Batteria ricaricabile ni-MH. Scopri cos'è una "batteria al nichel-metallo idruro" in altri dizionari. Per non sembrare stupido

Agenzia federale dall'istruzione

Istituzione educativa statale di istruzione professionale superiore

"UNIVERSITÀ POLITECNICA DI TOMSK"

Istituto Elettrotecnico

Direzione 551300 – Ingegneria elettrica, elettromeccanica e tecnologia elettrica

Dipartimento – Azionamento elettrico e apparecchiature elettriche

Abstract sulla disciplina

“Fonti di alimentazione elettrica garantita e ininterrotta per le imprese industriali”

sul tema BATTERIE ALL'IDRURO DI NICHEL-METALLO

Studenti del gruppo 7M142

Krupina N.V._______________

Kondrashov S.A._____________

«_____»________________

Professore primario, Dottore in Scienze Tecniche

Garganev A.G._______________

"_____"_____________2009

Tomsk – 2009

Introduzione

1. Terminologia

8. Ricarica della batteria Ni-MH

13. Smaltimento

Conclusione

Introduzione

Quasi impossibile da immaginare mondo moderno senza alcun tipo di apparecchiatura elettronica. Le tecnologie digitali si sono adattate così bene alle nostre vite, rendendole più convenienti e interessanti, che semplicemente non possiamo rifiutarle.

Non dobbiamo però dimenticare che per il funzionamento dei dispositivi mobili sono necessari alimentatori portatili in grado di soddisfare le esigenze sempre crescenti dell'elettronica moderna. Abbiamo guadagnato WiFi e Bluetooth, liberandoci dai cavi dati, ma rimaniamo ancora legati alle reti elettriche.

La scienza applicata, tuttavia, non si ferma, offrendo sempre più nuove tipologie di fonti elettriche. D’altra parte è ancora strano che, nonostante la presenza di così tante nuove tecnologie, le batterie dei nostri telefoni, smartphone, PDA e altri gadget continuino a scaricarsi. Ciò accade perché le persone pensano alla corretta gestione della batteria solo quando è completamente guasta e può essere smaltita in tutta tranquillità. Dovrebbe essere chiaro che la sostituzione di una batteria può costare un bel soldo. Non sosteniamo che a poche persone piaccia seguire rigorosamente le regole operative, ma sfortunatamente solo in questo modo è possibile massimizzare la durata della batteria.

Oggi sono comuni batterie con cinque diversi schemi elettrochimici: nichel-cadmio (Ni-Cd), nichel-metallo idruro (Ni-MH), piombo-acido (Sealed Lead Acid, SLA), ioni di litio (Li-Ion) e polimeri di litio (Li-Polymer). Il fattore determinante per tutte le batterie elencate non è solo la portabilità (ovvero volume e peso ridotti), ma anche l'elevata affidabilità, nonché la alla grande lavoro. I parametri principali di una batteria sono la densità energetica (o energia specifica in massa), il numero di cicli di carica/scarica, la velocità di carica e di autoscarica. Una batteria al piombo è solitamente costituita da due piastre (elettrodi) poste in un elettrolita (una soluzione acquosa di acido solforico). Una cella al nichel-cadmio ha piastre negative e positive arrotolate insieme e posizionate in un cilindro metallico. La piastra positiva è realizzata in idrossido di nichel mentre la piastra negativa è in idrossido di cadmio. Le due piastre sono isolate da un separatore inumidito con elettrolita.

Una batteria al nichel-metallo idruro è strutturalmente simile a una batteria al nichel-cadmio, ma ha un aspetto diverso composizione chimica elettrolita ed elettrodi. In una batteria agli ioni di litio, gli elettrodi e il separatore sono posti in un elettrolita di sale di litio.

Esistono molti miti e leggende sulla modalità operativa apparentemente ideale, sui metodi di "addestramento", sulla conservazione, sui metodi e sulle modalità di ricarica e ripristino delle batterie, ma proviamo a capirlo.

