Розвиток нікель-кадмієвих та нікель-металогідридних акумуляторів

Нікель-кадмієві акумулятори (NiCd)

Винайдені Вальдемаром Юнгнером у 1899 році, нікель-кадмієві акумулятори (NiCd) мали переваги над свинцево-кислотними батареями, проте матеріали були дорогими. У 1932 році досягли прогресу у нанесенні активних матеріалів на пористий нікельований електрод, а в 1947 році вдосконалили поглинання газів під час заряджання, що призвело до появи герметичних NiCd акумуляторів.

Протягом багатьох років нікель-кадмієві акумулятори були кращим вибором для рацій двостороннього зв'язку, обладнання екстреної медичної допомоги, професійних відеокамер та електроінструментів. Наприкінці 1980-х років надвисокоємні нікель-кадмієві акумулятори сколихнули світ, продемонструвавши ємність, яка була до 60 відсотків вищою, ніж у стандартних нікель-кадмієвих акумуляторів. Цього вдалося досягти завдяки розміщенню більшої кількості активного матеріалу в елементі, але цей виграш був затьмарений вищим внутрішнім опором та меншою кількістю циклів розрядки/розрядки.

Акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Стандартні нікель-кадмієві акумулятори залишаються одними з найміцніших та найстійкіших до пошкоджень, і авіаційна галузь дотримується цієї системи, але для довговічності вони потребують належного догляду. NiCd, а частково й NiMH, мають ефект пам'яті, який призводить до втрати ємності, якщо їх періодично не розряджати. Здається, що акумулятор пам'ятає попередньо передану енергію, і як тільки встановлено певний режим, він не хоче віддавати більше. 

Згідно з даними RWTH, Аахен, Німеччина (2018), вартість нікель-кадмієвих акумуляторів становить близько 400 доларів США за кВт-год. У таблиці 1 перераховано переваги та обмеження стандартних нікель-кадмієвих акумуляторів.

Нікель-металгідридні акумулятори (NiMH)

Дослідження нікель-металгідридних акумуляторів розпочалися в 1967 році; однак нестабільність металгідридної системи призвела до розробки нікель-водневої системи (NiH). Нові гідридні сплави, відкриті в 1980-х роках, зрештою покращили проблеми зі стабільністю, і сьогодні NiMH забезпечує на 40 відсотків вищу питому енергію, ніж стандартний NiCd.

Нікель-металгідридні акумулятори не позбавлені недоліків. Цей акумулятор делікатніший і складніший у зарядці, ніж NiCd. З 20-відсотковим саморозрядом протягом перших 24 годин після заряджання та 10 відсотками на місяць після цього, NiMH посідає одне з найкращих місць у своєму класі. Модифікація гідридних матеріалів знижує саморозряд і зменшує корозію сплаву, але це зменшує питому енергію. Акумулятори для електричної трансмісії використовують цю модифікацію для досягнення необхідної міцності та тривалого терміну служби.

Споживчі програми та Eneloop

NiMH стали одними з найдоступніших акумуляторних батарей для споживчого використання. Виробники батарей, такі як Panasonic, Energizer, Duracell та Rayovac, усвідомили потребу в довговічних та недорогих акумуляторних батареях і пропонують NiMH розмірів AA, AAA та інших. Виробники батарей хочуть переманити покупців від одноразових лужних батарей до акумуляторних.

Нікель-металгідридні акумулятори для споживчого ринку є альтернативою невдалим багаторазовим лужним акумуляторам, які з'явилися в 1990-х роках. Обмежений термін служби та погані характеристики навантаження завадили їхньому успіху.

У таблиці 2 порівнюються питома енергія, напруга, саморозряд та час роботи акумуляторів. Доступні у розмірах AA, AAA та інших, ці елементи можна використовувати в портативних пристроях, розроблених для цих норм. Незважаючи на те, що напруга елементів може відрізнятися, кінцева напруга розряду є поширеною і зазвичай становить 1 В/елемент. Портативні пристрої мають певну гнучкість щодо діапазону напруги. Важливо не змішувати елементи та завжди використовувати один і той самий тип батарей у тримачі. Проблеми безпеки та несумісність напруги перешкоджають продажу більшості літій-іонних акумуляторів форматів AA та AAА.

Високий рівень саморозряду постійно викликає занепокоєння у споживачів, які користуються акумуляторними батареями, а нікель-металогідридні батареї поводять себе як дірка в баскетбольній м'ячі чи велосипедній шині. Ліхтарик або портативний розважальний пристрій з нікель-металогідридним акумулятором «розряджається», якщо його прибрати лише на кілька тижнів. Необхідність заряджати пристрій перед кожним використанням не влаштовує багатьох споживачів, особливо це стосується ліхтариків, які перебувають у режимі очікування через випадкові відключення електроенергії; лужні батареї зберігають заряд протягом 10 років.

Нікель-металогідридний акумулятор Eneloop від Panasonic та Sanyo знизив саморозряд у шість разів. Це означає, що заряджений акумулятор можна зберігати в шість разів довше, ніж звичайний нікель-металогідридний, перш ніж знадобиться його перезарядка. Недоліком Eneloop порівняно зі звичайним нікель-металогідридним акумулятором є дещо нижча питома енергія.

У таблиці 3 підсумовано переваги та обмеження промислових нікель-металгідридних акумуляторів. У таблиці не враховано Eneloop та інші споживчі бренди.

Нікель-залізо (NiFe)

Після винаходу нікель-кадмію в 1899 році, швед Вальдемар Юнгнер спробував замінити залізо кадмієм, щоб заощадити гроші; однак низька ефективність заряду та газоутворення (утворення водню) спонукали його відмовитися від розробки, не отримавши патент.

