RUSENG

Основные типы продукцииНаправления деятельностиПрименениеУслугиОформить заказ

Научно-Исследовательский проектно-конструкторский и технологический Аккумуляторный Институт

Контакты
Каталог
Компания
Главная
   

Никель-кадмиевые аккумуляторы И БАТАРЕИ НА ИХ ОСНОВЕ

Никель-кадмиевый аккумулятор (НК) является одним и старейших и наиболее хорошо изученных типов химических источников тока. Никель-кадмиевая химическая система была предложена в 1899 году Вальдемаром Джунгером, что в историческом смысле ставит НК на второе место после свинцово-кислотных аккумуляторов. Спустя сравнительно короткое время, НК аккумуляторы начали активно использоваться в различных областях индустрии, а после изобретения способа изготовления герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов (НКГ) последовало резкое улучшение эксплуатационных качеств, что еще более расширило границы применения НКГ.

Именно по этой причине, компания ОАО "НИАИ "Источник" специализируется на производстве НКГ аккумуляторов, обладающих высочайшими потребительскими характеристиками:

  • Отсутствие необходимости в обслуживании
  • Отсутствие выделения газа и электролита
  • Способность работать в любом положении
  • Устойчивость к тяжелым климатическим условиям
  • Механическая прочность и устойчивость к сверхзаряду
  • Большой срок службы (до 7 лет)
  • Высокая сохраняемость заряда и высокая стабильность характеристик.

Никель-кадмиевый аккумулятор состоит из двух рабочих электродов. В разряженном состоянии положительный электрод содержит гидрат закиси никеля, а отрицательный - гидроксид кадмия. Электроды и сепаратор имеют достаточно большую пористость и пропитаны водным раствором щёлочи.

Основная реакция, протекающая в аккумуляторе, описывается уравнением:

2 Ni (OH)2 +Cd (OH)2 2Ni OOH+Cd+H2O

Во время заряда из активной массы электродов в электролит выделяется вода, которая разбавляет электролит и увеличивает его объём. Во время разряда происходит обратный процесс.

В конце заряда на положительном электроде идёт побочная реакция выделения кислорода:

4 OH- O2 + 2 H2O +4e

Выделившийся на положительном электроде кислород ионизируется на отрицательном электроде.

Конструкция аккумуляторов и аккумуляторных батарей (АБ)

Электроды. В герметичных призматических никель-кадмиевых аккумуляторах применяются спечённые (металлокерамические) электроды, состоящие из подложки, выполненной из растяжной никелевой решётки, на которую нанесён высокопористый слой никеля. Пористый слой заполняется активной массой с помощью химической пропитки. В последнее время в качестве основы электродов стал применяться пеноникель, получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В пеноникель вмазывается активная электродная масса.

Аккумуляторы. Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах. Улотнение борнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощи резиновых колец. В качестве сепараторов используются ткани и нетканные материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона и других материалов. Могут комбинироваться несколько слоёв сепараторов из различных материалов.

В герметичных аккумуляторах ёмкость отрицательного электрода должна быть больше, чем ёмкость положительного. Экспериментально определяемое соотношение емкостей должно быть не менее 1,2. Такое соотношение позволяет избежать выделения водорода на отрицательном электроде.

В качестве электролита используются 20-40 % раствор КОН с добавкой LiOH. Конкретный состав электролита выбирается в зависимости от температуры при эксплуатации. Если аккумуляторы предназначены для работы при отрицательной температуре, то концентрацию КОН повышают, а содержание LiOH уменьшают до нуля. Улучшение работоспособности при повышенной температуре достигается использованием 20-30 процентный раствора КОН с добавкой 15-50 Г/л LiOH. Для герметичных аккумуляторов большое значение имеет правильный выбор количества электролита, что также определяется условиями эксплуатации аккумулятора. Для поглощения кислорода, выделяющегося при заряде, необходимо, чтобы часть порового пространства отрицательного электрода и сепаратора была свободна от электролита. При слишком большом количестве электролита поглощение кислорода замедляется, и аккумулятор во время заряда может деформироваться (при заряде по времени) или преждевременно отключиться от заряда при срабатывании сигнализатора давления. При недостаточном количестве электролита, особенно при малых токах заряда и повышенной температуре окружающей среды аккумулятор может попасть в так называемый «тепловой разгон», когда из-за повышенной скорости ионизации кислорода аккумулятор начинает разогреваться, в результате чего напряжение на нём снижается. При ещё большем уменьшении количества электролита это начинает сказывается на разрядных характеристиках аккумулятора. В различных типах аккумуляторов количество электролита колеблется от 2 до 4 см3/Ач. С увеличением концентрации электролита его плотность растёт, а объём уменьшается.