1.Terminologia

Una batteria (dal latino accumulatore - collettore, accumulo - raccolta, accumulo) è un dispositivo per immagazzinare energia ai fini del suo successivo utilizzo. La batteria elettrica si converte energia elettrica in chimico e, se necessario, provvede alla conversione inversa. La batteria si carica passando corrente elettrica. Come risultato delle reazioni chimiche causate, uno degli elettrodi acquisisce una carica positiva e l'altro una negativa.

Batteria come apparecchio elettrico, è caratterizzato dai seguenti parametri principali: sistema elettrochimico, tensione, capacità elettrica, resistenza interna, corrente di autoscarica e durata.

La capacità della batteria è la quantità di energia che dovrebbe avere una batteria completamente carica. Nei calcoli pratici, la capacità è solitamente espressa in ampere-ora (

). Il numero di amp-ora indica il periodo di tempo in cui una determinata batteria funzionerà con 1 amp di corrente. Vale la pena aggiungere, tuttavia, che in moderno dispositivi mobili vengono utilizzate correnti molto più basse, quindi la capacità della batteria viene spesso misurata in milliampere-ora (o o mAh). La capacità nominale (come dovrebbe essere) è sempre indicata sulla batteria stessa o sulla sua confezione. Tuttavia capacità reale non sempre coincide con il valore nominale. In pratica la capacità effettiva della batteria varia dall'80% al 110% del valore nominale.

La capacità specifica è il rapporto tra la capacità della batteria e le sue dimensioni o peso.

Un ciclo è una sequenza di carica e scarica di una batteria.

L'effetto memoria è la perdita di capacità della batteria durante il suo funzionamento. Si manifesta nella tendenza della batteria ad adattarsi al ciclo di lavoro in cui ha funzionato per un certo periodo di tempo. In altre parole, se si carica più volte una batteria senza prima scaricarla completamente, sembra che “ricordi” il suo stato e la prossima volta semplicemente non riuscirà a scaricarsi completamente, quindi la sua capacità diminuisce. All’aumentare del numero di cicli di carica-scarica, l’effetto memoria diventa più pronunciato.

In tali condizioni operative, all'interno della batteria si verifica un aumento dei cristalli sulla piastra (la struttura delle batterie verrà discussa di seguito), che riduce la superficie dell'elettrodo. Con piccole formazioni cristalline della sostanza di lavoro interna, la superficie dei cristalli è massima, quindi anche la quantità di energia immagazzinata dalla batteria è massima. Quando le formazioni cristalline diventano più grandi durante il funzionamento, la superficie dell'elettrodo diminuisce e, di conseguenza, la capacità effettiva diminuisce.

La Figura 1 mostra l'effetto dell'effetto memoria.

Figura 1 – Effetto memoria.

L'autoscarica è la perdita spontanea dell'energia immagazzinata da una batteria nel tempo. Questo fenomeno è causato da processi redox che avvengono spontaneamente, ed è inerente a tutti i tipi di batterie, indipendentemente dal loro sistema elettrochimico. Per quantificare l'autoscarica si utilizza la quantità di energia persa dalla batteria in un certo tempo, espressa in percentuale rispetto al valore ottenuto immediatamente dopo la ricarica. L'autoscarica è massima nelle prime 24 ore dopo la ricarica, quindi è stimata sia per il primo giorno che per il primo mese dopo la ricarica. La quantità di autoscarica della batteria dipende in gran parte dalla temperatura ambiente. Pertanto, quando la temperatura supera i 100°C, l'autoscarica può raddoppiare.

2. Pile: tipologie e provenienza

Le posizioni di leadership nel mercato della produzione di batterie sono occupate da Giappone, Taiwan, Cina e Corea del Sud, e la loro “modesta” presenza sul mercato mondiale aumenta costantemente.

