Nikkel-cadmium batteri (NiCd) - sekundær kemisk strømkilde , hvor katoden er nikkelhydroxid Ni (OH) 2 med grafitpulver (ca. 5-8%), elektrolytten er kaliumhydroxid KOH med en densitet på 1,19-1,21 med tilsætningen lithiumhydroxid LiOH (til dannelse af lithiumnikkelater og en forøgelse af kapaciteten med 21-25%), er en anode cadmiumhydroxid Cd (OH) 2 eller cadmiummetal Cd (i pulverform).
EMF af et nikkel-cadmium batteri er omkring 1,37 V, den specifikke energi er omkring 45-65 W h / kg. Afhængigt af design, driftstilstand (lange eller korte afladninger) og renheden af de anvendte materialer er levetiden fra 100 til 900 opladnings-afladningscyklusser. Moderne (lamel) industrielle nikkel-cadmium batterier kan holde op til 20-25 år. Nikkel-cadmium (NiCd) batterier, sammen med nikkel-salt batterier , kan opbevares afladet, i modsætning til nikkel-metalhydrid (NiMH) og lithium-ion (Li-ion) batterier , som skal opbevares opladet.
I 1899 opfandt Waldmar Jungner fra Sverige nikkel-cadmium-batteriet, som brugte nikkel som den positive elektrode og cadmium som den negative elektrode. To år senere foreslog Edison et alternativt design, der erstattede cadmium med jern. På grund af de høje omkostninger (sammenlignet med tørre eller blysyrebatterier) har den praktiske anvendelse af nikkel-cadmium- og nikkel-jern-batterier været begrænset.
Siden opfindelsen af den pressede anode i 1932 af Schlecht og Ackermann er der foretaget mange forbedringer, hvilket har resulteret i højere belastningsstrøm og øget holdbarhed. Det velkendte forseglede nikkel-cadmium-batteri blev i dag først tilgængeligt efter Neumanns opfindelse af den fuldt forseglede celle i 1947.
Princippet om drift af nikkel-cadmium-batterier er baseret på en reversibel proces:
2NiOOH + Cd + 2H 2 O ↔ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 E 0 = 1,37 V.
Nikkelelektroden er en pasta af nikkelmetahydroxid blandet med et ledende materiale og aflejret på et stålnet, og cadmiumelektroden er et stålnet med svampet cadmium presset ind i det . Mellemrummet mellem elektroderne er fyldt med en gelélignende sammensætning baseret på våd alkali, som fryser ved -27°C [1] . Individuelle celler samles til batterier med en specifik energi på 20-35 Wh/kg og en lang levetid - flere tusinde opladnings-afladningscyklusser.
I øjeblikket er brugen af nikkel-cadmium-batterier meget begrænset af miljømæssige årsager, så de bruges kun, hvor brugen af andre systemer er umulig, nemlig i enheder, der er karakteriseret ved høje afladnings- og ladestrømme. Et typisk flyvende modelbatteri kan oplades på en halv time og aflades på fem minutter. På grund af den meget lave indre modstand bliver batteriet ikke opvarmet, selv ved opladning ved høj strøm. Først når batteriet er fuldt opladet, begynder en mærkbar opvarmning, som bruges af de fleste opladere som et signal om afslutning af opladningen. Strukturelt er alle nikkel-cadmium-batterier udstyret med et holdbart forseglet kabinet, der kan modstå det indre tryk fra gasser under barske driftsforhold.
Afladningscyklussen starter ved 1,35 V og slutter ved 1,0 V (henholdsvis 100 % kapacitet og 1 % resterende kapacitet)
Elektroderne på nikkel-cadmium-batterier fremstilles både ved stempling fra et ark og ved presning af et pulver. Pressede elektroder er mere teknologisk avancerede, billigere at fremstille og har højere driftskapacitet, og derfor har alle husholdningsbatterier pressede elektroder. Pressede systemer er dog underlagt den såkaldte " hukommelseseffekt ". Hukommelseseffekten opstår, når et batteri oplades, før det rent faktisk løber tør. Et "ekstra" elektrisk dobbeltlag optræder i batteriets elektrokemiske system, og dets spænding falder med 0,1 V. En typisk styring af en enhed, der bruger et batteri, fortolker dette fald i spændingen som en fuldstændig afladning af batteriet og rapporterer, at batteriet er "dårligt". Der er ingen reel reduktion i strømforbruget, og en god controller kan sikre, at batterikapaciteten udnyttes fuldt ud. Men i et typisk tilfælde beder controlleren brugeren om at udføre flere og flere opladningscyklusser. Og dette fører til det faktum, at brugeren med de bedste hensigter "dræber" batteriet med egne hænder. Det vil sige, vi kan sige, at batteriet fejler ikke så meget fra "hukommelseseffekten" af pressede elektroder, men fra "glemsomhedseffekten" af billige controllere.
Et husholdnings nikkel-cadmium-batteri, afladet og opladet med svage strømme (for eksempel i en fjernbetjening til tv ), mister hurtigt kapacitet, og brugeren anser det for at være ude af drift. På samme måde vil et batteri, der har været opladet i lang tid (for eksempel i et uafbrydeligt strømforsyningssystem), miste kapacitet, selvom dets spænding vil være korrekt. Det vil sige, at du ikke kan bruge et nikkel-cadmium-batteri i buffertilstand. En dybdeafladningscyklus og efterfølgende opladning vil dog genoprette batterikapaciteten fuldt ud.
Under opbevaring mister NiCd-batterier også kapacitet, selvom de bevarer udgangsspændingen. For at undgå forkert sortering ved udtagning af batterier fra lager, anbefales det at opbevare dem i en afladet form - så er batterierne efter første opladning helt klar til brug.
For at aflade batteriet helt og udligne spændingerne på hvert afladet element, kan du tilslutte en kæde af to siliciumdioder og en modstand til hvert element, og derved begrænse spændingen til 1-1,1 V pr. element. I dette tilfælde er spændingsfaldet over hver siliciumdiode 0,5-0,7 V, så det er nødvendigt at vælge dioder til kæden manuelt ved hjælp af for eksempel et multimeter.
Efter langtidsopbevaring af batteriet er det nødvendigt at udføre to eller tre opladnings-/afladningscyklusser med en strøm numerisk lig med den nominelle kapacitet (1C), så det går i driftstilstand og fungerer med fuld effektivitet.
Små nikkel-cadmium-batterier bruges i forskelligt udstyr som erstatning for en standard galvanisk celle , især hvis udstyret bruger høj strøm. Da den interne modstand i et nikkel-cadmium-batteri er en til to størrelsesordener lavere end den for konventionelle mangan-zink- og mangan-luft-batterier, leveres strømmen mere stabil og uden overophedning.
Nikkel-cadmium-batterier bruges i elbiler (som trækkraft), sporvogne og trolleybusser (til at drive kontrolkredsløb), flod- og søfartøjer. De er meget udbredt i luftfarten som batterier om bord til fly og helikoptere. De bruges som strømkilder til selvstændige skruetrækkere/skruetrækkere og boremaskiner , dog er der en tendens til at erstatte dem med højstrømsbatterier af forskellige lithiumsystemer.
På trods af udviklingen af andre elektrokemiske systemer og stramning af miljøbestemmelser , er nikkel-cadmium-batterier fortsat det vigtigste valg for meget pålidelige enheder, der forbruger høj strøm, såsom dykkerlys .
Lang holdbarhed, relativt krævende i forhold til konstant pleje og kontrol, evnen til at arbejde stabilt i frost ned til -40°C og fravær af mulighed for antændelse ved trykaflastning sammenlignet med lithium, lav vægtfylde i sammenligning med bly og billighed i forhold til sølv-zink, mindre intern modstand, større pålidelighed og frostbestandighed i sammenligning med NiMH forårsager den stadig udbredte brug af nikkel-cadmium-batterier i militært udstyr, luftfart og bærbar radiokommunikation.
