Čeho se ni mh baterie bojí? Sledování konce nabíjení na základě teplotních změn. Napětí naprázdno

Vše o Ni─MH bateriích: zařízení, vlastnosti, klady a zápory

Nikl-metal hydridové (Ni─MH) baterie patří do alkalické skupiny. Jedná se o zdroje chemického proudu, ve kterých je anodou vodíková metalhydridová elektroda, katodou je oxid niklu a elektrolytem je alkalický hydroxid draselný (KOH). Ni─MH baterie mají podobný design jako Ni─Cd baterie. Z hlediska procesů v nich probíhajících jsou podobné nikl-vodíkovým bateriím. Z hlediska měrné energetické náročnosti předčí oba tyto typy nikl-metalhydridové materiály. V tomto článku podrobně rozebereme zařízení a vlastnosti Ni─MH baterií a také jejich klady a zápory.

Nikl-metal hydrid začal vznikat v polovině minulého století. Byly vyvinuty s ohledem na nedostatky, které měly. Během svého výzkumu vědci vyvinuli nové nikl-vodíkové baterie používané ve vesmírných technologiích. Podařilo se jim vyvinout novou metodu skladování vodíku. V novém typu baterie se vodík shromažďoval v určitých materiálech, nebo spíše slitinách určitých kovů. Tyto slitiny by mohly uložit objem vodíku tisícinásobek jejich vlastního objemu. Slitiny se skládaly ze 2 nebo více kovů. Jeden z nich akumuloval vodík a druhý fungoval jako katalyzátor, který zajišťoval přechod atomů vodíku do kovové mřížky.

Baterie Ni─MH mohou používat různé kombinace kovů. V důsledku toho existují příležitosti ke změně vlastností slitiny. Pro vytvoření nikl-metalhydridových baterií byla zahájena výroba slitin, které fungují při pokojové teplotě a nízkém tlaku vodíku. Pokračuje vývoj různých slitin a zdokonalování technologie výroby Ni─MH baterií. Moderní vzorky baterií tohoto typu poskytují až 2 tisíce cyklů nabití a vybití. V tomto případě se kapacita záporné elektrody sníží maximálně o 30 procent. Tohoto výsledku je dosaženo použitím slitin niklu s různými kovy vzácných zemin.

V roce 1975 získal Bill patent na slitinu LaNi5. Jednalo se o první příklad nikl-metal hydridové baterie, kde tato slitina byla aktivní látkou. Stejně jako u dřívějších vzorků z jiných slitin hydridů kovů zde nebyla zajištěna požadovaná kapacita.

Průmyslová výroba Ni─MH baterií byla organizována až v polovině osmdesátých let, kdy byla získána slitina o složení La─Ni─Co. Umožnil reverzibilní absorpci vodíku po více než sto cyklů. Následně byla všechna vylepšení v konstrukci Ni─MH baterií redukována na zvýšení hustoty energie.

Následně byla vyměněna záporná elektroda, což vedlo ke zvýšení aktivní hmoty kladné elektrody 1,3-2krát. Kapacita tohoto typu baterie závisí na kladné elektrodě. Ni-MH baterie mají vyšší měrné energetické parametry než nikl-kadmiové baterie.

Kromě vysoké energetické hustoty nikl-metal hydridových baterií se skládají také z netoxických materiálů, což zjednodušuje jejich obsluhu a likvidaci. Díky těmto faktorům se Ni─MH baterie začaly úspěšně šířit. Kromě toho si můžete přečíst o pro auto.

Aplikace nikl-metalhydridových baterií

Ni─MH baterie se široce používají k napájení různé elektroniky, která pracuje v autonomním režimu. Většina z nich má formu AA nebo AAA baterií. I když existují i ​​​​jiná provedení, včetně průmyslových baterií. Jejich rozsah použití je téměř úplně stejný jako nikl-kadmium a dokonce širší, protože neobsahují toxické materiály.

Nikl-metal hydridové baterie prodávané na trhu lze podle kapacity rozdělit do dvou velkých skupin:

• 1500-3000 mAh;
• 300-1000 mAh.

První skupina (1500-3000 mAh) se používá v různých zařízeních, která mají vysokou spotřebu energie v krátkém časovém úseku. V tomto případě zpravidla nedochází k předběžnému skladování baterií. Příkladem jsou zařízení, jako jsou přehrávače, fotoaparáty, rádiem řízené modely a další vychytávky, kde se energie Ni─MH baterie spotřebuje v krátkém čase.

Druhá skupina (300-1000 mAh) je vhodná, když spotřeba energie začíná po určitém časovém intervalu. Příkladem mohou být ruční svítilny, vysílačky, hračky, GPS navigace a další zařízení s mírnou spotřebou energie, která zůstávají po dlouhou dobu offline.

Ni─MH akumulátorové zařízení

Konstrukce nikl-metal hydridových baterií

Válcový Ni─MH

V tomto provedení jsou protilehlé elektrody odděleny separátorem. Všechny dohromady jsou srolované. Je umístěn v pouzdře a utěsněn víkem se speciálním těsněním. Ve víku je nouzový ventil, který se otevře při zvýšení tlaku uvnitř baterie na 2-4 MPa. Níže uvedený obrázek ukazuje konstrukci nikl-metal hydridové válcové baterie.

Prizmatický tvar Ni─MH

Ni─MH baterie mají prizmatický tvar a střídavé umístění protilehlých elektrod. Jsou také odděleny separátorem. Sestava elektrody je umístěna v kovovém nebo plastovém pouzdře, které je uzavřeno utěsněným víčkem. Ve většině případů je ve víku instalován tlakový senzor nebo ventil. Níže je návrh prizmatického nikl-metal hydridového akumulátoru.

V nikl-metal hydridových bateriích působí alkálie jako elektrolyt. Složení je KOH s přídavkem LiOH. Materiál separátoru je ve většině případů netkaný polyamid a polypropylen ošetřený smáčedlem. Tloušťka separátoru je od 0,12 do 0,25 milimetru.