Oggi sul mercato esistono dozzine di diversi modelli di batterie e ogni produttore sta cercando di ottenere la combinazione ottimale di caratteristiche: elevata capacità, dimensioni e peso ridotti, prestazioni in un ampio intervallo di temperature e in condizioni estreme.

Allo stesso tempo, gli studi dimostrano che oltre il 65% degli utenti di tecnologie mobili e portatili desidera batterie ancora più capienti e sono disposti a pagare molto denaro per poter utilizzare la propria “auto” (o telefono) per diversi giorni senza ricaricare. Ecco perché, nella maggior parte dei casi, è necessario acquistare una batteria più capiente di quella inclusa nel kit.

Secondo il sistema elettrochimico, le batterie sono suddivise in diversi tipi:

Piombo acido (piombo acido sigillato, SLA);

Nichel-cadmio (Ni-Cd);

Nichel metallico idruro (Ni-MH);

Ioni di litio (Li-Ion);

Polimero di litio (Li-Pol);

Carburante.

Nella moderna elettronica portatile batterie al piombo non vengono più utilizzate, quindi inizieremo la nostra escursione con le batterie al nichel, ancora utilizzate nelle batterie di macchine fotografiche, computer portatili, videocamere e altri dispositivi.

L'antenato delle batterie al nichel erano le batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd), inventate nel 1899 dallo scienziato svedese Waldmar Jungner. Il principio del loro funzionamento era che il nichel funge da elettrodo positivo (catodo) e il cadmio funge da elettrodo negativo (anodo). All'inizio si trattava di una batteria aperta, nella quale l'ossigeno rilasciato durante la carica si disperdeva direttamente nell'atmosfera, il che impediva la creazione di un involucro sigillato e, unito al costo elevato materiali necessari, l'inizio della produzione di massa è notevolmente rallentato.

Dal 1932 sono stati fatti tentativi per riprendere gli esperimenti. A quel tempo, fu proposta l'idea di introdurre all'interno un elettrodo di nichel poroso simile a una piastra fatto di metalli attivi, che garantirebbe un migliore movimento delle cariche e ridurrebbe significativamente i costi di produzione della batteria.

Ma solo dopo la seconda guerra mondiale (nel 1947) gli sviluppatori arrivarono a un design quasi moderno di batterie sigillate Ni-Cd. Con questo design, i gas interni rilasciati durante la carica venivano assorbiti dalla parte non reagita del catodo e non venivano rilasciati all'esterno, come nelle versioni precedenti.

Se per qualsiasi motivo (superiore corrente di carica, abbassando la temperatura), la velocità di formazione dell'ossigeno anodico sarà superiore alla velocità della sua ionizzazione catodica, quindi un forte aumento della pressione interna può portare all'esplosione della batteria. Per evitare ciò, la custodia della batteria è in acciaio e talvolta è dotata anche di una valvola di sicurezza.

Da allora, la progettazione delle batterie Ni-Cd non ha subito cambiamenti significativi (Figura 2).

Figura 2 - Struttura di una batteria Ni-Cd

La base di qualsiasi batteria sono gli elettrodi positivi e negativi. In questo circuito, l'elettrodo positivo (catodo) contiene idrossido di nichel NiOOH con polvere di grafite (5-8%) e l'elettrodo negativo (anodo) contiene cadmio metallico Cd sotto forma di polvere.

Le batterie di questo tipo sono spesso chiamate batterie a rotolo, poiché gli elettrodi vengono arrotolati in un cilindro (rotolo) insieme ad uno strato separatore, collocati in una custodia metallica e riempiti di elettrolita. Un separatore (separatore), inumidito con elettrolita, isola le piastre l'una dall'altra. È realizzato in materiale non tessuto, che deve essere resistente agli alcali. L'elettrolita più spesso è l'idrossido di potassio KOH con l'aggiunta di idrossido di litio LiOH, che favorisce la formazione di nichelati di litio e aumenta la capacità del 20%.

Figura 3 - Tensione della batteria durante la carica o la scarica, a seconda del livello di carica attuale.

