interval de temperatură permis, grade Celsius	încărcarea
Interval de temperatură permis, grade Celsius	detente		-20... +65
Domeniul de tensiune admisibil, V		2,5-4,3 (Coca-Cola), 3,0-4,3 (grafit)			5,25-6,85 (pentru baterii 6 V), 10,5-13,7 (pentru baterii 12 V)

Tabelul 1.

Din tabel vedem elementele NiMH au o capacitate energetica mare, ceea ce le face preferate la alegere.

Pentru a le încărca, a fost achiziționat un încărcător inteligent DEAY Full-Power Harger, care asigură încărcarea celulelor NiMH cu antrenamentul lor. Elementele au fost încărcate eficient, dar... Totuși, la a șasea încărcare, a murit mult timp. Electronica s-a ars.

După înlocuirea încărcătorului și mai multe cicluri de încărcare-descărcare, bateriile au început să se epuizeze în a doua sau a treia zece lovituri.

S-a dovedit că, în ciuda asigurărilor, celulele NiMH au și memorie.

Și majoritatea dispozitivelor portabile moderne care le folosesc au protecție încorporată care oprește alimentarea atunci când este atinsă o anumită tensiune minimă. Acest lucru previne descărcarea completă a bateriei. Aici începe să-și joace rolul memoria elementelor. Celulele care nu sunt complet descărcate primesc o încărcare incompletă și capacitatea lor scade cu fiecare reîncărcare.

Încărcătoarele de înaltă calitate vă permit să vă încărcați fără a pierde capacitatea. Dar nu am putut găsi așa ceva la vânzare pentru elemente cu o capacitate de 2500mAh. Mai rămâne doar să-i antrenezi periodic.

Antrenamentul celulelor NiMH

Tot ce este scris mai jos nu se aplică celulelor bateriei cu auto-descărcare puternică . Pot fi doar aruncate, experiența arată că nu pot fi antrenați.

Antrenarea celulelor NiMH constă din mai multe (1-3) cicluri de descărcare-încărcare.

Descărcarea se efectuează până când tensiunea de pe celula bateriei scade la 1V. Este recomandabil să descărcați elementele individual. Motivul este că capacitatea de a accepta taxe poate varia. Și se intensifică atunci când se încarcă fără antrenament. Prin urmare, protecția de tensiune a dispozitivului dvs. (player, cameră, ...) este declanșată prematur și elementul nedescărcat este ulterior încărcat. Rezultatul este o pierdere tot mai mare de capacitate.

Descărcarea trebuie efectuată într-un dispozitiv special (Fig. 3), care permite efectuarea ei individual pentru fiecare element. Dacă nu există control al tensiunii, atunci descărcarea a fost efectuată până când luminozitatea becului a scăzut vizibil.

Și dacă cronometrați timpul de ardere a becului, puteți determina capacitatea bateriei, aceasta este calculată prin formula:

Capacitate = Curent de descărcare x Timp de descărcare = I x t (A * oră)

O baterie cu o capacitate de 2500 mAh este capabilă să furnizeze un curent de 0,75 A la sarcină timp de 3,3 ore, dacă timpul obținut în urma descărcării este mai mic și, în consecință, capacitatea reziduală este mai mică. Și când capacitatea necesară scade, trebuie să continuați antrenamentul bateriei.

Acum, pentru a descărca celulele bateriei, folosesc un dispozitiv realizat conform circuitului prezentat în Fig. 3.

Este fabricat dintr-un încărcător vechi și arată astfel:

Abia acum există 4 becuri, ca în Fig. 3. Trebuie să spunem ceva despre becuri separat. Dacă becul are un curent de descărcare egal cu sau puțin mai mic decât curentul nominal pentru o anumită baterie, acesta poate fi folosit ca sarcină și indicator, altfel becul este doar un indicator. Apoi, rezistența trebuie să fie de o astfel de valoare încât rezistența totală a El 1-4 și a rezistenței paralele R 1-4 să fie de aproximativ 1,6 ohmi Înlocuirea unui bec cu un LED este inacceptabilă.

Un exemplu de bec care poate fi folosit ca încărcătură este un bec de lanternă cu cripton de 2,4 V.

Un caz special.

Atenţie! Producătorii nu garantează funcționarea normală a bateriilor la curenți de încărcare care depășesc curentul de încărcare accelerat. Încărcarea trebuie să fie mai mică decât capacitatea bateriei. Deci pentru bateriile cu o capacitate de 2500mAh ar trebui să fie sub 2,5A.