Kladná elektroda Ni─MH baterií je vyrobena ze stejných materiálů, jaké se používají u Ni─Cd baterií. Jedná se o kovové keramiky z oxidu niklu, polymerové pěny a plstěné materiály.

Záporné elektrody pro Ni─MH baterie mohou být z následujících možností:

• lamela. Slitina absorbující vodík v práškové formě je lisována do niklové sítě;
• Niklová pěna. Pasta ze slitiny a pojiva se zavede do základu z niklové pěny, následuje sušení a lisování;
• fólie. Pasta ze slitiny a pojiva se nanese na perforovanou fólii (nikl nebo ocel), následuje sušení a lisování;
• válcované. Prášek ze slitiny a pojiva se nanáší válcováním (válcováním) na mřížku nebo síťovinu (měď nebo nikl);
• slinutý. Slitina v práškové formě je nalisována na Ni síťku a poté vypálena ve vodíku.

Specifické kapacity všech těchto možností elektrod jsou blízké hodnotě. Závisí především na kapacitě použité slitiny. Nyní stojí za to se blíže podívat na design různých elektrod nikl-metal hydridových baterií.

Elektrodová struktura Ni─MH baterií

Konstrukce kov-vodíkové elektrody

Hlavním materiálem, který určuje vlastnosti Ni─MH baterií, je slitina, která absorbuje vodík. Dokáže absorbovat objem vodíku tisíckrát větší, než je jeho vlastní objem. LaNi5 se stal nejběžnější slitinou pro výrobu kovových vodíkových elektrod. To označuje skupinu slitin, kde je nikl částečně nahrazen kobaltem, manganem a hliníkem. To se provádí za účelem zvýšení jeho aktivity a stability. Aby se ušetřily peníze, řada výrobců nepoužívá lanthan, ale Mm (misch metal). Je to směs prvků vzácných zemin v poměru podobném tomu, který se nachází v přírodní rudě. Kromě La existuje neodym, cer a praseodym.

Během cyklu nabíjení-vybíjení se krystalová mřížka slitiny smršťuje a rozšiřuje o 15-25 procent. To je způsobeno procesy desorpce a absorpce vodíku. V důsledku toho se zvyšuje vnitřní napětí a ve slitině se tvoří trhliny. V důsledku tvorby trhlin se zvětšuje plocha vystavená korozi v důsledku reakce s alkálií (elektrolytem). V důsledku toho dochází k postupnému snižování vybíjecí kapacity záporné elektrody.

Protože baterie obsahuje omezené množství elektrolytu, všechny popsané procesy způsobují problémy spojené s jeho redistribucí. V důsledku koroze slitiny se její povrch stává chemicky pasivním. Tvoří oxidy a hydroxidy, které jsou odolné vůči korozi. Zvyšují přepětí při reakci na metalhydridové elektrodě.

Korozní produkty vznikají spotřebováním vodíku a kyslíku z alkálie. To vede ke snížení množství elektrolytu v baterii a zvýšení jejího vnitřního odporu. Všechny tyto procesy negativně ovlivňují životnost Ni─MH baterií.

Pro snížení nežádoucí koroze a disperzních procesů používají výrobci 2 techniky. První zahrnuje mikroenkapsulaci slitinových částic. To znamená, že povrch je pokryt porézní vrstvou mědi nebo niklu o malé tloušťce (5-10 procent). Druhý způsob je běžnější. Tato technologie zahrnuje zpracování slitinových částic v alkalickém roztoku. V důsledku toho se vytvoří ochranný film, který je propustný pro vodík.

Návrh elektrody z oxidu niklu

• Elektrody z oxidu niklu lze nalézt v následujících verzích:
• lamela;
• slinutá kovokeramika bez lamel;

lisované.

Strukturálně se lamelové elektrody z oxidu niklu skládají ze spojených lamel. Lamely jsou perforované krabice vyrobené z tenké poniklované ocelové pásky. Jeho tloušťka je 0,1 milimetru.

Metalokeramické slinuté elektrody mají porézní strukturu kovokeramického základu. V pórech, kterých je minimálně 70 procent založeno, je aktivní hmota. Základním materiálem je jemný prášek karbonylniklu (60-65 procent) a uhličitan amonný (nebo močovina). Tento prášek se lisuje a naválcuje na niklové nebo ocelové pletivo. Dá se i stříkat.

Dále, podle technologie, síťka s práškem prochází tepelným zpracováním ve vodíkové atmosféře. Teplota je 800-960 stupňů Celsia. Močovina nebo uhličitan amonný se rozkládají a dochází ke spékání niklu. Výsledkem je základna o tloušťce 1─2,3 milimetru. Pórovitost výsledné báze je 80-85 procent a poloměr pórů je 5-20 mikrometrů. Dále je výsledná báze impregnována roztokem síranu nikelnatého nebo dusičnanu nikelnatého zahřátého na 60-90 stupňů. A pak se provede další impregnace alkalickým roztokem, který vysráží oxidy a hydroxidy niklu.

Moderní výroba využívá technologii elektrochemické impregnace. Elektroda v roztoku dusičnanu nikelnatého se podrobí katodickému zpracování. V důsledku toho se v pórech uvolňuje vodík a desky se alkalizují. Hydroxidy a oxidy niklu se vysrážejí v pórech desky.

Fóliové elektrody jsou typem slinutých elektrod. Vyrábějí se následovně. Na perforovanou niklovou pásku o tloušťce asi 0,05 milimetru na obou stranách se nanese alkoholová emulze niklu karbonylového prášku s pojivy. Dále se provádí slinování a impregnace činidly (chemickými nebo elektrochemickými). Tloušťka elektrody je 0,4─0,6 milimetrů.

Lisované elektrody se vyrábějí nalisováním aktivní hmoty na pásku nebo ocelové pletivo. Tlak je 35-60 MPa. Jako aktivní hmota se používá směs hydroxidů niklu a kobaltu, grafitu a pojiv.