Durante la scarica, il nichel attivo e il cadmio vengono trasformati negli idrossidi Ni(OH)2 e Cd(OH)2.

I principali vantaggi delle batterie Ni-Cd includono:

Basso costo;

Funzionamento in un ampio intervallo di temperature e resistenza alle variazioni di temperatura (ad esempio, le batterie Ni-Cd possono essere caricate a temperature inferiori allo zero, il che le rende indispensabili quando si lavora nell'estremo nord);

Possono fornire al carico una corrente significativamente maggiore rispetto ad altri tipi di batterie;

Resistenza alle elevate correnti di carica e scarica;

Tempo di ricarica relativamente breve;

Un gran numero di cicli di carica-scarica (con corretto funzionamento possono sopportare più di 1000 cicli);

Facilmente ripristinabile dopo uno stoccaggio a lungo termine.

Svantaggi delle batterie Ni-Cd:

La presenza di un effetto memoria: se si carica regolarmente una batteria non completamente scarica, la sua capacità diminuirà a causa della crescita di cristalli sulla superficie delle piastre e di altri processi fisici e chimici. Per evitare che la batteria si “esaurisca” prima del tempo, è necessario “addestrarla” almeno una volta al mese, come discusso di seguito;

Il cadmio è una sostanza molto tossica, quindi la produzione di batterie Ni-Cd ha un impatto negativo sull'ambiente. Ci sono anche problemi con il riciclaggio e lo smaltimento delle batterie stesse.

Capacità specifica bassa;

Peso e dimensioni importanti rispetto ad altri tipi di batterie con la stessa capacità;

Autoscarica elevata (dopo la ricarica, nelle prime 24 ore di funzionamento si perde fino al 10% dell'energia immagazzinata e in un mese si perde fino al 20% dell'energia immagazzinata).

Figura 4 - Autoscarica delle batterie Ni-Cd

Attualmente, il numero di batterie Ni-Cd prodotte sta rapidamente diminuendo; sono state sostituite, in particolare, da batterie Ni-MH.

3. Batterie al nichel-metallo idruro

Per diversi decenni, le batterie al nichel-cadmio sono state ampiamente utilizzate, ma l’elevata tossicità della produzione ha costretto la ricerca di tecnologie alternative. Di conseguenza, furono create le batterie al nichel-metallo idruro, che vengono prodotte ancora oggi.

Nonostante il lavoro sulla creazione di batterie Ni-MH sia iniziato negli anni '70, solo dieci anni dopo furono trovati composti stabili di idruro metallico in grado di legare grandi volumi di idrogeno.

La prima batteria Ni-MH, che utilizzava la lega LaNi5 come materiale attivo principale dell'elettrodo di idruro metallico, fu brevettata da Will nel 1975. Nei primi esperimenti con le leghe di idruro metallico, le batterie Ni-MH erano instabili e la capacità della batteria richiesta non poteva essere raggiunto. Pertanto, l’uso industriale delle batterie Ni-MH è iniziato solo a metà degli anni ’80 dopo la creazione della lega La-Ni-Co, che consente l’assorbimento elettrochimicamente reversibile dell’idrogeno per più di 100 cicli. Da allora, il design delle batterie ricaricabili Ni-MH è stato continuamente migliorato per aumentarne la densità energetica.

Le batterie al nichel-metallo idruro sono analoghe alle batterie al nichel-cadmio nella loro progettazione e alle batterie al nichel-idrogeno nei processi elettrochimici. L'energia specifica di una batteria Ni-MH è significativamente superiore all'energia specifica delle batterie Ni-Cd e Ni-H2 (Tabella 1).