У 1901 році Томас Едісон продовжив розробку нікель-залізних акумуляторів як заміни свинцево-кислотних для електромобілів. Він стверджував, що нікель-залізні акумулятори, занурені в лужний електроліт, «набагато перевершують акумулятори, що використовують свинцеві пластини в сірчаній кислоті». Він розраховував на розвиток ринку електромобілів, але програв, коли його захопили автомобілі з бензиновим двигуном. Його розчарування зросло, коли автомобільна промисловість почала використовувати свинцево-кислотні акумулятори як заміну для стартера, освітлення та запалювання (SLI) замість нікель-залізних.

Едісон пропагував нікель-залізні батареї як легші та чистіші за свинцево-кислотні. Нижчі експлуатаційні витрати мали компенсувати вищу початкову вартість. Приблизно в 1901 році Едісон усвідомив потребу в електромобілі. Він сказав, що до акумулятора слід ставитися так само дбайливо, як до конячого чи залізничного локомотива.

Нікель-залізний акумулятор (NiFe) використовує оксидно-гідроксидний катод та залізний анод з електролітом гідроксиду калію, що створює номінальну напругу елемента 1,20 В. NiFe стійкий до перезаряду та перерозряду і може працювати понад 20 років у режимі очікування. Стійкість до вібрацій та високих температур зробила NiFe кращим акумулятором для гірничодобувної промисловості в Європі, під час Другої світової війни акумулятори живили німецькі літаючі бомби V-1 та ракети V-2. Інші способи використання - залізнична сигналізація, вилкові навантажувачі та стаціонарне обладнання.

NiFe має низьку питому енергію близько 50 Вт·год/кг, погані низькотемпературні характеристики та високий саморозряд – 20–40 відсотків на місяць. Це, разом із високою вартістю виробництва, спонукало промисловість залишатися вірною свинцево-кислотним акумуляторам.

Впроваджуються вдосконалення, і NiFe стає життєздатною альтернативою свинцево-кислотним акумуляторам в автономних системах живлення. Технологія кишенькових пластин знизила саморозряд; акумулятор практично не схильний до надмірного та недостатнього заряду та має служити понад 50 років. Для порівняння, свинцево-кислотні акумулятори глибокого циклу в режимі циклічного розряду/розряду (CRC) служать менше 12 років. NiFe коштує приблизно в чотири рази дорожче за свинцево-кислотні, а за ціною можна порівняти з літій-іонними.

Нікель-залізні акумулятори використовують поступовий заряд, подібний до NiCd та NiMH. Не використовуйте заряд постійною напругою, як у випадку зі свинцево-кислотними та літій-іонними акумуляторами, а дозвольте напрузі вільно коливатися. Подібно до нікелевих акумуляторів, напруга елемента починає падати при повному заряді, оскільки внутрішнього газу накопичується, а температура підвищується. Уникайте перезаряджання, оскільки це призводить до випаровування води та висихання. Використовуйте лише поступовий заряд, щоб компенсувати саморозряд.

Низьку ємність часто можна покращити, застосовуючи високий струм розряду, що до трьох разів перевищує швидкість розряду (C-rate), протягом 30 хвилин. Переконайтеся, що температура електроліту не перевищує 46˚C (115˚F).

Нікель-цинк (NiZn)

Нікель-цинкові акумулятори схожі на нікель-кадмієві тим, що використовують лужний електроліт та нікелевий електрод, але відрізняються напругою; NiZn забезпечує 1,65 В/елемент, а не 1,20 В, як це забезпечують NiCd та NiMH. NiZn заряджається постійним струмом до 1,9 В/елемент і не може витримувати підтримуючого заряду. Питома енергія становить 100 Вт·год/кг і може циклічно розряджатися 200–300 разів. NiZn не містить важких токсичних матеріалів і може бути легко перероблений. Деяка упаковка доступна у форматі елементів типу AA.

У 1901 році Томас Едісон отримав патент США на систему перезаряджаних нікель-цинкових акумуляторів, яка встановлювалася у залізничних вагонах між 1932 і 1948 роками. NiZn мав високий саморозряд і короткий термін служби, спричинені ростом дендритів, що часто призводило до короткого замикання. Удосконалення електроліту зменшили цю проблему, і NiZn знову розглядається для комерційного використання. Низька вартість, висока вихідна потужність і хороший робочий діапазон температур роблять цей хімічний склад привабливим.

Нікель-водневий (NiH)

Коли дослідження нікель-металгідридних батарей розпочалися в 1967 році, проблеми з нестабільністю металів призвели до зрушення в бік розробки нікель-водневих акумуляторів (NiH). NiH використовує сталевий контейнер для зберігання водню під тиском 8270 кПа (1200 фунтів на квадратний дюйм). Елемент містить тверді нікелеві електроди, водневі електроди, газові екрани та електроліт, які інкапсульовані в посудині під тиском.

Номінальна напруга елемента NiH становить 1,25 В, а питома енергія — 40–75 Вт·год/кг. Перевагами є тривалий термін служби навіть при повних циклах розряду, хороший календарний термін служби завдяки низькій корозії, мінімальний саморозряд та чудова температурна стійкість від –28°C до 54°C (від –20°F до 130°F). Ці властивості роблять NiH ідеальними для використання в супутниках. Вчені намагалися розробити NiH-акумулятори для наземного використання, але низька питома енергія та висока вартість перешкоджали цій прагненню. Один елемент для супутникового застосування коштує тисячі доларів. Оскільки NiH замінив NiCd у супутниках, спостерігається рух до довговічних літій-іонних акумуляторів.