Elektrody z kovové plsti jsou vysoce porézní základ skládající se z uhlíkových nebo niklových vláken. Pórovitost báze je 95 procent. Plstěná elektroda je vyrobena z uhlíkově-grafitové nebo polymerové plsti potažené niklem. Tloušťka elektrody může být od 0,8 do 10 milimetrů. Aktivní hmota se zavádí do plsti různými metodami.

Existuje technologie, kdy se místo plsti používá niklová pěna. Vyrábí se niklováním polyuretanové pěny a dalším žíháním v redukční atmosféře.

Aditiva se do vysoce porézního média přidávají roztíráním. Jedná se o pastu obsahující hydroxid nikelnatý s pojivem. Dále se základna suší a válcová. Elektrody typu kovové plsti a niklové pěny mají vysokou specifickou kapacitu a značnou životnost.

Reakce v nikl-metal hydridových bateriích

Jak již bylo uvedeno výše, v Ni─MH baterii je kladná elektroda oxid niklu, stejně jako u Ni─Cd baterií. Ale záporná elektroda místo kadmia je vyrobena ze slitiny niklu s přídavkem prvků vzácných zemin.

Jaké reakce probíhají v Ni─MH bateriích?

Na elektrodě oxidu niklu (pozitivní) probíhá reakce:

Při nabíjení

Ni(OH) 2 + OH −- ⇒ NiOOH + H 2 O + e −

Při vybití

NiOOH + H 2 O + e − ⇒ Ni(OH) 2 + OH −

Na elektrodě oxidu niklu (pozitivní) probíhá reakce:

Na elektrodě ze slitiny niklu (negativní) probíhá reakce:

Ni(OH) 2 + OH −- ⇒ NiOOH + H 2 O + e −

M + H 2 O + e − ⇒ MH + OH −-

MH + OH - ⇒ M + H20 + e -

Na elektrodě oxidu niklu (pozitivní) probíhá reakce:

Celková reakce probíhající v Ni─MH baterii je následující:

Ni(OH) 2 + OH −- ⇒ NiOOH + H 2 O + e −

Ni(OH)2 + M ⇒ NiOOH + MH

NiOOH + MH ⇒ Ni(OH) 2 + M

V tomto případě se alkalický elektrolyt neúčastní reakce generování proudu.

Po nabití baterie na úroveň 70-80 procent oxidu niklu se začne uvolňovat kyslík v souladu s následující reakcí:

2OH − ⇒ 1/2O 2 + H 2 O + 2e −

Na záporné elektrodě dochází k redukční reakci tohoto kyslíku:

1/2O 2 + H 2 O + 2e − ⇒ 2OH −

Popisuje proces dobíjení nikl-metal hydridové baterie. Tyto reakce tvoří uzavřený oběh kyslíku. Během procesu redukce kyslíku se kapacita elektrody metalhydridu zvyšuje v důsledku uvolnění OH − skupiny.

Charakteristika Ni-MH baterií

Hlavní parametry nikl-metal hydridových a nikl-kadmiových baterií jsou uvedeny v následující tabulce.	Charakteristický	Ni-Cd	Ni-MH
Hlavní parametry nikl-metal hydridových a nikl-kadmiových baterií jsou uvedeny v následující tabulce.	Charakteristický	Ni-Cd	Ni-MH
Ni-H2	45-80	60-120	-
Hustota energie, Wh/kg	100-200	200-300	-
Vnitřní odpor (při 6 V), mOhm	1500	300-500	2000-3000
Počet cyklů nabití-vybití, dokud kapacita neklesne na 80 procent jmenovité hodnoty	1	2-4	-
Rychlá doba nabíjení, hodiny	Odolnost proti přebití	průměrný	-
nízký	Samovybíjení při pokojové teplotě	20 % měsíčně	30 % měsíčně
20-30% za den	1,25	1,25	1,25
Jmenovité napětí, V	Optimální zatěžovací proud	1C	-
do 0,5C	Špičkový proud zátěže	20C	-
5C	Provozní teplota (výboj), C	od -40 do +60	od -20 do +60
od -20 do +30	30-90	30-90	-
Frekvence údržby (školení), dny	1950	1990	-
Životnost, roky	1-5	1-5	2-7
Měrná energie, Wh/litr	60-120	100-270	60-80

Elektrické charakteristiky

Kapacita baterie

S rostoucí zátěží a klesající provozní teplotou klesá kapacita nikl-metal hydridové baterie v souladu s níže uvedeným grafem.

Účinek snížení kapacity je zvláště patrný při významné rychlosti vybíjení v oblasti záporných teplot.

Jmenovité vybíjecí napětí

Jmenovité vybíjecí napětí (U p) je obvykle v rozsahu 1,2─1,25 voltů při vybíjecím proudu (Ip), určené podle vzorce:

I p = 0,1─0,2С, kde

C je jmenovitá kapacita baterie při teplotě 25 stupňů Celsia.

Konečné vybíjecí napětí je 1 volt. Jak můžete vidět na níže uvedeném grafu, napětí klesá s rostoucí zátěží.

Napětí naprázdno

Hodnotu tohoto parametru Ni─MH baterií je poměrně obtížné určit. To je dáno tím, že rovnovážný potenciál elektrody oxidu niklu do značné míry závisí na stupni oxidace Ni.

Důležitou roli hraje i rovnovážný potenciál záporné elektrody, který je dán stupněm nasycení vodíkem. Den po nabití baterie je napětí nikl-metal hydridové baterie s otevřeným okruhem v rozmezí 1,30-1,35 voltu.

Skladovatelnost a životnost

Při skladování Ni─MH baterie, stejně jako v případě jiných typů baterií, dochází k jevu samovybíjení. Při pokojové teplotě během prvního měsíce skladování ztratí taková baterie 20-30 procent své kapacity. Následně každý měsíc kapacita nikl-metal hydridové baterie klesá o 3-7 procent za měsíc. Intenzita samovybíjení roste s rostoucí teplotou, jak je vidět na grafu níže.