Tabella 1

Parametro	Batterie
	Ni-Cd	Ni-H2	NiMH
Nominativo tensione, V	1,2	1,2	1,2
Energia specifica: h/kg h/dm3
	20 – 40	40 – 55	50 – 80
	60 – 120	60 – 80	100 – 270
Potenza specifica, W/kg	50 – 400	50 – 100	50 – 1100
Vita utile:
	1 – 5	2 – 7	1 – 5
	500 – 1000	2000 – 3000	500 – 2000
Autoscarica,%	20 – 30 (in 28 giorni)	20 – 30 (per 1 giorno)	20 – 40 (in 28 giorni)
Temperatura operativa	- 50 - +60	- 20 - +30	- 40 - +60
Sostanze nocive	CD	NO	NO

La significativa diffusione di alcuni parametri nella Tabella 1 è associata a diversi scopi (progettazioni) delle batterie. Caratteristiche distintive Le batterie NM hanno caratteristiche (critiche) di alta capacità e alta potenza (la capacità di caricarsi e scaricarsi con correnti elevate), la capacità di resistere a una carica eccessiva e una scarica ultraprofonda (inversione di polarità) e l'assenza di formazione di dendriti. Un vantaggio molto importante della batteria NM rispetto alla batteria NC è l'assenza di un elemento molto dannoso per l'ambiente: il cadmio. In termini di tensione, dimensioni standard, design e tecnologia, la batteria NM corrisponde alla batteria NK e possono essere intercambiabili sia nella produzione che nel funzionamento.

La sostituzione dell'elettrodo negativo ha permesso di aumentare di 1,3-2 volte il contenuto di massa attiva dell'elettrodo positivo, che determina la capacità della batteria. Pertanto, le batterie Ni-MH hanno caratteristiche energetiche specifiche significativamente più elevate rispetto alle batterie Ni-Cd.

Di conseguenza, l'ambito di applicazione delle batterie NM è vicino all'ambito di applicazione delle batterie NK; le batterie NM vengono utilizzate nei telefoni cellulari, nei cercapersone, nei telefoni cordless, negli scanner, nelle torce elettriche, nelle stazioni radio, nelle biciclette elettriche, nei veicoli elettrici, nelle auto ibride. , temporizzatori elettronici e contadecadi, dispositivi di archiviazione di backup (MBU) e unità di elaborazione centrale (CP) di computer e laptop, dispositivi di rilevamento di incendio e fumo, dispositivi allarme antifurto, dispositivi per l'analisi ambientale dell'acqua e dell'aria, unità di memoria di macchine di lavorazione a controllo elettronico, radio, registratori vocali, calcolatrici, rasoi elettrici, apparecchi acustici, giocattoli elettrici, ecc.

A differenza delle Ni-Cd, le batterie Ni-MH utilizzano una lega di metalli che assorbe l'idrogeno come anodo. L'elettrolita alcalino non prende ancora parte alla reazione, che si basa sul movimento degli ioni idrogeno tra gli elettrodi. Durante la carica, l'idrossido di nichel Ni(OH)2 viene convertito in ossiidrite NiOOH, cedendo idrogeno alla lega dell'elettrodo negativo. L'assorbimento dell'idrogeno non è una reazione isotermica, quindi i metalli per la lega sono sempre selezionati in modo tale che uno di essi rilasci calore quando lega il gas e l'altro, al contrario, assorba calore. In teoria, ciò avrebbe dovuto garantire l'equilibrio termico, tuttavia, le batterie al nichel-metallo idruro si riscaldano molto più delle batterie al nichel-cadmio.

Il successo della diffusione delle batterie al nichel-metallo idruro fu assicurato dall'elevata densità energetica e dall'atossicità dei materiali utilizzati nella loro produzione.

4. Processi di base delle batterie Ni-MH

Le batterie Ni-MH utilizzano un elettrodo di ossido di nichel come elettrodo positivo, proprio come una batteria al nichel-cadmio, e utilizzano un elettrodo di assorbimento dell'idrogeno di nichel-terre rare invece di un elettrodo negativo di cadmio.

