Svarkin-spb.ru

История появления никель-металлогидридных АКБ

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Никель-металлогидридные аккумуляторы являются одними из самых долгоживущих – в гибридных автомобилях Toyota Prius NiMH аккумуляторная батарея живет более 10 лет без замены.

В данном разделе книги вы познакомитесь с историей никель-металлогидридных аккумуляторов, их преимуществами и недостатками, внутренним устроством как самих аккумуляторов так и NiMH аккумуляторных батарей. Также вы сможете почитать несколько слов о правилах эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов.

История NiMH аккумуляторов


Исследования в области никель-металлогидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке (“дружественность” природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Для создателей электромобилей есть один большой облом: для использования в электромобилях NiMH батареи не продаются. Причина проста – корпорация Texaco выкупила долю патентодержателя на никель-металлогидридные батареи (фирмы Ovonics) у General Motors и теперь объединенная Texaco/Chevron не дает лицензий на производство аккумуляторных элементов большого размера до конца 2014 года (и кто же после этого скажет, что нет заговора нефтяных корпораций против электромобилестроения).

Вы можете сказать, что в Toyota Prius используется тяговый никель-металлогидридный аккумулятор. Это так, только Тойоте приходится идти на жертвы в виде высоковольтной аккумуляторной батареи с сотнями элементов для того, чтобы из малоемких аккумуляторов можно было собрать батарею с приемлемой токовой нагрузкой. Наградой за такие ухищрения стала аккумуляторная батарея емкостью 1,3КВт*ч – этого хватает только на 10км пробега.

До введения запрета на NiMH аккумуляторы достаточно большим успехом пользовался электромобиль Toyota RAV4 EV. Хотя из-за окончания производства больших аккумуляторов RAV4 EV перестали производить более 6 лет назад, до сих пор многие из этих электромобилей ездят на родных аккумуляторах.

Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов

Преимущества


  • бОльшая емкость — на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
  • меньшая выраженность эффекта “памяти” — циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
  • простая возможность транспортировки — авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
  • экологически безопасны — возможна переработка

Недостатки


  • ограниченное время жизни батареи — обычно около 500 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
  • эффект памяти — NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
  • Относительно малый срок хранения батарей — обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
  • Высокий саморазряд батарей
  • Ограниченная мощностная емкость — при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
  • Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
  • Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)

Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ

Современные никель-металлогидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлогидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлогидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлогидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлогидридного аккумулятора необходимо произвести несколько циклов “тренировочных” циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлогидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Читать еще:  Самые большие бескамерные покрышки (+фото)

Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, “выкипанию” электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлогидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлогидридной батареей большой емкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлогидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлогидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлогидридного аккумулятора будет максимальной.

Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлогидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлогидридных аккумуляторов.

Никель-металлогидридный аккумулятор

Никель-металлогидридный аккумулятор (Ni-MH или NiMH) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролитом — гидроксид калия, катодом — оксид никеля.

Содержание

История изобретения

Исследования в области технологии изготовления NiMH-аккумуляторов начались в 1970-е годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов. Однако, применяемые в то время металлогидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH-аккумуляторов застопорился. Новые металлогидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году. Начиная с конца 1980-х годов NiMH-аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии. Их разработчики отмечали, что для NiMH-технологий имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.

Параметры

  • Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): 300 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоёмкость: около — 60-72 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около — 150 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС: 1,25 В.
  • Рабочая температура: −60…+55 °C (−40… +55). [источник не указан 327 дней]
  • Срок службы: около 300—500 циклов заряда/разряда (многие производители указывают 1000 циклов). [источник не указан 327 дней]
  • саморазряд: до 100 % в год (у старых типов аккумуляторов).

Описание

У никель-металлогидридных аккумуляторов типа «Крона», как правило, начальное напряжение равно 8,4 В, затем напряжение постепенно снижается до 7,2 В, а затем, когда энергия аккумулятора исчерпывается, напряжение снижается быстро. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую ёмкость при тех же габаритах, но меньший срок службы — от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5—2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

NiMH-аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.