A byly podniknuty jako pokus o překonání nedostatků. Avšak sloučeniny hydridů kovů používané v té době byly nestabilní a nebylo dosaženo požadovaných vlastností. V důsledku toho se vývoj NiMH baterií zastavil. V 80. letech byly vyvinuty nové metalhydridové sloučeniny dostatečně stabilní pro použití v bateriích Od konce 80. let procházely NiMH baterie neustálým zlepšováním, zejména pokud jde o hustotu energie. Jejich vývojáři poznamenali, že technologie NiMH má potenciál dosáhnout ještě vyšších hustot energie.

Možnosti

• Teoretický obsah energie (Wh/kg): 300 Wh/kg.
• Měrná energetická náročnost: cca - 60-72 Wh/kg.
• Měrná hustota energie (Wh/dm³): asi -150 Wh/dm³.
• EMF: 1,25.
• Provozní teplota: -60…+55 °C .(-40… +55)
• Životnost: cca 300-500 nabíjecích/vybíjecích cyklů.

Popis

Nikl-metal hydridové baterie typu Krona, obvykle začínající na 8,4 voltu, postupně snižují napětí na 7,2 voltů a poté, když je energie baterie vyčerpána, napětí rychle klesá. Tento typ baterií je určen k náhradě nikl-kadmiových baterií. Nikl-metal hydridové baterie mají přibližně o 20 % větší kapacitu při stejných rozměrech, ale kratší životnost – od 200 do 300 nabíjecích/vybíjecích cyklů. Samovybíjení je přibližně 1,5-2krát vyšší než u nikl-kadmiových baterií.

Baterie NiMH jsou prakticky bez „paměťového efektu“. To znamená, že můžete nabíjet baterii, která není zcela vybitá, pokud nebyla v tomto stavu skladována déle než několik dní. Pokud byla baterie částečně vybitá a poté nebyla delší dobu používána (více než 30 dní), je nutné ji před nabíjením vybít.

Šetrné k životnímu prostředí.

Nejvýhodnější provozní režim: nabíjení nízkým proudem, jmenovitá kapacita 0,1, doba nabíjení - 15-16 hodin (typické doporučení výrobce).

Skladování

Baterie by měly být skladovány plně nabité v chladničce, ale ne pod 0 stupňů. Během skladování je vhodné pravidelně kontrolovat napětí (1x za 1-2 měsíce). Neměla by klesnout pod 1,37. Pokud napětí klesne, musíte baterie znovu nabít. Jediným typem baterie, kterou lze skladovat vybitou, jsou Ni-Cd baterie.

Baterie NiMH s nízkým samovybíjením (LSD NiMH)

Nikl-metal hydridová baterie s nízkým samovybíjením (LSD NiMH) byla poprvé představena v listopadu 2005 společností Sanyo pod značkou Eneloop. Později mnoho světových výrobců představilo své LSD NiMH baterie.

Tento typ baterie má snížené samovybíjení, což znamená, že má delší životnost ve srovnání s běžnými NiMH. Baterie se prodávají jako „připravené k použití“ nebo „předem nabité“ a jsou prodávány jako náhrada za alkalické baterie.

Ve srovnání s běžnými NiMH bateriemi jsou NiMH LSD nejužitečnější, když mezi nabitím a použitím baterie uplynou více než tři týdny. Běžné NiMH baterie ztratí během prvních 24 hodin po nabití až 10 % své nabíjecí kapacity, poté se samovybíjecí proud ustálí až na 0,5 % kapacity za den. U NiMH LSD je to typicky v rozsahu 0,04 % až 0,1 % kapacity za den. Výrobci tvrdí, že zlepšením elektrolytu a elektrody byli schopni dosáhnout následujících výhod LSD NiMH ve srovnání s klasickou technologií:

Mezi nevýhody je třeba poznamenat relativně o něco menší kapacitu. V současné době (2012) je maximální dosažená jmenovitá kapacita LSD 2700 mAh.

Při testování baterií Sanyo Eneloop XX s nominální kapacitou 2500mAh (min 2400mAh) se však ukázalo, že všechny baterie v dávce 16 kusů (vyrobené v Japonsku, prodávané v Jižní Koreji) mají kapacitu ještě větší - od 2550 mAh až 2680 mAh. Testováno s nabíječkou LaCrosse BC-9009.

Částečný seznam baterií s dlouhou životností (nízké samovybíjení):

• Prolife od Fujicell
• Ready2Use Accu od Varta
• AccuEvolution od AccuPower
• Hybridní, platinové a OPP předem nabité od Rayovac
• eneloop od Sanyo
• eniTime od Yuasy
• Infinium od Panasonicu
• ReCyko od Gold Peak
• Okamžitě od Vapex
• Hybrio od Uniross
• Cycle Energy od Sony
• MaxE a MaxE Plus od Ansmann
• EnergyOn od NexCell
• ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu od Duracell
• Předem nabito společností Kodak
• nx-ready od ENIX energií
• Imedion z
• Pleomax E-Lock od společnosti Samsung
• Centura od Tenergy
• Ecomax od CDR King
• R2G od Lenmaru
• LSD připravené k použití od Turnigy

Další výhody baterií NiMH s nízkým samovybíjením (LSD NiMH)

Nikl-metalhydridové baterie s nízkým samovybíjením mají obvykle výrazně nižší vnitřní odpor než běžné NiMH baterie. To má velmi pozitivní efekt v aplikacích s vysokou spotřebou proudu:

• Stabilnější napětí
• Snížená tvorba tepla zejména v režimech rychlého nabíjení/vybíjení
• Vyšší účinnost
• Schopný vysoký pulzní proudový výstup (Příklad: blesk fotoaparátu se nabíjí rychleji)
• Možnost dlouhodobého provozu v zařízeních s nízkou spotřebou energie (Příklad: dálkové ovladače, hodinky.)

Způsoby nabíjení

Nabíjení se provádí elektrickým proudem při napětí na článku do 1,4 - 1,6 V. Napětí na plně nabitém článku bez zátěže je 1,4 V. Napětí při zátěži se pohybuje od 1,4 do 0,9 V. Napětí bez zátěže je zcela vybitá baterie je 1,0 - 1,1 V (další vybití může poškodit prvek). K nabíjení baterie se používá stejnosměrný nebo pulzní proud s krátkodobými zápornými pulzy (pro obnovení „paměťového“ efektu metoda „FLEX Negativní pulzní nabíjení“ nebo „Reflexní nabíjení“).

Sledování konce nabíjení změnou napětí

Jednou z metod pro určení konce náboje je metoda -ΔV. Obrázek ukazuje graf napětí na článku při nabíjení. Nabíječka nabíjí baterii konstantním proudem. Po úplném nabití baterie začne napětí klesat. Efekt je pozorován pouze při dostatečně vysokých nabíjecích proudech (0,5C..1C). Nabíječka by měla tento pokles detekovat a nabíjení vypnout.

Existuje také takzvaná „inflexe“ - metoda pro určení konce rychlonabíjení. Podstatou metody je, že se neanalyzuje maximální napětí na baterii, ale maximální derivace napětí s ohledem na čas. To znamená, že rychlé nabíjení se zastaví v okamžiku, kdy je rychlost nárůstu napětí maximální. To umožňuje dokončit fázi rychlého nabíjení dříve, kdy teplota baterie ještě výrazně nestoupla. Metoda však vyžaduje měření napětí s větší přesností a některé matematické výpočty (výpočet derivace a digitální filtrace výsledné hodnoty).

Sledování konce nabíjení na základě teplotních změn

Při nabíjení článku stejnosměrným proudem se většina elektrické energie přemění na chemickou energii. Když je baterie plně nabitá, dodaná elektrická energie se přemění na teplo. Při dostatečně velkém nabíjecím proudu můžete určit konec nabíjení prudkým zvýšením teploty prvku instalací snímače teploty baterie. Maximální přípustná teplota baterie je 60°C.

Aplikace

Výměna standardního galvanického článku, elektrických vozidel, defibrilátorů, raketové a kosmické techniky, autonomních napájecích systémů, rádiových zařízení, osvětlovací techniky.

Výběr kapacity baterie

Při používání NiMH baterií byste neměli vždy usilovat o vysokou kapacitu. Čím je baterie kapacitnější, tím vyšší je její samovybíjecí proud (za jinak stejných podmínek). Uvažujme například baterie s kapacitou 2500 mAh a 1900 mAh. Baterie, které jsou plně nabité a nepoužívané například měsíc, ztratí část své elektrické kapacity samovybíjením. Prostornější baterie se vybije mnohem rychleji než méně prostorná. Například po měsíci tak budou baterie přibližně stejně nabité a po ještě delší době bude původně kapacitnější baterie obsahovat méně náboje.

Z praktického hlediska má vysokokapacitní baterie (1500-3000 mAh pro AA baterie) smysl používat v zařízeních s vysokou energetickou náročností na krátkou dobu a bez předchozího skladování. Například:

• U rádiem řízených modelů;
• Ve fotoaparátu - zvýšit počet snímků pořízených v relativně krátkém časovém období;
• V jiných zařízeních, ve kterých se náboj vygeneruje za relativně krátkou dobu.

Nízkokapacitní baterie (300-1000 mAh pro AA baterie) jsou vhodnější pro následující případy:

• Když nabíjení nezačne ihned po nabití, ale po delší době;
• Pro občasné použití v přístrojích (ruční svítilny, GPS navigace, hračky, vysílačky);
• Pro dlouhodobé použití v zařízení s mírnou spotřebou energie.

Výrobci

Nikl-metal hydridové baterie vyrábí různé společnosti, včetně:

• Camelion
• Lenmar
• Naše síla
• ZDROJ NIAI
• Plocha

Viz také

Literatura

• Baterie Chrustalev D. A. M: Izumrud, 2003.

Poznámky

Odkazy

• GOST 15596-82 Zdroje chemického proudu. Termíny a definice
• GOST R IEC 61436-2004 Uzavřené nikl-metal hydridové baterie
• GOST R IEC 62133-2004 Nabíjecí baterie a baterie obsahující alkalické a jiné nekyselé elektrolyty. Bezpečnostní požadavky na přenosné uzavřené baterie a baterie z nich vyrobené pro přenosné použití

Galvanický článek	Galvanický článek Daniel | Alkalický prvek | | Suchý prvek | Koncentrační prvek | Zinkový vzduchový prvek | Westonův normální prvek
Elektrické baterie	Kyselina olova | Stříbro-zinek | Nikl-kadmium | Nikl-metal hydrid | Nikl-zinková baterie | Lithium-iontové | Lithiový polymer | Sulfid lithný | Lithium-železo fosfát | Titaničitan lithný | Vanad | Železo-nikl
Palivové články	Přímý metanol | Pevný oxid | Alkalický
Modelky

Výzkum nikl-metalhydridových baterií začal v 70. letech minulého století jako vylepšení nikl-vodíkových baterií, protože hmotnost a objem nikl-vodíkových baterií nebyly pro výrobce uspokojivé (vodík v těchto bateriích byl pod vysokým tlakem, což vyžadovalo odolnou, těžkou ocel). věc). Použití vodíku ve formě hydridů kovů umožnilo snížit hmotnost a objem baterií a také se snížilo riziko výbuchu baterie při přehřátí.

Od 80. let 20. století se technologie baterií NiMH výrazně zlepšila a začalo se komerční využití v různých aplikacích. K úspěchu NiNH baterií přispěla zvýšená kapacita (40 % oproti NiCd), použití recyklovatelných materiálů („šetrných“ k přírodnímu prostředí) a také velmi dlouhá životnost, často převyšující NiCd baterie.

Výhody a nevýhody NiMH baterií

Výhody

・ větší kapacita – o 40 % nebo více než běžné NiCd baterie
・ mnohem méně výrazný „paměťový“ efekt ve srovnání s nikl-kadmiovými bateriemi – cykly údržby baterie lze provádět 2-3krát méně často
・ jednoduchá možnost přepravy - letecké společnosti přepravují bez jakýchkoliv podmínek
・ šetrné k životnímu prostředí – lze recyklovat

Nedostatky

・ omezená životnost baterie - obvykle asi 500-700 cyklů úplného nabití/vybití (ačkoli mohou existovat značné rozdíly v závislosti na provozních režimech a vnitřním zařízení).
・paměťový efekt – baterie NiMH vyžadují pravidelné školení (cyklus úplného vybití/nabití baterie)
・ Relativně krátká životnost baterií - obvykle ne více než 3 roky při skladování ve vybitém stavu, poté se hlavní charakteristiky ztratí. Skladování v chladu s částečným nabitím 40-60% zpomaluje proces stárnutí baterií.
・Vysoké samovybíjení baterie
・Omezená kapacita napájení - při překročení povolené zátěže se zkracuje životnost baterie.
・ Vyžaduje se speciální nabíječka s postupným nabíjecím algoritmem, protože nabíjení generuje velké množství tepla a nikl-metal hydridové baterie se snadno přebíjejí.
・ Špatná tolerance vůči vysokým teplotám (nad 25-30 Celsia)

Konstrukce NiMH baterií a baterií

Moderní nikl-metal hydridové baterie mají vnitřní design podobný jako u nikl-kadmiových baterií. Kladná elektroda oxidu niklu, alkalický elektrolyt a konstrukční tlak vodíku jsou v obou bateriových systémech stejné. Liší se pouze záporné elektrody: nikl-kadmiové baterie mají kadmiovou elektrodu a nikl-metalhydridové baterie mají elektrodu na bázi slitiny kovů absorbujících vodík.

Moderní nikl-metal hydridové baterie používají slitiny absorbující vodík, jako jsou AB2 a AB5. Jiné slitiny AB nebo A2B se příliš nepoužívají. Co znamenají tajemná písmena A a B ve složení slitiny? – Symbol A představuje kov (nebo směs kovů), který při tvorbě hydridů uvolňuje teplo. Symbol B tedy označuje kov, který endotermicky reaguje s vodíkem.

Pro záporné elektrody typu AB5 se používá směs prvků vzácných zemin skupiny lanthanu (složka A) a niklu s příměsí dalších kovů (kobalt, hliník, mangan) - složka B. Pro elektrody typu AB2 titan a nikl s příměsí zirkonu, vanadu, železa, používají se mangan, chrom.

Nikl-metal hydridové baterie s elektrodami typu AB5 jsou rozšířenější kvůli lepším jízdním vlastnostem, a to i přesto, že baterie s elektrodami typu AB2 jsou levnější, mají vyšší kapacitu a lepší výkon.

Během procesu cyklování objem záporné elektrody kolísá až o 15-25 % originálu v důsledku absorpce/uvolňování vodíku. V důsledku kolísání objemu vzniká v materiálu elektrody velké množství mikrotrhlin. Tento jev vysvětluje, proč nová nikl-metal hydridová baterie vyžaduje několik „tréninkových“ cyklů nabíjení/vybíjení, aby se výkon a kapacita baterie dostaly na nominální hodnoty. Tvorba mikrotrhlin má také negativní stránku - zvětšuje se povrch elektrody, která podléhá korozi se spotřebou elektrolytu, což vede k postupnému zvyšování vnitřního odporu prvku a snižování kapacity . Pro snížení rychlosti korozních procesů se doporučuje skladovat nikl-metal hydridové baterie v nabitém stavu.

Záporná elektroda má nadměrnou kapacitu vzhledem ke kladné elektrodě, pokud jde o přebití i nadměrné vybití, aby byla zajištěna přijatelná úroveň vývoje vodíku. Vlivem koroze slitiny se kapacita nabíjení záporné elektrody postupně snižuje. Jakmile je přebytečná kapacita dobíjení vyčerpána, začne se na záporné elektrodě na konci nabíjení uvolňovat velké množství vodíku, což povede k uvolnění přebytečného vodíku přes ventily článku, tzv. off“ elektrolytu a selhání baterie. K nabíjení nikl-metal hydridových baterií tedy potřebujete speciální nabíječku, která zohledňuje specifické chování baterie, aby se zabránilo nebezpečí samodestrukce článku baterie. Při zpětné montáži baterie se ujistěte, že jsou články dobře odvětrávány a že v blízkosti nabíjené vysokokapacitní nikl-metal hydridové baterie nekouříte.

V průběhu času se v důsledku cyklování zvyšuje samovybíjení baterie v důsledku výskytu velkých pórů v materiálu separátoru a vytvoření elektrického spojení mezi deskami elektrod. Tento problém lze dočasně vyřešit několikanásobným hlubokým vybitím baterie a následným úplným nabitím.

Při nabíjení nikl-metal hydridových baterií vzniká zejména na konci nabíjení poměrně velké množství tepla, což je jeden ze znaků, že je nabíjení potřeba dokončit. Při montáži několika bateriových článků do baterie je nutný systém monitorování baterie (BMS) a také přítomnost tepelně otevíracích vodivých spojovacích propojek mezi částí bateriových článků. Je také vhodné připojit baterie v baterii spíše bodovým svařováním propojkami než pájením.

Vybíjení nikl-metalhydridových baterií při nízkých teplotách je omezeno tím, že tato reakce je endotermická a na záporné elektrodě se tvoří voda, která ředí elektrolyt, což vede k vysoké pravděpodobnosti zamrznutí elektrolytu. Proto čím nižší je okolní teplota, tím nižší je výkon a kapacita baterie. Naopak při zvýšených teplotách během procesu vybíjení bude vybíjecí kapacita nikl-metal hydridové baterie maximální.

Znalost konstrukce a principů provozu vám umožní lépe porozumět procesu provozu nikl-metal hydridových baterií. Doufám, že informace získané z tohoto článku pomohou prodloužit životnost vaší baterie a vyhnout se možným nebezpečným následkům v důsledku nepochopení zásad bezpečného používání nikl-metal hydridových baterií.

Vybíjecí charakteristiky baterií NiMH při různých
vybíjecí proudy při okolní teplotě 20 °C

obrázek převzat z www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781

Nikl-metal hydridová baterie Duracell

obrázek převzat z www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm

P.P.S.
Schéma slibného směru vytváření bipolárních baterií

obvod převzatý z bipolárních olověných baterií

Srovnávací tabulka parametrů různých typů baterií

	NiCd	NiMH	Olověná kyselina	Li-ion	Li-ion polymer	Opakovaně použitelné Alkalický
Hustota energie (W*hodina/kg)	45-80	60-120	30-50	110-160	100-130	80 (počáteční)
Vnitřní odpor (včetně vnitřních obvodů), mOhm	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
Počet cyklů nabití/vybití (při snížení na 80 % původní kapacity)	1500	300-500	200-300	500-1000	300-500	50 (až 50 %)
Rychlá doba nabíjení	Typicky 1 hodina	2-4 hodiny	8-16 hodin	2-4 hodiny	2-4 hodiny	2-3 hodiny
Rychlá doba nabíjení, hodiny	Odolnost proti přebití	průměrný	vysoký	velmi nízké	průměrný	Odolnost proti přebití
Samovybíjení / měsíc (při pokojové teplotě)	20%	30%	5%	10%	~10%	0.3%
Napětí článku (nominální)	1,25 V	1,25 V	2B	3,6V	3,6V	1,5V
Zatěžovací proud - vrchol - optimální	20C 1C	5C 0,5C a méně	5C 0,2C	>2C 1C a níže	>2C 1C a níže	0,5 °C 0,2C a méně
Provozní teplota (pouze vybíjení)	-40 až 60 °C	-20 až 60 °C	-20 až 60 °C	-20 až 60 °C	0 až 60 °C	0 až 65 °C
Požadavky na údržbu	Po 30-60 dnech	Po 60-90 dnech	Po 3 – 6 měsících	Není vyžadováno	Není vyžadováno	Není vyžadováno
Standardní cena (US$, pouze pro srovnání)	$50 (7,2 V)	$60 (7,2 V)	$25 (6V)	$100 (7,2 V)	$100 (7,2 V)	$5 (9V)
Cena za cyklus (US $)	$0.04	$0.12	$0.10	$0.14	$0.29	$0.10-0.50
Začátek komerčního využití	1950	1990	1970	1991	1999	1992

tabulka převzata z

Federální agentura pro vzdělávání

Státní vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání

"POLYTECHNICKÁ UNIVERZITA TOMSK"

Elektrotechnický ústav

Směr 551300 – Elektrotechnika, elektromechanika a elektrotechnika

Oddělení – Elektrické pohony a elektrická zařízení

Abstrakt o disciplíně

„Zdroje garantovaného a nepřetržitého napájení pro průmyslové podniky“

na téma NIKL-METALHYDRIDOVÉ BATERIE

Studenti skupiny 7M142

Krupina N.V._________________

Kondrashov S.A.______________

«_____»________________

Vedoucí profesor, doktor technických věd

Garganeev A.G.________________

"_____"____________2009

Tomsk – 2009

Zavedení

1. Terminologie

3. Nikl-metal hydridové baterie

4. Základní procesy Ni-MH baterií

5. Konstrukce elektrod Ni-MH akumulátorů

6. Konstrukce Ni-MH baterie

7. Charakteristika Ni-MH baterií

8. Nabíjení Ni-MH baterie

9. Výhody a nevýhody Ni-MH baterií

10. Normy a označení NM baterií

11. Skladování a provoz Ni-MH baterií

12. Výrobci a perspektivy NM baterií

13. Likvidace

Závěr

Seznam použitých zdrojů

Zavedení

Je téměř nemožné si představit moderní svět bez jakékoli elektronické technologie. Digitální technologie tak dobře zapadly do našich životů, učinily je pohodlnějšími a zajímavějšími, že je prostě nemůžeme odmítnout.

Neměli bychom však zapomínat, že pro provoz mobilních zařízení jsou potřeba přenosné napájecí zdroje, které by mohly uspokojit stále se zvyšující potřeby moderní elektroniky. Získali jsme WiFi a Bluetooth, osvobodili se od datových kabelů, ale stále zůstáváme vázáni na elektrické sítě.

Aplikovaná věda však nestojí na místě a nabízí stále nové a nové typy zdrojů elektřiny. Na druhou stranu je stále zvláštní, že i přes přítomnost tolika nových technologií baterie našich telefonů, smartphonů, PDA a dalších gadgetů stále vymírají. Stává se to proto, že na správné zacházení s baterií lidé přemýšlejí až ve chvíli, kdy zcela selhala a lze ji s klidem v duši vyřadit. Je třeba si uvědomit, že výměna baterie může stát pěkný cent. Netvrdíme, že málokdo rád striktně dodržuje provozní pravidla, ale bohužel jen tak lze maximalizovat životnost baterie.

Dnes jsou běžné baterie pěti různých elektrochemických schémat: nikl-kadmiové (Ni-Cd), nikl-metalhydridové (Ni-MH), olověné (Sealed Lead Acid, SLA), lithium-iontové (Li-Ion) a lithium-polymer (Li-Polymer). Určujícím faktorem pro všechny uvedené baterie je nejen přenosnost (tedy malý objem a hmotnost), ale také vysoká spolehlivost a také dlouhá doba provozu. Hlavní parametry baterie jsou hustota energie (nebo měrná energie podle hmotnosti), počet cyklů nabíjení/vybíjení, rychlost nabíjení a samovybíjení. Olověný akumulátor se obvykle skládá ze dvou desek (elektrod) umístěných v elektrolytu (vodném roztoku kyseliny sírové). Nikl-kadmiový článek má negativní a pozitivní desky srolované dohromady a umístěné v kovovém válci. Kladná deska je vyrobena z hydroxidu niklu a záporná deska je vyrobena z hydroxidu kademnatého. Dvě desky jsou izolovány separátorem, který je navlhčen elektrolytem.