Батареи. Крепление аккумуляторов в батарее должно обеспечить отсутствие перемещения любого из них при механических перегрузках. Расположение герметичных аккумуляторов в пространстве произвольное, но вниз крышкой не рекомендуется, особенно для аккумуляторов с аварийным клапаном, т.к. в конце заряда часть электролита из блока электродов стекает на крышку аккумулятора. Межэлементные соединения должны быть рассчитаны на минимальные потери напряжения и не вызывать механических нагрузок на токовыводы аккумуляторов. Пайка непосредственно к корпусу или крышке аккумулятора не допускается. В батареях из герметичных аккумуляторов рекомендуется предусматривать выводы от каждого аккумулятора, выполняемые по двухпроводной схеме, при помощи которых осуществляется поэлементный доразряд и контроль за напряжением аккумуляторов. Если поэлементный контроль вызывает затруднения, то допускается контролировать напряжение на группах из 2-5 аккумуляторов. Напряжение на каждой группе должно контролироваться автоматическим устройством, прекращающем разряд при достижении предельно допустимого напряжения. Потребление устройства на собственные нужды должно быть минимальным при работе и равным нулю при хранении батареи в составе изделия. Значения уставок должны составлять:

  • для одного аккумулятора - (0,5 ± 0,4) В,
  • для двух аккумуляторов - (1,7 ± 0,3) В,
  • для трёх аккумуляторов - (2,8 ± 0,2) В,
  • для четырёх аккумуляторов - (3,8 ± 0,2) В,
  • для пяти аккумуляторов - (5,0 ± 0,2) В.

Если в батарее не более пяти аккумуляторов, контроль напряжения ведётся на выводах батареи. Если батарея не делится на одинаковое количество групп, то допустим перекрёстный контроль нескольких аккумуляторов соседними отключающими устройствами.

Обозначение аккумуляторов и батарей

В наименовании аккумуляторов буквы НК указывают на электрохимическую систему (никель-кадмиевая). Буква Г относятся к конструктивному исполнению аккумуляторов – герметичные. После букв через тире проставляют номинальную ёмкость аккумулятора. За значением номинальной ёмкости проставляются буквы, указывающие режим разряда: К – короткий (менее 1 часа), С – средний (2-8 ч), Д – длинный (10-20 ч). Буква А ставится в тех случаях, когда аккумулятор снабжён датчиком давления. Цифры перед буквенным обозначением аккумулятора соответствуют количеству аккумуляторов в батарее. В отдельных случаях в конце обозначения записывается климатическое исполнение и категория размещения.

С 1993 г. введён ГОСТ 26367.3-93 (МЭК 622-88) на герметичные призматические никель-кадмиевые аккумуляторы, являющийся прямым применением соответствующего стандарта МЭК, которым предусматриваются следующие обозначения аккумуляторов латинским шрифтом. Первая буква K относится к никель-кадмиевой электрохимической системе. Далее записывается одна из букв, обозначающих форму корпуса: С – призматический (герметичный), R - В - дисковый. После этого для герметичных призматических аккумуляторов указывается вид положительной пластины: Р - ламельная, S - спечённая (металлокерамическая). Затем для всех типов аккумуляторов записывается режим разряда: L – длительный, М – средний, Н – короткий, Х – сверхкороткий, после чего для призматических аккумуляторов указывается номинальная ёмкость, а для дисковых и цилиндрических – диаметр и высота (через дробь). Для дисковых аккумуляторов габариты указываются в десятых долях миллиметра. В конце обозначения записывают класс стойкости к воздействию температуры. Класс I – температура от –30 до 50 оС (без обозначения); класс II – от –40 до 60 оС ; класс III – от –60 до 60 оС.

