Развитие никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Изобретенные Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) имели преимущества перед свинцово-кислотными батареями, однако материалы были дорогими. В 1932 году был достигнут прогресс в нанесении активных материалов на пористый никелированный электрод, а в 1947 году усовершенствовали поглощение газов во время зарядки, что привело к появлению герметичных NiCd аккумуляторов.

В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были лучшим выбором для раций двусторонней связи, оборудования экстренной медицинской помощи, профессиональных видеокамер и электроинструментов. В конце 1980-х годов сверхвысокоемкие никель-кадмиевые аккумуляторы всколыхнули мир, продемонстрировав емкость, которая была до 60 процентов выше, чем у стандартных никель-кадмиевых аккумуляторов. Этого удалось достичь благодаря размещению большего количества активного материала в элементе, но этот выигрыш был омрачен более высоким внутренним сопротивлением и меньшим количеством циклов разрядки/зарядки.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Стандартные никель-кадмиевые аккумуляторы остаются одними из самых прочных и устойчивых к повреждениям, и авиационная отрасль придерживается этой системы, но для долговечности они требуют надлежащего ухода. NiCd, а частично и NiMH, имеют эффект памяти, который приводит к потере емкости, если их периодически не разряжать. Кажется, что аккумулятор "помнит" предварительно отданную энергию, и как только установлен определенный режим, он не хочет отдавать больше. 

Согласно данным RWTH, Аахен, Германия (2018), стоимость никель-кадмиевых аккумуляторов составляет около 400 долларов США за кВт-ч. В таблице 1 перечислены преимущества и ограничения стандартных никель-кадмиевых аккумуляторов.

Никель-металлогидридные аккумуляторы (NiMH)

Исследования никель-металлогидридных аккумуляторов начались в 1967 году; однако нестабильность металлогидридной системы привела к разработке никель-водородной системы (NiH). Новые гидридные сплавы, открытые в 1980-х годах, в конечном итоге улучшили проблемы со стабильностью, и сегодня NiMH обеспечивает на 40 процентов более высокую удельную энергию, чем стандартный NiCd.

Никель-металлогидридные аккумуляторы не лишены недостатков. Этот аккумулятор более деликатный и сложный в зарядке, чем NiCd. С 20-процентным саморазрядом в течение первых 24 часов после зарядки и 10 процентами в месяц после этого, NiMH имеет один из самых высоких показателей в своем классе. Модификация гидридных материалов снижает саморазряд и уменьшает коррозию сплава, но это уменьшает удельную энергию. Аккумуляторы для электрической трансмиссии используют эту модификацию для достижения необходимой прочности и длительного срока службы.

Потребительские применения и Eneloop

NiMH стали одними из самых доступных аккумуляторных батарей для потребительского использования. Производители батарей, такие как Panasonic, Energizer, Duracell и Rayovac, осознали потребность в долговечных и недорогих аккумуляторных батареях и предлагают NiMH размеров AA, AAA и других. Производители батарей хотят переманить покупателей от одноразовых щелочных батарей к аккумуляторным.

Никель-металлогидридные аккумуляторы для потребительского рынка являются альтернативой неудачным многоразовым щелочным аккумуляторам, которые появились в 1990-х годах. Ограниченный срок службы и плохие нагрузочные характеристики помешали их успеху.

В таблице 2 сравниваются удельная энергия, напряжение, саморазряд и время работы аккумуляторов. Доступные в размерах AA, AAA и других, эти элементы можно использовать в портативных устройствах, разработанных для этих стандартов. Несмотря на то, что напряжение элементов может отличаться, конечное напряжение разряда является общим и обычно составляет 1 В/элемент. Портативные устройства имеют определенную гибкость в отношении диапазона напряжений. Важно не смешивать элементы и всегда использовать один и тот же тип батарей в держателе. Проблемы безопасности и несовместимость напряжения препятствуют продаже большинства литий-ионных аккумуляторов форматов AA и AAА.

Высокий уровень саморазряда постоянно вызывает беспокойство у потребителей, пользующихся аккумуляторными батареями, а никель-металлогидридные батареи ведут себя как дырка в баскетбольном мяче или велосипедной шине. Фонарик или портативное развлекательное устройство с никель-металлогидридным аккумулятором «разряжается», если его убрать всего на несколько недель. Необходимость заряжать устройство перед каждым использованием не устраивает многих потребителей, особенно это касается фонариков, которые находятся в режиме ожидания на случай отключения электроэнергии; щелочные батареи сохраняют заряд в течение 10 лет.

Никель-металлогидридный аккумулятор Eneloop от Panasonic и Sanyo снизил саморазряд в шесть раз. Это означает, что заряженный аккумулятор можно хранить в шесть раз дольше, чем обычный никель-металлогидридный, прежде чем понадобится его перезарядка. Недостатком Eneloop по сравнению с обычным никель-металлогидридным аккумулятором является несколько более низкая удельная энергия.

В таблице 3 суммированы преимущества и ограничения промышленных никель-металлогидридных аккумуляторов. В таблице не учтены Eneloop и другие потребительские бренды.

Никель-железо (NiFe)

После изобретения никель-кадмия в 1899 году, швед Вальдемар Юнгнер попытался заменить железо кадмием, чтобы сэкономить деньги; однако низкая эффективность заряда и газообразование (образование водорода) побудили его отказаться от разработки, не получив патент.