Nikl-metal hydridová baterie je konstrukčně podobná nikl-kadmiové baterii, ale má jiné chemické složení elektrolytu a elektrod. V lithium-iontové baterii jsou elektrody a separátor umístěny v elektrolytu lithiové soli.

Existuje velké množství mýtů a legend o údajně ideálním provozním režimu, metodách „školení“, skladování, metodách a režimech nabíjení a obnovy baterií, ale zkusme na to přijít.

1.Terminologie

Baterie (z lat. akumulátor - sběrač, accumulo - shromažďování, akumulace) je zařízení pro uchovávání energie za účelem jejího následného využití. Elektrická baterie přeměňuje elektrickou energii na chemickou a zajišťuje zpětnou přeměnu podle potřeby. Baterie se nabíjí průchodem elektrického proudu. V důsledku způsobených chemických reakcí získává jedna z elektrod kladný náboj a druhá záporný náboj.

Baterie jako elektrické zařízení se vyznačuje těmito hlavními parametry: elektrochemický systém, napětí, elektrická kapacita, vnitřní odpor, samovybíjecí proud a životnost.

Kapacita baterie je množství energie, kterou by měla mít plně nabitá baterie. V praktických výpočtech se kapacita obvykle vyjadřuje v ampérhodinách (

). Počet ampérhodin udává dobu, po kterou bude daná baterie fungovat při 1 ampér. Stojí za to dodat, že moderní mobilní zařízení používají mnohem nižší proudy, takže kapacita baterie se často měří v miliampérhodinách (nebo nebo mAh). Jmenovitá kapacita (jak má být) je vždy uvedena na samotné baterii nebo na jejím obalu. Skutečná kapacita se však nemusí vždy shodovat s jmenovitou kapacitou. V praxi se skutečná kapacita baterie pohybuje od 80 % do 110 % jmenovité hodnoty.

Specifická kapacita je poměr kapacity baterie k jejím rozměrům nebo hmotnosti.

Cyklus je jedna sekvence nabíjení a vybíjení baterie.

Paměťový efekt je ztráta kapacity baterie při jejím provozu. Projevuje se tendencí baterie přizpůsobit se pracovnímu cyklu, ve kterém baterie po určitou dobu pracovala. Jinými slovy, pokud baterii nabijete několikrát, aniž byste ji předtím úplně vybili, zdá se, že si „pamatuje“ svůj stav a příště se jednoduše nebude moci úplně vybít, takže se její kapacita sníží. S rostoucím počtem cyklů nabíjení a vybíjení se paměťový efekt stává výraznějším.

Za takových provozních podmínek dochází uvnitř baterie k nárůstu krystalů na desce (struktura baterií bude diskutována níže), které zmenšují povrch elektrody. U malých krystalických útvarů vnitřní pracovní látky je povrchová plocha krystalů maximální, a proto je také maximální množství energie uložené v baterii. Když se krystalické útvary během provozu zvětší, povrch elektrody se sníží a v důsledku toho se skutečná kapacita sníží.

Obrázek 1 ukazuje účinek paměťového efektu.

Obrázek 1 – Paměťový efekt.

Samovybíjení je samovolná ztráta nahromaděné energie baterií v průběhu času. Tento jev je způsoben redoxními procesy, ke kterým dochází spontánně a je vlastní všem typům baterií, bez ohledu na jejich elektrochemický systém. Pro kvantifikaci samovybíjení se používá množství energie ztracené baterií za určitou dobu, vyjádřené jako procento hodnoty získané bezprostředně po nabití. Samovybíjení je maximální během prvních 24 hodin po nabití, takže se odhaduje jak za první den, tak za první měsíc po nabití. Míra samovybíjení baterie do značné míry závisí na okolní teplotě. Když tedy teplota stoupne nad 100°C, samovybíjení se může zdvojnásobit.

2. Baterie: typy a původ

Vedoucí pozice na trhu výroby baterií zaujímají Japonsko, Tchaj-wan, Čína a Jižní Korea, které neustále zvyšují rozsah své „skromné“ přítomnosti na světovém trhu.

Na trhu jsou dnes desítky různých provedení baterií a každý výrobce se snaží dosáhnout optimální kombinace vlastností – vysoká kapacita, malé rozměry a hmotnost, výkon v širokém teplotním rozsahu a v extrémních podmínkách.

Studie zároveň ukazují, že více než 65 % uživatelů mobilních a přenosných technologií chce ještě kapacitnější baterie a jsou ochotni zaplatit spoustu peněz za možnost používat své „auto“ (nebo telefon) několik dní. bez dobíjení. Proto je ve většině případů nutné zakoupit kapacitnější baterii, než je ta, která je součástí sady.

Podle elektrochemického systému jsou baterie rozděleny do několika typů:

Olovo-kyselina (Sealed Lead Acid, SLA);

Nikl-kadmium (Ni-Cd);

hydrid niklu (Ni-MH);

Lithium-iontové (Li-Ion);

Lithiový polymer (Li-Pol);

Palivo.

Olověné baterie se v moderní přenosné elektronice již nepoužívají, a tak naši exkurzi začneme niklovými bateriemi, které se stále používají v bateriích do fotoaparátů, notebooků, videokamer a dalších zařízení.

Předchůdcem niklových baterií byly nikl-kadmiové (Ni-Cd) baterie, vynalezené již v roce 1899 švédským vědcem Waldmarem Jungnerem. Princip jejich fungování spočíval v tom, že nikl působí jako kladná elektroda (katoda) a kadmium jako záporná elektroda (anoda). Zpočátku se jednalo o otevřenou baterii, ve které šel kyslík uvolněný při nabíjení přímo do atmosféry, což bránilo vytvoření utěsněného pouzdra a ve spojení s vysokou cenou potřebného materiálu výrazně zpomalilo náběh sériové výroby. .