Обозначение батареи состоит, как правило, из обозначения аккумулятора, перед которым стоит цифра, указывающая количество аккумуляторов в батарее. В конце иногда указывают климатическое исполнение батареи (например, 10НКГ-8К-В1). В некоторых случаях производитель даёт батарее условный индекс (например, 11МО1).

Способы заряда

Заряд аккумуляторов, как правило, проводится постоянным током, при этом аккумуляторам сообщается 105-150 % номинальной ёмкости. Ток заряда обычно составляет 0,1-0,3 Сн. Для герметичных аккумуляторов кроме контроля времени заряда применяется также контроль конечного напряжения заряда, внутреннего давления (при помощи сигнализаторов давления) и сообщенной ёмкости (при помощи электронных счётчиков ампер-часов). В некоторых случаях применяют датчики максимального напряжения, уставка срабатывания которых зависит от температуры и (или) тока заряда, или термореле, выдающие сигнал на отключение заряда при повышении температуры до заданного значения.

Хотя герметичные аккумуляторы дороже открытых и для первых требуется более сложное зарядное и контрольно-испытательное оборудование, эксплуатационные расходы для них меньше, чем для открытых аккумуляторов, так как для герметичных аккумуляторов не требуются устройства вентиляции и периодическая доливка электролита, что связано с содержанием дополнительного персонала.

Эффективность заряда зависит от температуры и тока заряда. С увеличением тока заряда напряжение заряда возрастает. Для герметичных аккумуляторов следует избегать условий, при которых напряжение заряда достигает значений 1,6 В, т.к. это способствует выделению водорода. Для аккумуляторов, предназначенных для коротких режимов разряда, с увеличением тока заряда разрядная ёмкость возрастает, а для аккумуляторов, предназначенных для средних режимов, проходит через максимум. Оптимальным является заряд при температуре 15-25 оС током 0,1-0,5 Сн . С повышением температуры заряда и снижением тока заряда отдаваемая при разряде ёмкость снижается и может составлять до 50-70 % от номинальной. В диапазоне температур 15-25 оС возможен заряд герметичных аккумуляторов при постоянном напряжении 1,45 – 1,50 В. При напряжениях выше 1,5 В заряд при постоянном напряжении не рекомендуется, т.к. в результате перегрева аккумуляторы могут быть перезаряжены. Перезаряд аккумуляторов при заряде их от источника с постоянным напряжением опасен в результате явления, получившего название «тепловой разгон». Суть его заключается в том, что когда аккумуляторы полностью заряжены, весь ток расходуется на выделение на положительном электроде кислорода, большая часть кислорода, в свою очередь, поглощается на кадмиевом электроде, в результате чего практически всё проходящее электричество превращается в тепло, и аккумулятор начинает быстро разогреваться. С повышением температуры напряжение аккумуляторов снижается, что приводит к повышению тока заряда и дальнейшему лавинообразному разогреву. Если при комнатной температуре «тепловой разгон» открытых аккумуляторов начинается при напряжениях, близких к 1,7 В, то после длительного перезаряда, сопровождавшегося перегревом, тепловой разгон может начинаться и при напряжении 1,3 В. Обычно это происходит в процессе длительного заряда при постоянном напряжении, когда в результате разогрева аккумулятора ток ионизации кислорода на отрицательном электроде возрастает настолько, что скорость прохода кислорода через сепаратор и скорость выхода кислорода из блока электродов становятся соизмеримыми. После нескольких циклов в таких условиях кадмиевый электрод пассивируется до такой степени, что при заряде на нём выделятся водород. Для герметичных аккумуляторов тепловой разгон может начаться при напряжениях ниже 1,7 В, поскольку в них весь выделяющийся при заряде кислород должен поглотиться внутри аккумулятора. Для того чтобы избежать теплового разгона следует размещать батарею вдали от источников тепла (двигатели, мощные приборы и т.п.), тщательно выбирать режим заряда, а сам заряд проводить на автоматизированных стендах, имеющих несколько уровней зашиты (по времени заряда, напряжению, току, по ёмкости и т.д.). Необходимо, чтобы погрешность стабилизации напряжения была не более ±1 %. При выборе напряжения заряда необходимо, чтобы после сообщения аккумулятору 110 – 150 % номинальной ёмкости значение зарядного тока не превышало 0,02 – 0,003 Сн А. Заряд при повышенных напряжениях можно использовать только при одновременном ограничении его длительности. При низкой температуре заряд при постоянном напряжении теряет свою эффективность из-за значительного снижения токов заряда.