Se întâmplă ca celulele NiMH după descărcare să aibă o tensiune mai mică de 1,1 V. În acest caz, este necesar să se aplice tehnica descrisă în articolul de mai sus din revista PC WORLD. Un element sau un grup de elemente în serie este conectat la o sursă de alimentare printr-un bec auto de 21 W.

Inca o data va atrag atentia! Astfel de elemente trebuie verificate pentru autodescărcare! În cele mai multe cazuri, elementele cu tensiune redusă sunt cele care au autodescărcare crescută. Aceste articole sunt mai ușor de aruncat.

Este de preferat să încărcați individual pentru fiecare element.

Pentru două elemente cu o tensiune de 1,2 V, tensiunea de încărcare nu trebuie să depășească 5-6V. În timpul încărcării forțate, becul servește și ca indicator. Când luminozitatea becului scade, puteți verifica tensiunea pe elementul NiMH. Va fi mai mare de 1,1 V. În mod obișnuit, această încărcare inițială forțată durează de la 1 la 10 minute.

Dacă elementul NiMH nu crește tensiunea în timpul încărcării forțate timp de câteva minute și se încălzește, acesta este un motiv pentru a-l scoate din încărcare și a-l arunca.

Recomand să folosiți încărcătoare doar cu capacitatea de a antrena (regenera) celulele la reîncărcare. Dacă nu există, atunci după 5-6 cicluri de funcționare în echipament, fără a aștepta o pierdere completă a capacității, antrenați-le și respingeți elementele cu autodescărcare puternică.

Și nu te vor dezamăgi.

Unul dintre forumuri a comentat acest articol "e scris prostesc, dar nu e nimic altceva„. Deci nu este „prost”, ci simplu și accesibil pentru oricine are nevoie de ajutor în bucătărie. Adică, cât se poate de simplu. Persoanele avansate pot instala un controler, pot conecta un computer, ...... , dar asta e o altă poveste.

Ca să nu pară o prostie

Există încărcătoare „inteligente” pentru celulele NiMH.

Acest încărcător funcționează cu fiecare baterie separat.

El poate:

lucrează individual cu fiecare baterie în moduri diferite,

încărcați bateriile în modul rapid și lent,

afișaj LCD individual pentru fiecare compartiment pentru baterii,

încărcați fiecare baterie independent,

încărcați de la una până la patru baterii de diferite capacități și dimensiuni (AA sau AAA),

protejați bateria de supraîncălzire,

protejați fiecare baterie de supraîncărcare,

determinarea sfârșitului încărcării prin căderea de tensiune,

identificarea bateriilor defecte,

predescărcați bateria la tensiune reziduală,

restaurarea bateriilor vechi (antrenament de încărcare-descărcare),

verifica capacitatea bateriei,

afișaj pe afișajul LCD: - curent de încărcare, tensiune, reflectă capacitatea curentului.

Cel mai important lucru, SUBLINIAZ, acest tip de dispozitiv vă permite să lucrați individual cu fiecare baterie.

Potrivit recenziilor utilizatorilor, un astfel de încărcător vă permite să restaurați majoritatea bateriilor neglijate, iar cele care pot fi reparate pot fi folosite pe întreaga durată de viață garantată.

Din păcate, nu am folosit un astfel de încărcător, deoarece este pur și simplu imposibil să-l cumpărați în provincii, dar puteți găsi o mulțime de recenzii pe forumuri.

Principalul lucru este să nu încărcați la curenți mari, în ciuda modului declarat cu curenți de 0,7 - 1A, acesta este încă un dispozitiv de dimensiuni mici și poate disipa o putere de 2-5 W.

Concluzie

Orice restaurare a bateriilor NiMh este strict individuală (cu fiecare element individual). Cu monitorizare constantă și respingere a elementelor care nu acceptă încărcare.

Și cel mai bun mod de a le restabili este cu ajutorul încărcătoarelor inteligente care vă permit să efectuați individual respingerea și un ciclu de încărcare-descărcare cu fiecare element. Și întrucât nu există astfel de dispozitive care să funcționeze automat cu baterii de orice capacitate, acestea sunt proiectate pentru elemente cu o capacitate strict definită sau trebuie să aibă curenți de încărcare și descărcare controlați!