В 1901 году Томас Эдисон продолжил разработку никель-железных аккумуляторов в качестве замены свинцово-кислотным для электромобилей. Он утверждал, что никель-железные аккумуляторы, погруженные в щелочной электролит, «намного превосходят аккумуляторы, использующие свинцовые пластины в серной кислоте». Он рассчитывал на развитие рынка электромобилей, но проиграл, когда его захватили автомобили с бензиновым двигателем. Его разочарование возросло, когда автомобильная промышленность начала использовать свинцово-кислотные аккумуляторы в качестве стартера, освещения и зажигания (SLI) вместо никель-железных.

Эдисон пропагандировал никель-железные батареи как более легкие и чистые, чем свинцово-кислотные. Более низкие эксплуатационные расходы должны были компенсировать более высокую первоначальную стоимость. Примерно в 1901 году Эдисон осознал потребность в электромобиле. Он сказал, что к аккумулятору следует относиться так же бережно, как к лошади или железнодорожному локомотиву.

Никель-железный аккумулятор (NiFe) использует оксид-гидроксидный катод и железный анод с электролитом из гидроксида калия, что создает номинальное напряжение элемента 1,20 В. NiFe устойчив к перезаряду и переразряду и может работать более 20 лет в режиме ожидания. Устойчивость к вибрациям и высоким температурам сделала NiFe предпочтительным аккумулятором для горнодобывающей промышленности в Европе, во время Второй мировой войны аккумуляторы питали немецкие летающие бомбы V-1 и ракеты V-2. Другие области применения - железнодорожная сигнализация, вилочные погрузчики и стационарное оборудование.

NiFe имеет низкую удельную энергию около 50 Вт·ч/кг, плохие низкотемпературные характеристики и высокий саморазряд – 20–40 процентов в месяц. Это, вместе с высокой стоимостью производства, побудило промышленность оставаться верной свинцово-кислотным аккумуляторам.

Внедряются усовершенствования, и NiFe становится жизнеспособной альтернативой свинцово-кислотным аккумуляторам в автономных системах питания. Технология карманных пластин снизила саморазряд; аккумулятор практически не подвержен чрезмерному и недостаточному заряду и должен служить более 50 лет. Для сравнения, свинцово-кислотные аккумуляторы глубокого цикла в режиме циклической разрядки/зарядки (CRC) служат менее 12 лет. NiFe стоит примерно в четыре раза дороже свинцово-кислотных, а по цене сравним с литий-ионными.

Никель-железные аккумуляторы используют капельный заряд, подобный NiCd и NiMH. Не используйте заряд постоянным напряжением, как в случае со свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами, а позвольте напряжению свободно колебаться. Подобно никелевым аккумуляторам, напряжение элемента начинает падать при полном заряде, поскольку внутренний газ накапливается, а температура повышается. Избегайте перезарядки, так как это приводит к испарению воды и высыханию. Используйте только капельный заряд, чтобы компенсировать саморазряд.

Низкую емкость часто можно улучшить, применяя высокий ток разряда, до трех раз превышающий скорость разряда (C-rate), в течение 30 минут. Убедитесь, что температура электролита не превышает 46˚C (115˚F).

Никель-цинк (NiZn)

Никель-цинковые аккумуляторы похожи на никель-кадмиевые тем, что используют щелочной электролит и никелевый электрод, но отличаются напряжением; NiZn обеспечивает 1,65 В/элемент, а не 1,20 В, как NiCd и NiMH. NiZn заряжается постоянным током до 1,9 В/элемент и не выдерживает поддерживающего заряда. Удельная энергия составляет 100 Вт·ч/кг и может выдержать 200–300 циклов. NiZn не содержит тяжелых токсичных материалов и может быть легко переработан. Некоторые варианты доступны в формате элементов типа AA.

В 1901 году Томас Эдисон получил патент США на систему перезаряжаемых никель-цинковых аккумуляторов, которая устанавливалась в железнодорожных вагонах между 1932 и 1948 годами. NiZn имел высокий саморазряд и короткий срок службы, вызванные ростом дендритов, что часто приводило к короткому замыканию. Усовершенствования электролита уменьшили эту проблему, и NiZn снова рассматривается для коммерческого использования. Низкая стоимость, высокая выходная мощность и хороший рабочий диапазон температур делают этот химический состав привлекательным.

Никель-водородный (NiH)

Когда исследования никель-металлогидридных батарей начались в 1967 году, проблемы с нестабильностью металлов привели к сдвигу в сторону разработки никель-водородных аккумуляторов (NiH). NiH использует стальной контейнер для хранения водорода под давлением 8270 кПа (1200 фунтов на квадратный дюйм). Элемент содержит твердые никелевые электроды, водородные электроды, газовые экраны и электролит, которые инкапсулированы в сосуде под давлением.

Номинальное напряжение элемента NiH составляет 1,25 В, а удельная энергия — 40–75 Вт·ч/кг. Преимуществами являются длительный срок службы даже при полных циклах разряда, хороший календарный срок службы благодаря низкой коррозии, минимальный саморазряд и превосходная температурная стойкость от –28°C до 54°C (от –20°F до 130°F). Эти свойства делают NiH идеальными для использования в спутниках. Ученые пытались разработать NiH-аккумуляторы для наземного использования, но низкая удельная энергия и высокая стоимость препятствовали этому стремлению. Один элемент для спутникового применения стоит тысячи долларов. Поскольку NiH заменил NiCd в спутниках, наблюдается движение к долговечным литий-ионным аккумуляторам.