Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы: эффект памяти и восстановление

Эффект памяти в NiCd

В годы никель-кадмиевой архитектуры 1970-х и 1980-х годов проблемы с аккумуляторами связывали с так называемой «памятью». Этот термин происходит от «циклической памяти», когда NiCd-аккумулятор «запоминал», сколько энергии было потреблено во время предыдущих разрядов, и отдавал такое же количество в последующих. Если же требовалось больше энергии, напряжение резко падало. Эффект памяти возникал при перезарядке аккумулятора и устранялся с помощью импульсного заряда или полного цикла разряда.

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

Память возникает, когда NiCd-аккумулятор перезаряжается. Этот эффект можно устранить с помощью импульсного заряда, но эффективнее применить полный цикл разряда. На рисунке 1 изображён анод обычного NiCd-аккумулятора, образовавшаяся память и восстановленный анод.

Новый никель-кадмиевый элемент. Анод (отрицательный электрод) в новом состоянии. Гексагональные кристаллы гидроксида кадмия имеют поперечное сечение около 1 микрона, что обеспечивает большую площадь поверхности для электролита для максимальной производительности.

Элемент с кристаллическим образованием. Кристаллы выросли до 50-100 микрон в поперечном сечении, скрывая значительную часть активного материала от электролита. Зубчатые края и острые углы могут пробить сепаратор, что приведёт к усиленному саморазряду или короткому замыканию.

Восстановленный элемент. После импульсного заряда кристаллы уменьшаются до 3–5 микрон: почти 100% восстановление. Если только импульсный заряд неэффективен, требуются физические нагрузки или восстановление.

Рисунок 1: Образование кристаллов на никель-кадмиевом элементе.
Образование кристаллов происходит в течение нескольких месяцев, если аккумулятор перезаряжать и не поддерживать его в рабочем состоянии периодическими глубокими разрядами.

NiMH и уменьшенный эффект памяти

Современные никель-кадмиевые аккумуляторы больше не имеют циклической памяти, но страдают от кристаллообразования. Активный кадмиевый материал наносится на отрицательную пластину, и со временем образуется кристаллическое образование, которое уменьшает площадь поверхности и снижает производительность аккумулятора. На поздних стадиях острые края образующихся кристаллов могут проникать в сепаратор, вызывая высокий саморазряд, который может привести к короткому замыканию.

Когда в начале 1990-х годов появились никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы, их хвалили как не имеющие памяти, но это утверждение верно лишь отчасти. NiMH подвержены эффекту памяти, но в меньшей степени, чем NiCd. В то время как у NiMH есть только никелевая пластина, о которой нужно беспокоиться, NiCd также содержит отрицательный кадмиевый электрод, подверженный памяти. Это простое объяснение, почему NiMH менее подвержены памяти, чем NiCd.

Режим разряда и обслуживание

Кристаллические образования возникают, если никелевый аккумулятор оставлять в зарядном устройстве на несколько дней или многократно заряжать без периодического полного разряда. Поскольку большинство применений соответствуют этому шаблону использования, никель-кадмиевый аккумулятор требует периодического разряда до 1 вольта на элемент для продления срока службы. Цикл разряда/заряда как часть технического обслуживания, известный как тренировка, следует проводить каждые 1–3 месяца. Избегайте чрезмерной тренировки, так как это излишне изнашивает аккумулятор.

Если регулярная тренировка не выполняется в течение 6 месяцев или дольше, кристаллы становятся жёсткими, и полного восстановления разрядом до 1 вольта на элемент может быть недостаточно. Восстановление часто возможно путём применения вторичного разряда, который называется восстановлением (recondition). Восстановление — это медленный разряд, который разряжает аккумулятор примерно до 0,4 В/элемент и ниже.

Испытания, проведённые армией США, показывают, что никель-кадмиевый элемент необходимо разрядить как минимум до 0,6 В, чтобы эффективно разбить более стойкие кристаллические образования. Во время этого корректирующего разряда ток должен быть низким, чтобы минимизировать обратную зарядку элемента, поскольку никель-кадмиевый элемент может переносить лишь небольшую обратную зарядку элемента. На рисунке 2 показано напряжение аккумулятора во время разряда до 1 В/элемент, а затем вторичного разряда до 0,4 В/элемент.

Рисунок 2: Циклы тренировки и восстановления анализатора аккумуляторов
Восстановление восстанавливает NiCd аккумуляторы с трудноудаляемой памятью. Восстановление – это медленный, глубокий разряд до 0,4 В/элемент.

Восстановление и тренировочные циклы

Восстановление наиболее эффективно для омоложения аккумуляторов, которые не подвергались тренировке. Анализаторы аккумуляторов автоматически применяют цикл восстановления, если установленная пользователем целевая ёмкость не может быть достигнута только разрядом до 1 В/элемент. Хотя низкопроизводительные аккумуляторы часто можно полностью восстановить, высокий уровень саморазряда делает некоторые старые аккумуляторы непригодными для эксплуатации.

Авиационные NiCd-аккумуляторы

Большинство бортовых аккумуляторов в больших самолётах – это никель-кадмиевые аккумуляторы. Напоминая большой стартерный аккумулятор в транспортном средстве, эти аккумуляторы обслуживаются путём полного разряда и выдерживания каждого элемента при нулевом напряжении в течение 24 часов перед перезарядкой. Затем каждый элемент проверяется на правильное напряжение, а проверка ёмкости проводится с помощью полного цикла разряда/заряда перед повторной установкой в самолёт. Авиационные аккумуляторы соответствуют строгим графикам технического обслуживания.