Читать еще:  Поездка в такси с детьми

Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1C (C — номинальная ёмкость), время заряда — 15—16 часов (типичная рекомендация производителя); максимальный допустимый ток — 0,3C — заявляется производителями. [ источник не указан 327 дней ]

Хранение

Аккумуляторы нужно хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 °C [1] . При хранении желательно регулярно (раз в 1—2 месяца) проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1 В [2] . Если же напряжение упало, необходимо зарядить аккумуляторы заново.

NiMH-аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металлогидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (англ. low self-discharge nickel-metal hydride battery , LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 года фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее [ когда? ] многие мировые производители представили свои LSD NiMH-аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трёх недель. Обычные NiMH-аккумуляторы теряют до 10 % ёмкости заряда в течение первых 24 часов после заряда, затем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5 % ёмкости в день. Для LSD NiMH этот параметр, как правило, находится в диапазоне от 0,04 % до 0,1 % ёмкости в день. [ источник не указан 327 дней ] Производители утверждают, [ источник не указан 327 дней ] что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

  1. Возможность работать с высокими токами разряда, которые могут на порядок превышать ёмкость аккумулятора. Из-за этой особенности LSD NiMH очень хорошо справляются с мощными фонарями, фотовспышками, радиоуправляемыми моделями и любыми другими мобильными устройствами, которые требуют отдачи большого тока.
  2. Высокий коэффициент устойчивости к морозам. При −20 °C — потеря номинальной мощности составляет не более 12 %, в то время как лучшие экземпляры [источник не указан 547 дней] обычных NiMH-аккумуляторов теряют порядка 20—30 %.
  3. Лучшее сохранение рабочего напряжения. Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения, характерного для Ni-MH — до 1,1 В, а предупреждение низкого питания наступает при 1,205 В.
  4. Большее время жизни: в 2—3 раза больше циклов заряда-разряда (до 1500 циклов) и лучше сохраняется ёмкость на протяжении жизни элемента.

Другим преимуществом NiMH-аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH) является то, что они обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление, чем обычные NiMH-батареи. Это сказывается весьма положительно в устройствах с высоким токопотреблением:

  • Более стабильное напряжение
  • Уменьшенное тепловыделение, особенно на режимах быстрого заряда/разряда
  • Более высокая эффективность
  • Способность к высокой импульсной токоотдаче (пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
  • Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (примеры: пульт дистанционного управления, часы).

Методы заряда

Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4—1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 0,9 до 1,4 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0—1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для предотвращения эффекта «памяти», метод заряда аккумуляторов переменным асимметричным током). [ источник не указан 327 дней ]

Контроль окончания заряда по изменению напряжения

Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5C — 1C). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.

Существует ещё так называемый «inflexion» — метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а изменение производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет минимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора ещё не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Контроль окончания заряда по изменению температуры

При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора — +60 °C.

Читать еще:  Как поменять руль

Расчет времени заряда

Для расчета времени заряда аккумулятора используется следующая формула: t = 1.3*(ёмкость аккумулятора / ток заряда)

История создания и развития Батарейки

Большинство историков считают, что разработка батареек началась в конце XVIII века. Теме не менее, сделан ряд археологических находок, на основании которых можно заключить, что этот процесс начался на 2000 лет раньше. В 1938 году Вильгельм Кёниг обнаружил в ходе раскопок на территории Ирака 13-сантиметровый глиняный кувшин. В нем оказался медный цилиндр, в который был вставлен стальной пруток. Кёниг пришел к выводу, что это – древняя батарейка.

История появления батареек неразрывно связана с разработкой устройств. Когда компания Eveready в конце 1950-х годов изобрела первые миниатюрные батарейки, популярность механических часов резко упала. Щелочные батарейки давали достаточно энергии, чтобы проложить путь портативным радиоприемникам, магнитолам и игрушкам, которые издавали звуки и мигали. С началом выпуска литиевых батареек с длительным сроком службы мы вступили в новый мир высокотехнологичных устройств от цифровых фотокамер до MP3-плееров и карманных персональных компьютеров.