Nikkel-cadmium-batterier er også tilgængelige i et forseglet "tablet"-design, som urbatterier. Elektroderne i et sådant batteri er to pressede tynde tabletter af aktiv masse, foldet i en pose med en separator og en flad fjeder og rullet ind i en forniklet stålkasse med en møntdiameter. De bruges til at drive forskellige, for det meste laveffekt, belastninger (strøm C / 10-C / 5). Kun små ladestrømme er tilladt, ikke mere end C / 10, da rekombination af de frigivne gasser skal have tid til at ske inde i kabinettet. På grund af det lukkede design tillader de en lang genopladning med kontinuerlig rekombination og frigivelse af overskydende energi i form af varme. Spændingen af et sådant batteri er lavere end for et ikke-forseglet og ændrer sig lidt under afladningsprocessen på grund af et overskud af den aktive masse af katoden skabt for at accelerere rekombinationen af oxygen.
Diskbatterier (som regel i batterier af 3 stykker i en fælles skal, af en størrelse svarende til den sovjetiske D-0.06) blev meget brugt i personlige computere fremstillet i 1980-1990'erne, især PC -286/386 og tidlige 486, til strømforsyning af ikke-flygtig hukommelse med indstillinger og realtidsur, når lysnettet er slukket. Batterilevetiden i denne tilstand var flere år, hvorefter batteriet, i de fleste tilfælde loddet ind i bundkortet , skulle udskiftes. Med udviklingen af CMOS-teknologi og et fald i strømforbruget blev NVRAM- og RTC - batterier erstattet af lithium-engangsceller med en kapacitet på omkring 200 mAh ( CR2032 osv. ), installeret i låste stikkontakter og nemt udskiftet af brugeren, med en lignende periode med kontinuerlig drift.
I USSR var diskbatterier praktisk talt de eneste batterier, der var tilgængelige til almindeligt salg (bortset fra bilbatterier og senere NiCd AA-størrelse til 450 mAh). Foruden enkelte elementer blev der tilbudt et 9-volts batteri på syv D-0.1 batterier med et stik svarende til Krone , som dog ikke indgik i strømrummet på alle radioer, som det var beregnet til. Kun de enkleste opladere med en strømstyrke på C / 10 blev leveret, der opladede batteriet eller batteriet på cirka 14 timer (tiden blev kontrolleret af brugeren).
| Batterinavn | Diameter , mm | Højde, mm | Spænding, V | Kapacitet, Ah | Anbefalet afladningsstrøm, mA | Ansøgning |
|---|---|---|---|---|---|---|
| D-0,03 | 11.6 | 5.5 | 1.2 | 0,03 | 3 | kameraer , høreapparater |
| D-0,06 | 15.6 | 6.4 | 1.2 | 0,06 | 12 | kameraer , fotografiske eksponeringsmålere , høreapparater , dosimetre |
| D-0,125 | tyve | 6.6 | 1.2 | 0,125 | 12.5 | genopladelige elektriske lommelygter[ specificer ] , miniatureradioer |
| D-0,26 | 25.2 | 9.3 | 1.2 | 0,26 | 26 | genopladelige elektriske lommelygter, lommelygter , lommeregnere ( B3-36 ) |
| D-0,55 | 34,6 | 9.8 | 1.2 | 0,55 | 55 | nattesyn 1PN58 (en blok med fem D-0.55S), lommelygter , genopladelige elektriske lommelygter, lommeregnere ( B3-34 ) |
| 7D-0,125 | 8.4 | 0,125 | 12.5 | krone batteri udskiftning |
NiCd-batterier produceres af mange virksomheder, herunder så store internationale virksomheder som GP Batteries, Samsung (under Pleomax-mærket), VARTA , GAZ, Konnoc, Metabo, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial , Ansmann osv. Blandt andet Russiske producenter, kan man nævne NIAI (oprettet på grundlag af Central Battery Laboratory, 1946), Kosmos, CJSC Pilot Plant NIIKhIT, JSC NIIKhIT.
Afsmeltningen af NiCd-batterigenbrugsprodukter finder sted i ovne ved høje temperaturer, cadmium bliver ekstremt flygtigt under disse forhold, og hvis ovnen ikke er udstyret med et specielt fangstfilter, frigives giftige stoffer (f.eks. cadmiumdamp) til miljøet , forgiftning af de omkringliggende områder. Som følge heraf er bortskaffelsesudstyr dyrere end bortskaffelsesudstyr til blybatterier.