При параллельном соединении батарей заряжать их надо через разделительные диоды или подключать каждую батарею к собственному зарядному устройству. Батареи не следует длительное время хранить в заряженном или полузаряженном состоянии (кроме, конечно, батарей хранения), т.к. из-за различия токов саморазряда аккумуляторов может появиться разбаланс по степени заряженности, что с одной стороны создаёт опасность перезаряда наиболее полно заряженных аккумуляторов, что снижает ёмкость батареи вследствие падения напряжения наиболее разряженных аккумуляторов. Разбаланс по уровню заряженности может привести к переполюсовке одного из аккумуляторов во время разряда и выделению на оксидно-никелевом электроде водорода, что может сопровождаться срабатыванием клапана или сигнализатора давления и даже деформацией герметичных аккумуляторов. Перед длительным хранением в разряженном состоянии рекомендуется доразрядить каждый аккумулятор на индивидуальные резисторы до напряжения не выше 0,1 В, что позволяет выровнять заряженность аккумуляторов.

Срок службы никель-кадмиевых батарей

Ресурс аккумуляторов определяется как их конструкцией, так и режимом эксплуатации. Если конкретный тип аккумулятора не имеет явных конструктивных недостатков, то определяющим фактором являются условия эксплуатации. В большинстве случаев циклирование аккумуляторов является наиболее часто употребимым способом их эксплуатации. Достаточно широкое распространение получило использование аккумуляторов в аварийных режимах, когда заряженные аккумуляторы большую часть времени хранятся в заряженном состоянии, как правило, при небольшом токе подзаряда, который компенсирует саморазряд аккумуляторов и небольшое снятие ёмкости при кратковременных подключениях аккумуляторов на нагрузку.

Работоспособность аккумуляторов при различных режимах циклирования

К основным параметрам режима эксплуатации относятся ток разряда, разрядная ёмкость, способ защиты от переразряда, ток заряда, способ защиты от перезаряда, температура. При разряде никель- кадмиевые аккумуляторы нагреваются, а в начале заряда до того как начнётся интенсивное выделение кислорода - охлаждаются.

Увеличение тока разряда и снижение температуры ведут к снижению среднего напряжения разряда и потере ёмкости, если защита от перезаряда основана на прекращении разряда при снижении напряжения до достаточно высокого уровня (выше чем 1 В на аккумулятор). Срок службы существенно зависит и от глубины разряда. Он уменьшается почти в 10 раз при её изменении от 10 до 70 %.

Снижение тока заряда ведёт к увеличению длительности заряда и уменьшению коэффициента использования тока, в результате чего снижается разрядная ёмкость, особенно, если температура заряда превышает 30 оС. Увеличение тока заряда также может приводить к снижению разрядной ёмкости, если заряд прекращается при достижении достаточно низкого напряжения (менее 1,5 В при 25 оС). КПД по энергии колеблется от 70 до 85 % и растёт при увеличении напряжения разряда, снижении напряжения заряда и увеличении КПД по току.

Срок службы герметичных аккумуляторов зависит также от сочетания значений конечного напряжения заряда и конечного напряжения разряда. Наибольшие потери ёмкости происходят при циклировании режимами, где заряд ограничивается низким напряжением (около 1,48 В), а разряд - высоким напряжением (1,10 - 1,16 В). Достаточно быстро снижается ёмкость и в тех случаях, когда заряд постоянно прекращается по срабатыванию сигнализатора давления, а глубина разряда находится на уровне 15 - 20 % с ограничением разряда по напряжению (не ниже 1,09 В). В этом случае кислород не успевает поглощаться, и избыточное давление в аккумуляторе находится на уровне 123 - 147 кПа, при этом увеличивается крутизна зарядных и разрядных кривых. Изменение характеристик связано с пассивацией активных масс электродов.

Снижение напряжения разряда может вызвано образованием в активной массе кадмиевого электрода интерметаллического соединения Ni5Cd21, которое разряжается при напряжении на аккумуляторе 1,05 – 0,95 В (так называемая «вторая площадка» или «эффект памяти»). Наиболее характерно образование этого сплава для электродов, полученных пропиткой спечённых основ. Образованию сплава способствуют заряды при повышенной температуре. Интерметаллическое соединение полностью разрушается при разряде аккумулятора до 0,8 – 0,5 В. Лучше всего проводить поэлементный разряд батареи на сопротивления, при этом напряжение каждого аккумулятора снижается до нуля вольт без опасности переполюсовки. После поэлементного доразряда ёмкость аккумуляторов восстанавливается до значений, близких к первоначальным.

Потери ёмкости уменьшаются при снижении конечного напряжения разряда с 1,16 до 1,04 В и увеличении конечного напряжения заряда с 1,48 до 1,54 В. Наибольшей стабилизации ёмкости можно добиться, уменьшив конечное напряжение разряда до 0,5-0,8 В. При дополнительном проведении периодических закорачиваний на сопротивления каждого аккумулятора батареи до нуля вольт ёмкость может даже увеличиться по сравнению с начальной

Работоспособность аккумуляторов при подзаряде

В режиме длительного подзаряда используются в основном призматические аккумуляторы. Срок эксплуатации в зависимости от тока подзаряда составляет от 2 до 15 лет и более. Оптимальным является ток, численно равный 0,001 - 0,005 Сн А. При увеличении тока подзаряда срок службы и надёжность сокращаются. При эксплуатации в режиме подзаряда типы отказов те же, что и при циклировании, но их интенсивность ниже.

На первом разряде после длительного подзаряда напряжение батареи несколько ниже, чем у свежезаряженных, но после нескольких циклов оно быстро возвращается к нормальному уровню. Снижение напряжения разряда после длительного подзаряда связано с уменьшением уровня заряженности положительного электрода.

Ёмкость аккумулятора после 10 лет подзаряда до 25 %, а после 16 лет - до 35 % выше начальной, что свидетельствует об увеличении ёмкости положительного электрода. При определении ёмкости электродов в избытке электролита в негерметичном виде установлено, что ёмкость положительного электрода возросла на 58 - 70 %, а ёмкость отрицательных электродов на 10 - 13 %. Ёмкость отрицательного электрода падает. После длительного подзаряда практически весь избыток ёмкости отрицательного электрода находится в заряженном состоянии, поэтому на разряде ёмкость аккумулятора ограничивается не положительным электродом, как в начале срока службы, а обоими электродами сразу. Напряжение заряда аккумуляторов после 10 лет подзаряда находится на обычном уровне и не превышает 1,5 В. После 16 лет подзаряда на контрольном цикле напряжение заряда повышается до 1,55 - 1,58 В, а у трети аккумуляторов оно достигает 1,6 - 1,7 В, причём, повышение с 1,55 до 1,65 В происходит в конце заряда, что также является следствием избыточной заряженности отрицательного электрода. Причины этих явлений те же, что и при циклировании аккумуляторов.

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы нашего производства нашли самое широкое применение в космической, военной, общепромышленной и бытовой технике.

В настоящее время, ОАО «НИАИ Источник» является единственным в России разработчиком и одновременно изготовителем герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей для космических аппаратов. Нами выпускается 10 типов аккумуляторов НКГ, которые применяются в 21 батареях, работающих и работавших на таких космических аппаратах, как:

  • Международная космическая станция
  • Орбитальные станции «Мир», «Салют» и «Алмаз».
  • Межпланетные станции «Марс», «Венера» и «Вега»
  • Спутники серий «Метеор», «Молния», «Астрон», «Надежда» и «Космос».

 Кроме того, аккумуляторы типа НКГ применяются в наземных установках ракетных войск стратегического назначения, на кораблях, подводных лодках и прочих объектах, где требуется обеспечение энергий вне зависимости от обстоятельств.

Руководитель отдела никель-кадмиевых аккумуляторов,

кандидат технических наук,

Борисов Б. А.