1798 г. – итальянский физик граф Алессандро Вольта построил свой первый «вольтов столб». Примитивная батарея состояла из уложенных друг на друга спаренных медно-цинковых дисков, отделенных друг от друга картонными дисками, смоченными в соляном или кислом растворе.

1836 г. – Джон Фредерик Даниель, английский химик, повысил эффективность изобретения Вольта, разработав способ предохранять батареи Вольта от коррозии.

1868 г. – французский химик Жорж Лекланш разработал «жидкостный» элемент — предтечу «сухого» элемента или батареи для фонарика.

1888 г. – немецкий ученый доктор Карл Гасснер изобрел «сухой» элемент, во многом сходный с нынешними батарейками на основе углерода и цинка.

1896 г. – Национальная углеродная компания впервые в США выпустила в продажу сухую батарею Columbia. Впоследствии Национальная углеродная компания была переименована в Eveready Battery Company. Сегодня она известна под именем Energizer.

1898 г. – Конрад Губерт, основатель Eveready Battery Company, изобрел ручной электрический фонарик, который состоял из сухой батареи, лампочки и грубо отшлифованного рефлектора с латунным покрытием, помещенного в бумажную гильзу.

– компания Eveready выпустила первую батарейку типоразмера D для первого ручного электрического фонарика.

1955 г. – компания Eveready выпустила первые миниатюрные батарейки для слуховых аппаратов.

1956 г. – компания Eveready изготовила первую 9-вольтовую батарейку, которая в наше время используется, главным образом, в датчиках дыма.

1957 г. – компания Eveready выпустила в свободную продажу первую батарейку для наручных часов.

1958 г. – компания Eveready выпустила никель-кадмиевую (NiCd) аккумуляторную батарею Eveready®.

1959 г. – компания Eveready разработала первые коммерчески успешные цилиндрические щелочные батарейки, перевернувшие наши представления о портативных источниках питания. В Национальном музее естественной истории выставлен первый прототип щелочного элемента, изготовленный вручную научным сотрудником компании Energizer покойным Льюисом Урри.

1960 г. – компания Eveready изготовила первые миниатюрные серебряно-цинковые аккумуляторы для использования в слуховых аппаратах и наручных часах.

1989 г. – компания заняла Energizer ведущие позиции в отрасли по экологическим проектам, направленным на отказ от использования ртути при производстве батареек.

— компания Energizer первой выпустила в свободную продажу щелочную батарейку типоразмера AAAA.

1991 г. – впервые в мире выпущена в свободную продажу батарейка без ртути для слуховых аппаратов.

1992 г. – компания Energizer впервые в мире выпустила литиевую батарейку типоразмера AA. Energizer® e²®; Lithium® была признана самой долговечной в мире батарейкой для высокотехнологичных устройств.

1995 г. – компания Energizer выпустила первый прибор для проверки состояния батарей.

1997 г. – компания Energizer выпустила аккумуляторные никель-металлгидридные батарейки (NiMH) высокой мощности.

2000 г. – компания Energizer представила решение Energizer® e²® Titanium Technology®, которое за счет усовершенствованной компоновки элементов и использования титана позволяет обеспечить исключительно высокие характеристики и уровень надежности.

2001 г. – компания Energizer выпустила Energizer® EZ Change® – новый диспенсер под батарейки для слуховых аппаратов.

2003 – Energizer® выпустила первую литиевую батарейку типоразмера AAA – Energizer® e2® Lithium®;

2010 – Energizer® осуществляет ребрендинг всей упаковки бытовых батареек и фонарей; кроме того проводится обновление всех маркетинговых и коммуникационных материалов Energizer ® в сети Интернет и на физических носителях для того, чтобы донести до потребителей новую стратегию и дизайн бренда Energizer.

— Energizer® выпускает множество новых усовершенствованных батареек и осветительных устройств, в том числе Energizer® Inductive Charger и Qi.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector