Никель-кадмиевые аккумуляторы

Оглавление

Основные характеристики

Ёмкость аккумулятора: 45-65Вт

Циклы заряд-разряд

При соблюдении условий эксплуатации количество циклов доходит до 1000. Промышленные сохраняют работоспособность в течение 25 лет.

Никель-кадмиевые аккумуляторы могут стареть раньше из-за наличия эффекта памяти – при зарядке не полностью разряженной батарее, следующий разряд происходит до этого значения ёмкости. Перед зарядкой рекомендуется определить уровень заряженности элементов.

Тепловыделение

Небольшой нагрев снижает риск перегрева и увеличивает срок эксплуатации аккумулятора. Это обусловлено протекающими внутри эндотермическими химическими реакциями, поглощающими выделяемое тепло.

Рабочая температура:

Аккумулятор работает при большой амплитуде температур: от -50 до +40оС. корпус батареи:Обязательно герметичный и прочный.

По форме:

  • Плоский;
  • Кубический;
  • Цилиндрический.

На рынке существуют разные размеры батарей, наибольшей популярностью пользуются «банки».

Разновидности зарядных устройств для никель-кадмиевых аккумуляторов

Для восстановления емкости АКБ никель-кадмиевого типа используются 2 разновидности зарядных устройств:

  • автоматического типа;
  • импульсные реверсивные блоки.

Автоматический модуль оснащен гнездами соответствующего аккумуляторам размера. Такие устройства рассчитаны на 2 или 4 элемента, в конструкции блока предусмотрен переключатель, позволяющий выбрать количество заряжаемых изделий.

Зарядка аккумуляторов начинается после подключения блока к бытовой сети напряжением 230 В. Внутри модуля установлен понижающий трансформатор с выпрямительным каскадом, для отображения статуса зарядки применяется линейка светодиодов или многоцветный индикатор.

Размеры Ni-Cd аккумулятора.

Для индикации режима разряда применяется диод желтого цвета, после снижения емкости автоматически переходит в режим зарядки батарей. В процессе зарядки повышается температура корпуса батарейки, в блоке имеется датчик, который отключает подачу тока при достижении порогового значения.

Реверсивный зарядный блок относится к категории профессиональных изделий, отличается наличием микропроцессорного контроллера. Оборудование подает продолжительные , которые чередуются с кратковременным разрядом (время цикла изменяется в соответствии с установленным алгоритмом).

Оборудование позволяет поддерживать работоспособное состояние источника тока и продлевает срок службы Ni-Cd-батарей.

Виды АКБ для шуруповертов и их особенности

В современных аккумуляторных шуруповертах и дрелях используются три типа батарей:

  1. Никель-кадмиевые (NiCd, Ni-Cd).
  2. Никель-металлогидридные (Ni-MH или NiMH).
  3. Литий-ионные (Li-ion).

Рассмотрим особенности каждого из типов аккумуляторов подробно.

Никель-кадмиевые

Этот тип источников энергии, пожалуй, самый старый. Появились кадмиевые аккумуляторы в 70-х годах, и это был настоящий прорыв. По сравнению с кислотно-свинцовыми и щелочными батареями никелевые оказались намного компактнее при той же электрической емкости и имели умеренную цену.

Как и свинцово-кислотные, Ni-Cd элементы могут отдавать довольно большой ток в нагрузку и выдерживать до 1 000 циклов заряд/разряд. Причем такое количество циклов – всего лишь гарантия производителя. Фактически батарея продолжает служить и по достижении этой цифры.

Время зарядки Ni-Cd батареи в среднем составляет 6-8 часов, что, к сожалению, многовато, но все же меньше, чем у его кислотных и щелочных собратьев. Отличаются никелевые АКБ и своей «морозоустойчивостью» – они отлично работают при температурах до -20 градусов Цельсия. Дополнительно кадмиевая технология допускает глубокую разрядку, а срок службы батареи зависит в основном от количества циклов заряд/разряд. Храниться же такая батарейка может долго – до 7-8 лет.

Но есть у этого типа аккумуляторов и недостатки, причем существенные. Один из них – большой саморазряд, который может достигать 10% в месяц. Таким образом, если шуруповерт пролежал без дела, скажем, полгода, то перед использованием его придется зарядить.

Еще один недостаток – так называемый «эффект памяти». Если батарею постоянно подзаряжать, не разряжая в ноль, то она «запомнит», до какого уровня ее разряжали и по достижении этого порога просто откажется работать, “сказав”, что разряжена. Именно поэтому аккумуляторы данного типа нужно периодически «гонять» – полностью разряжать и тут же заряжать до 100%.

Никель-металлогидридные

Этот тип аккумуляторов появился чуть позже – в начале 90-х годов прошлого века. Ni-MH элементы обладают сходными с кадмиевыми характеристиками, но эффект памяти проявляется у них намного слабее (но все же проявляется) и, главное, в таких аккумуляторах отсутствует кадмий.

Ni-MH батарея аккумуляторов для шуруповерта

Никель-металлогидридная батарея способна отдавать приличный ток, хорошо работает на морозе, а ее саморазряд составляет те же 7-10% в месяц. Что касается стоимости, аккумуляторы этого типа несколько дороже кадмиевых, количество же циклов заряд/разряд, от которого зависит срок службы, составляет всего 300-500 раз, что является существенным минусом. Срок хранения таких элементов – 6-7 лет. Соотношение габариты/емкость, как и время заряда – до 8 часов, сходны с кадмиевыми. Металлогидридные элементы, как и кадмиевые, хорошо переносят глубокий разряд.

Литий-ионные

Li-Ion технология на сегодняшний день является передовой. Литиевые элементы намного компактнее и легче предыдущих при той же электрической емкости и, что очень удобно, могут заряжаться повышенным током. При этом время полной зарядки литий-ионных АКБ может быть сокращено до 1-2 часов.

Li-Ion батарея аккумуляторов для шуруповерта

Большим преимуществом батареек этого типа является и практически полное отсутствие эффекта памяти – инструмент можно подзаряжать когда угодно и до любого уровня. Саморазряд Li-Ion батарейки относительно невелик и составляет примерно 2-3% емкости в месяц.

Что касается недостатков, то до относительно недавнего времени это были высокие степени пожаро- и взрывоопасности. При неправильной эксплуатации батарея могла загореться, а то и взорваться. Причем горящий элемент практически невозможно потушить водой – это только усиливает горение.

Еще один серьезный недостаток элементов этого типа – они не терпят глубокого разряда и перезаряда. В первом случае АКБ тут же выходит из строя, во втором – может загореться. Но эту проблему тоже легко решили все тем же контроллером, который отключает элемент питания от нагрузки при критическом разряде и от зарядного устройства, если АКБ зарядилась.

Обычный ресурс Li-Ion батареек составляет 600 циклов заряд/разряд, но он также сильно зависит и от «возраста». Храниться литий-ионная АКБ может не более 2-3 лет независимо от того, работает она или просто лежит в столе.

Выбирая инструмент с такими элементами питания, следует учитывать, что они будут плохо вести себя на морозе (сильное снижение емкости, которая, впрочем, восстановится в тепле). В дополнение они не смогут отдать большой ток при любой температуре, а значит, не обеспечат большой крутящий момент, необходимый для работы с плотными материалами. И стоимость Li-Ion элементов намного выше, чем у никелевых собратьев.

Как восстановить Ni Cd аккумулятор

Никель кадмиевые источники питания в случае потери емкости можно практически полностью восстановить с помощью полного разряда (до 1 вольта на элемент) и последующего заряда в стандартном режиме. Такую тренировку аккумуляторов можно повторить несколько раз для наиболее полного восстановления их емкости.

В случае невозможности произвести восстановление АКБ путем разряда и заряда, можно попробовать их восстановить с помощью воздействия короткими токовыми импульсами (величиной в десятки раз больше емкости восстанавливаемого элемента) на протяжении нескольких секунд. Это воздействие устраняет внутреннее замыкание в элементах батареи, возникающее из-за нарастания дендритов путем их выжигания сильным током. Существуют специальные промышленные активаторы, которые осуществляют такое воздействие.

Полное восстановление первоначальной емкости таких батарей невозможно из-за необратимого изменения состава и свойств электролита, а также деградации пластин, но дает возможность продлить срок эксплуатации.

Методика восстановления в домашних условиях заключается в проведении следующих действий:

  • проводом сечением не менее 1,5 квадратных миллиметров соединяют минус восстанавливаемого элемента с катодом мощной батареи, например автомобильной или из UPS;
  • к аноду (плюсу) одной из батарей надежно прикрепляется второй провод;
  • на протяжении 3-4 секунд свободным концом второго провода быстро касаются свободной плюсовой клеммы (с частотой 2-3 касания в секунду). При этом необходимо не допускать приваривания проводов в месте соединения;
  • вольтметром производится проверка напряжения на восстанавливаемом источнике, при его отсутствии делается еще один восстановительный цикл;;
  • при появлении электродвижущей силы на АКБ, она ставиться на зарядку;

Кроме того, можно попытаться разрушить дендриты в АКБ путем их заморозки на 2-3 часа с последующим их резким отстукиванием. При замораживании дендриты становятся хрупкими и разрушаются от ударного воздействия, что теоретически может помочь избавиться от них.

Существуют и более экстремальные способы восстановления, связанные с добавлением дистиллированной воды в старые элементы путем высверливания их корпуса. Но полноценное обеспечение герметичности таких элементов в последующем очень проблематично. Поэтому не стоит экономить и подвергать здоровье риску отравления соединениями кадмия из-за выигрыша нескольких циклов работы.

Заряд никель металлогидридных аккумуляторов

Напряжение зарядки ni mh такое же, как и у никель-кадмиевых батарей. Зарядное устройство будет подавать на один элемент 1,5-1,6V. Ток заряда Ni Mh аккумуляторов может меняться от 0,1 до 1С. Но любой производитель бытовых батарей обязательно указывает на них свою рекомендацию этого параметра.  Рекомендация производителей составляет 0,1С.

Например для 2500mAh номинальный ток заряда Ni-Mh аккумуляторов составляет 250mA. Время заряда номинальным током 14 часов. По той же формуле. Ёмкость/ток заряда, результат умножить на 1,4. При таком режиме можно рассчитывать на заявленное производителем, количество циклов. При ускоренном режиме срок службы уменьшается.

Металлогидридные батареи плохо переносят:

  • перегрев;
  • глубокий разряд;
  • сильный перезаряд.

Перегрев может возникнуть при большом токе заряда, повышенном внутреннем сопротивлении. При сильном нагреве заряд следует прекратить. Глубокий разряд возникает при длительном неиспользовании элемента. При бездействии в течение года и более, аккумулятор, скорее всего, придётся заменить. Избыточный перезаряд случается при использовании зарядного устройства без функции отключения или неправильно просчитанном времени заряда.

Отличия никель-кадмия от литий-иона и никель-металлогидрида

NiCd, в отличие от своих оппонентов, обладает сильно выраженным эффектом памяти и более скромной удельной ёмкостью при идентичных габаритах.

Ni-Cd батареи менее прихотливы, стабильно работают при довольно низких температурах, намного более устойчивы к перезаряду и переразряду.

Li-Ion и Ni-Mh стоят дороже, но имеют меньшую степень саморазряда.

Литий-ионные изделия могут служить и храниться два-три года, а это в разы меньше по сравнению с NiCd, которые могут порадовать своих обладателей сроком службы до десяти лет.

Никель-кадмиевые аккумуляторы утрачивают ёмкость быстрыми темпами при функционировании в буферном режиме. В принципе, после таких недоразумений их можно полностью привести в себя посредством глубокого разряда и заряда. Самым лучшим вариантом будет не применять Ni-Cd электронакопители в девайсах, где происходит их постоянная подзарядка.

Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные батареи идентичны по режиму заряда, что даёт возможность применять одно и то же зарядное оборудование. Однако при этом нужно учитывать тот факт, что у Ni-Cd напокопителей энергии значительно больше выражен эффект запоминания.

Как видим, никель-кадмиевые АКБ в чём то переигрывают своих конкурентов, но в то же время, чем то и уступают им. В связи с этим, нельзя однозначно сказать какая разновидность аккумуляторов лучше — они все по своему хороши.

Заряд, разряд никель-кадмиевых аккумуляторных батарей

Процесс разряда

Разрядные параметры источника питания во многом зависят от конструктивных особенностей, характеристик электродов и токовыводов. Они же предопределяют величину напряжения и внутреннего сопротивления.

Разрядные параметры зависят от:

  • Особенности и структуры сепаратора.
  • Качества сборки.
  • Количества электролитического состава, которым заполнен корпус.
  • Прочее.

При продолжительном разряде nicd источника специалисты рекомендуют пользоваться дисковыми батарейками, который дополнены крупногабаритными прессованными выводами. Поэтому при небольшом увеличении тока емкость разрядная, а также напряжение снижается. Дабы оптимизировать этот показатель, толщину выводов уменьшают, численность увеличивают.

Максимальное значение емкости наблюдается при комнатной температуре. Дальнейшее повышение температуры не влияет на этот параметр. Отрицательная температура провоцирует снижение разрядного напряжения, повышение разрядного тока.

Использование шуруповертов, которые укомплектованы никель-кадмиевыми источниками питания, в зимний период требует осторожности

Зарядный процесс

В процессе зарядки ni cd аккумуляторов необходимо вводить ограничения по заряду. Ведь в процесс подзарядки внутри корпуса повышается давления, вырабатывается кислород, а коэффициент применения тока понижается.

Как заряжать ni cd батарею? Дабы полностью восстановить заряд, должна быть сообщена емкость в 150–160 процентов. Температурный диапазон – 0-+35 градусов. Если не учитывать температурный диапазон, то давление повысится. Через аварийный клапан будет выделяться кислородная смесь

Поэтому важно заранее определить, как правильно заряжать аккумуляторную батарею

Разряженный никель-кадмиевый аккумулятор заряжают в различных режимах. От того, какой режим выбран, зависит время зарядки.

  1. Током в 0,2 от общей емкости в течение 7 часов.
  2. Током в 0,3 от общей емкости не более 4 часов.

Заряжая агрегат в ускоренном режиме (током в 0,4 от имеющейся емкости), перезаряд запрещен, так как это повлечет уменьшение емкости. Устанавливать, до скольки заряжен источник питания, можно с помощью соответствующих устройств. При работе с токами применяется амперметр. Дабы определить количество вольт, используют вольтметр или мультиметр.

Сравнение аккумуляторных батарей, используемых для шуруповертов

Как же выбрать аккумулятор для шуруповерта? Для этого нужно учитывать целый ряд важных параметров.

Количество циклов заряда и разряда

В устройствах с Ni-Cd батареями этот параметр достигает 1000 циклов. Потому они занимают лидирующие позиции по этому показателю. При этом батареи Li-Ion допустимо заряжать и разряжать 600 раз, после чего требуется их замена.

Способность быстро заряжаться

При объемных работах мастера нередко пользуются 2 батареями. В такой ситуации имеет значение скорость зарядки. У никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей этот параметр составляет 4-8 часов. При этом литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться от получаса до 2 часов.

Стоимость

Самую доступную цену имеют никель-кадмиевые аккумуляторы. На втором месте находятся никель-металлогидридные батареи. Изделия Li-Ion считаются самыми дорогостоящими. Иногда их цена составляет половину стоимости самого шуруповерта.

Реакция на работу инструмента на полной мощности

При необходимости сделать отверстие в твердой поверхности требуется полная мощность шуруповерта. В такой ситуации он начинает активно потреблять заряд. Самыми мощными считаются Ni-Cd и Ni-Mh. При потребности в максимальной отдаче энергии стоит отдавать предпочтение именно им.

Эффект запоминания уровня заряда

Если аккумулятор разрядился не полностью и был поставлена на зарядку, остаточные показатели воспринимаются им как 0. Это состояние называют эффектом памяти. Он характерен для всех батарей, которые содержат никель. При этом литий-ионные модели лишены этого недостатка.

Саморазрядка

Иногда встречается ситуация, при которой шуруповерт не применялся, а затем внезапно потребовался. В таком случае может оказаться, что батарея саморазрядилась и нуждается в зарядке. Этот вариант считается не слишком удобным. Такая ситуация характерна для никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей. В первом случае показатель саморазрядки составляет 10 %, во втором — 7-10 % за месяц. У литий-ионных аккумуляторов он не превышает 3-5 %.

Аккумуляторы нужно вовремя заряжать

Размеры

Аккумуляторы крепятся к ручке шуруповерта. Их размерами определяется масса электроинструмента и комфортность его применения. Это актуально при длительной работе. Аккумуляторы на основе никеля считаются самыми тяжелыми.

Работа на морозе

Чаще всего этот электроинструмент применяют внутри зданий. Но периодически его приходится использовать на свежем воздухе или в помещениях без отопления. В этом случае нужно знать, что литий-ионные модели плохо выдерживают отрицательные температуры. Они быстро разряжаются или полностью отказывают.

Потому в таких условиях рекомендуется отдавать предпочтение аккумуляторам с никелем. Они отлично держат заряд и могут функционировать даже при температуре -20 градусов.

Отношение к полному разряду

Этот параметр сказывается на длительности применения устройства. Литий-ионные аккумуляторы запрещено до конца разряжать. Идеальным вариантом для хранения считается 40 % заряда. Аккумуляторы с никелем можно применять, пока электроинструмент полностью не прекратит вращение.

Предполагаемый срок службы

На длительность использования влияет частота и правильность эксплуатации. Самый длительный период служат литий-ионные батареи.

История

Первая никель-кадмиевая батарея была создана Вальдемаром Юнгнером из Швеции в 1899 году. В то время единственным прямым конкурентом была свинцово-кислотная батарея , которая была менее устойчивой физически и химически. После незначительных улучшений первых прототипов плотность энергии быстро увеличилась примерно до половины от плотности первичных батарей и значительно выше, чем у свинцово-кислотных батарей. Юнгнер экспериментировал с заменой кадмия железом в различных количествах, но обнаружил, что составы железа отсутствуют. Работа Юнгнера была в значительной степени неизвестна в Соединенных Штатах. Томас Эдисон запатентовал никель- или кобальт-кадмиевую батарею в 1902 году и адаптировал конструкцию батареи, когда представил никель-железную батарею в США через два года после ее создания Юнгнером. В 1906 году Юнгнер основал завод недалеко от Оскарсхамна, Швеция, по производству никель-кадмиевых аккумуляторов затопляемой конструкции.

В 1932 году активные материалы были осаждены внутри пористого никелированного электрода, а пятнадцать лет спустя началась работа над герметичной никель-кадмиевой батареей.

Первое производство в Соединенных Штатах началось в 1946 году. До этого момента батареи были «карманного типа», состоящие из никелированных стальных карманов, содержащих активные материалы никель и кадмий . Примерно в середине двадцатого века никель-кадмиевые аккумуляторы из спеченных пластин становились все более популярными. При плавлении никелевого порошка при температуре значительно ниже его точки плавления с использованием высокого давления образуются спеченные пластины. Сформированные таким образом пластины являются высокопористыми, около 80 процентов по объему. Положительные и отрицательные пластины изготавливаются путем пропитки никелевых пластин в никель- и кадмиево-активных материалах соответственно. Спеченные пластины обычно намного тоньше, чем карманные, что приводит к большей площади поверхности на единицу объема и более высоким токам. Как правило, чем больше площадь поверхности реактивного материала в батарее, тем ниже ее внутреннее сопротивление .

С 2000-х годов все потребительские никель-кадмиевые батареи используют конфигурацию желе-ролика .

Виды аккумуляторных батарей по типу применяемых материалов

Так как электричество накапливается в батареях в результате проходящих внутри химических реакций, то использование в конструкции материалов с разными свойствами, определяет и технические характеристики батарей. На самом деле, типов аккумуляторов много, но мы расскажем о наиболее часто встречающихся.

Никель-кадмиевый

Как можно догадаться из названия, в такой батарее участвуют два элемента — никель и кадмий.

Никель-кадмиевый элемент может быть самой разной формы

Электролитом здесь выступает раствор гидрохлорида калия, поэтому такие батареи называют щелочными. Сейчас они не так популярны, но до сих пор остаются одним из самых надёжных типов аккумуляторов. Свою популярность никель-кадмиевые батареи для шуруповёртов получили, в основном, у профессионалов. Это строители, монтажники, электрики, работающие в суровых условиях. Даже при отрицательных температурах никель-кадмиевый аккумулятор отлично держит заряд.

Из существенных плюсов можно выделить большое количество циклов зарядки-разрядки и отсутствие потери заряда при длительном простое. Из минусов можно отметить то, что, во избежание снижения со временем максимального объёма заряда, разряжать и заряжать такой тип батареи нужно полностью.

Ещё одна важная особенность, актуальная в последнее время — токсичность кадмия. То есть, после выхода батареи из строя, её необходимо правильно утилизировать

А это и лишние расходы, и пристальное внимание со стороны экологов. В некоторых странах запрещено использовать батареи с кадмием

Никель-металлгидридный

Принцип работы и состав батареи практически тот же, что и в никель-кадмиевой. Роль второго реагента выполняет водородный металлгидридный электрод. В качестве электролита также используется гидроксид калия. По сравнению с кадмиевыми батареями, эти обладают меньшей степенью памяти. То есть, можно заряжать даже частично разряженный аккумулятор. При равных с кадмиевой батареей размерах, общий объём заряда в этом виде больше. Но не рекомендуется использовать такие батареи при отрицательных температурах.

Так в разрезе выглядит никель-металлгидридный элемент питания

Литий-ионные батареи

Многие пользователи в память о никель-кадмиевых батареях и стараются соблюдать те же правила эксплуатации для литий-ионных. То есть, полностью разряжать и заряжать аккумулятор. Однако, в литий-ионных батареях эффект памяти практически отсутствует. Помимо этого, такой тип аккумуляторов показывает самый низкий саморазряд. По своей ёмкости литий-ионные батареи превосходят никель-кадмиевые в два раза. Сегодня такой тип батарей используется повсеместно — бытовые приборы, автомобили, инструменты, телефоны и ноутбуки. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы плохо переносят отрицательные температуры, они всё равно довольно востребованы.

Литий-ионные батареи могут быть любой формы, не обязательно цилиндрической

Литий-полимерный аккумулятор

Это одна из модификаций литий-ионной батареи. Просто в качестве электролита здесь используется полимерный материал. Такой подход позволяет изготавливать батареи практически любых форм, даже ультратонких, толщиной до 1 мм. Эффект памяти выражен слабо, саморазряд тоже низкий. При относительно небольшой массе, ёмкость заряда в разы выше других типов аккумуляторов. Чем же тогда литий-полимерные аккумуляторы при всех своих инновационных свойствах плохи? Дело в том, что при перегреве или перезаряде они могут воспламеняться. Естественно, что в батареи стараются встроить защитные механизмы. Кроме того, некоторые зарядные устройства используют специальный алгоритм для зарядки. Но, зачастую, в своём желании сэкономить, производители, особенно, частные, не всегда стараются вкладываться в новые технологии.

Литий-полимерные аккумуляторы могут быть облачены практически в любую форму

Где используются

Основные сферы применения Ni-Cd — оборудование, имеющее повышенные разрядные токи. Такой электротехнике NiCd накопители могут обеспечить стабильную мощность. Также они не перегреваются в процессе работы при максимальном токе.

Ni-Cd обслуживают разнообразный транспорт: троллейбусы, небольшие водные средства передвижения, электрокары.

До выхода на рынок литиевых источников энергии, кадмиевые АКБ широко использовались для обслуживания переносного инструмента, а также, в плоском исполнении внедрялись в ПК для питания независимой памяти. Нашёл своё место NiCd и в фотоаппаратах, фонариках, калькуляторах, устройствах для улучшения слуха.

Никель-кадмий способен длительное время храниться в разряженном состоянии и он не подвержен пагубному влиянию отрицательных температур. Низкое внутреннее сопротивление и низкая удельная масса, делают никель-кадмий весьма подходящим вариантом для питания бортовой сети летательных аппаратов и для обслуживания переносных радиостанций.

Сейчас, по причине ужесточения экологических требований большинство электробатарей популярных типоразмеров, таких как AA, AAA и других, производятся по Li-Ion и Ni-Mh технологиям. Но в то же время, довольно большое количество никель-кадмиевых АКБ различных типоразмеров выпущенных несколько лет назад, благополучно эксплуатируются и по сей день. Естественно, сейчас их также можно приобрести, причём, за довольно привлекательную сумму.