Sull'elettrodo positivo di ossido di nichel di una batteria Ni-MH si verifica la seguente reazione:

→ NiOOH + H2O + (carica) → Ni(OH)2 + OH (scarica)

All'elettrodo negativo, il metallo con l'idrogeno assorbito viene convertito in un idruro metallico:

→ MH + OH (carica) → M + H2O + (scarica)

La reazione complessiva in una batteria Ni-MH è scritta come segue:

Ni(OH)2 + M → NiOOH + MH (carica)

NiOOH + MH → Ni(OH)2 + M (scarica)

L'elettrolita non partecipa alla principale reazione di formazione della corrente.

Dopo aver raggiunto il 70-80% della capacità e durante la ricarica, l'ossigeno inizia a essere rilasciato sull'elettrodo di ossido di nichel:

→ 1/2 O2 + H2O + 2 (sovraccarico),

che viene ripristinato all'elettrodo negativo:

→ 2OH (sovraccarico)

Le ultime due reazioni forniscono un ciclo chiuso dell'ossigeno. Quando l'ossigeno viene ridotto, si verifica un ulteriore aumento della capacità dell'elettrodo ad idruro metallico a causa della formazione del gruppo OH

.

Durante una scarica dopo che la capacità dell'elettrodo positivo è stata esaurita (durante la scarica eccessiva), su di esso si verifica una reazione collaterale di sviluppo di idrogeno:

→ H2 + 2OH (scarica eccessiva).

L'idrogeno raggiunge l'elettrodo negativo attraverso il separatore poroso e su di esso si ossida:

→2H2O + 2 (scarica eccessiva).

5. Progettazione degli elettrodi delle batterie Ni-MH

Elettrodo metallico a idrogeno.

Il materiale principale che definisce le caratteristiche di una batteria Ni-MH è una lega che assorbe l'idrogeno, che può assorbire 1000 volte il proprio volume di idrogeno.

Le più diffuse sono le leghe del tipo LaNi5, in cui parte del nichel viene sostituita da manganese, cobalto e alluminio per aumentare la stabilità e l'attività della lega. Per ridurre i costi, alcune aziende manifatturiere utilizzano il misch metal invece del lantanio (Mm, che è una miscela di elementi delle terre rare, il loro rapporto nella miscela è vicino al rapporto nei minerali naturali), che oltre al lantanio comprende anche cerio, praseodimio e neodimio.

Durante il ciclo carica-scarica, l'espansione e la contrazione del reticolo cristallino delle leghe che assorbono idrogeno avviene del 15-25% a causa dell'assorbimento e del desorbimento dell'idrogeno. Tali cambiamenti portano alla formazione di cricche nella lega a causa dell'aumento dello stress interno. La formazione di cricche provoca un aumento della superficie soggetta a corrosione quando interagisce con un elettrolita alcalino. Per questi motivi la capacità di scarica dell'elettrodo negativo diminuisce gradualmente.

In una batteria con una quantità limitata di elettrolito, ciò crea problemi associati alla ridistribuzione dell'elettrolito. La corrosione della lega porta alla passività chimica della superficie dovuta alla formazione di ossidi e idrossidi resistenti alla corrosione, che aumentano la sovratensione della reazione principale di generazione di corrente dell'elettrodo di idruro metallico. La formazione di prodotti di corrosione avviene con il consumo di ossigeno e idrogeno dalla soluzione elettrolitica, che a sua volta provoca una diminuzione della quantità di elettrolito nella batteria e un aumento della sua resistenza interna.

Per rallentare i processi indesiderati di dispersione e corrosione delle leghe, che determinano la durata delle batterie Ni-MH, vengono utilizzati due metodi principali (oltre all'ottimizzazione della composizione e della modalità di produzione della lega). Il primo metodo consiste nel microincapsulare le particelle di lega, ad es. nel ricoprire la loro superficie con un sottile strato poroso (5-10%) - in peso di nichel o rame. Il secondo metodo, attualmente più utilizzato, prevede il trattamento della superficie delle particelle di lega in soluzioni alcaline per formare pellicole protettive permeabili all'idrogeno.

Elettrodo all'ossido di nichel.

Gli elettrodi all'ossido di nichel nella produzione di massa vengono prodotti con le seguenti modifiche costruttive: lamellare, sinterizzato senza lamelle (cermet) e pressato, compresi gli elettrodi a pastiglia. IN ultimi anni cominciano ad essere utilizzati elettrodi in feltro e polimero espanso senza lamelle.

Gli elettrodi lamellari sono un insieme di scatole perforate (lamelle) interconnesse costituite da un sottile nastro di acciaio nichelato (spessore 0,1 mm).

Gli elettrodi sinterizzati (cermet) sono costituiti da una base metallo-ceramica porosa (con una porosità di almeno il 70%), nei cui pori si trova la massa attiva. La base è costituita da polvere fine di nichel carbonilico che, mescolata con carbonato di ammonio o urea (60-65% di nichel, il resto è riempitivo), viene pressata, laminata o spruzzata su una rete di acciaio o nichel. Quindi la rete con la polvere viene trattata termicamente in un'atmosfera riducente (solitamente un'atmosfera di idrogeno) a una temperatura di 800–960°C, durante la quale il carbonato di ammonio o l'urea si decompongono e volatilizzano e il nichel viene sinterizzato. Le basi così ottenute hanno uno spessore di 1-2,3 mm, una porosità dell'80 - 85% ed un raggio dei pori di 5 - 20 micron. La base viene impregnata alternativamente con una soluzione concentrata di nitrato di nichel o solfato di nichel e una soluzione alcalina riscaldata a 60–90°C, che favorisce la precipitazione di ossidi e idrossidi di nichel.

Attualmente viene utilizzato anche il metodo dell'impregnazione elettrochimica, in cui l'elettrodo viene sottoposto a trattamento catodico in una soluzione di nitrato di nichel. A causa della formazione di idrogeno, la soluzione nei pori della piastra si alcalinizza, il che porta alla precipitazione di ossidi e idrossidi di nichel nei pori della piastra.

Gli elettrodi a lamina rientrano tra i tipi di elettrodi sinterizzati. Gli elettrodi vengono prodotti applicando un'emulsione alcolica di polvere di nichel carbonilico contenente leganti a un sottile nastro di nichel perforato (0,05 mm) su entrambi i lati mediante spruzzatura, sinterizzazione e ulteriore impregnazione chimica o elettrochimica con reagenti. Lo spessore dell'elettrodo è 0,4-0,6 mm.

Gli elettrodi pressati vengono realizzati pressando la massa attiva ad una pressione di 35-60 MPa su una rete o un nastro di acciaio perforato. La massa attiva è costituita da idrossido di nichel, idrossido di cobalto, grafite e un legante.

Gli elettrodi in feltro metallico hanno una base altamente porosa in nichel o fibre di carbonio. La porosità di queste basi è pari o superiore al 95%. L'elettrodo in feltro è realizzato sulla base di polimero nichelato o feltro di grafite di carbonio. Lo spessore dell'elettrodo, a seconda dello scopo, è compreso tra 0,8 e 10 mm. La massa attiva viene introdotta nel feltro con modalità diverse a seconda della sua densità.

Al posto del feltro può essere utilizzata la schiuma di nichel, ottenuta mediante nichelatura del poliuretano espanso seguita da ricottura in ambiente riducente. Una pasta contenente idrossido di nichel e un legante viene solitamente aggiunta a un mezzo altamente poroso mediante diffusione. Successivamente la base con la pasta viene essiccata e arrotolata. Gli elettrodi in feltro e polimero espanso sono caratterizzati da elevata capacità specifica e lunga durata.

6. Design della batteria Ni-MH

Le batterie Ni-MH sono cilindriche. Gli elettrodi positivi e negativi, separati da un separatore, vengono arrotolati in un rotolo, che viene inserito nell'alloggiamento e chiuso con un coperchio sigillante con guarnizione (Figura 5). Il coperchio è dotato di una valvola di sicurezza che interviene ad una pressione di 2-4 MPa in caso di guasto durante il funzionamento a batteria.

Figura 5 – Progettazione di una batteria al nichel-metallo idruro (Ni-MH): 1 cassa; 2 coperti; Tappo a 3 valvole; 4 valvole; Elettrodo positivo a 5 collettori; 6 anelli isolanti; Elettrodo a 7 negativi; 8-separatore; Elettrodo 9-positivo; 10 isolanti.

Nelle batterie prismatiche Ni-MH, gli elettrodi positivi e negativi sono posizionati alternativamente e tra loro è posizionato un separatore. Il blocco dell'elettrodo viene inserito in una custodia di metallo o plastica e chiuso con un tappo di chiusura. Sul coperchio è solitamente installata una valvola o un sensore di pressione (Figura 6).

Figura 6 – Design della batteria Ni-MH: 1 custodia; 2 coperti; Tappo a 3 valvole; 4 valvole; 5-guarnizione isolante; 6-isolante; Elettrodo 7 negativo; 8 separatori; Elettrodo 9-positivo

Le batterie Ni-MH utilizzano un elettrolita alcalino costituito da KOH con l'aggiunta di LiOH. Il polipropilene non tessuto e la poliammide con uno spessore di 0,12-0,25 mm, trattati con un agente bagnante, vengono utilizzati come separatore nelle batterie Ni-MH.

Elettrodo positivo. Le batterie Ni-MH utilizzano elettrodi positivi di ossido di nichel simili a quelli utilizzati nelle batterie Ni-Cd. Le batterie Ni-MH utilizzano principalmente elettrodi metallo-ceramici e, negli ultimi anni, elettrodi in feltro e polimero espanso.

Elettrodo negativo. Cinque modelli di elettrodi negativi all'idruro metallico hanno trovato applicazione pratica nelle batterie Ni-MH:

Lamellare, quando la polvere di una lega che assorbe idrogeno con o senza legante viene pressata in una rete di nichel;

Schiuma di nichel, quando una pasta con una lega e un legante viene introdotta nei pori di una base di schiuma di nichel, quindi essiccata e pressata (laminata);

Foglio, quando una pasta con una lega e un legante viene applicata su un foglio di acciaio nichelato o nichelato perforato, quindi essiccata e pressata;

Laminato, quando la polvere della massa attiva, costituita da una lega e un legante, viene applicata mediante laminazione (rotolamento) su una rete di nichel o rete di rame a trazione;

Sinterizzato, dove la polvere di lega viene pressata su una rete di nichel e quindi sinterizzata in un'atmosfera di idrogeno.

Le capacità specifiche degli elettrodi di idruro metallico di diverse versioni hanno un valore vicino e sono determinate principalmente dalla capacità della lega utilizzata.

7. Caratteristiche delle batterie Ni-MH

Caratteristiche elettriche

La capacità specifica degli elettrodi all'idruro metallico è 0,24-0,3 A∙h/go 1,2-1,5 A∙h/cm3, ovvero fino a 3 volte superiore alla capacità specifica di un elettrodo al cadmio. Come lega che assorbe l'idrogeno vengono utilizzati titanio-nichel o leghe con lantanio (LaNi5).

L'energia specifica delle batterie LM è compresa tra 50-60 Wh/kg o 100-200 Wh/l. La durata operativa della maggior parte delle batterie NM durante il ciclo secondo gli standard IEC (profondità di scarica 60%) è di 500-1000 cicli. Alcune aziende hanno raggiunto 2000-2500 cicli e una durata di 3-5 anni. La maggior parte delle batterie NM possono funzionare in modalità buffer se caricate con una corrente normalizzata di 0,01–0,03 C senza limiti di tempo.

Tensione a circuito aperto. Valore della tensione a circuito aperto Uр.к. I sistemi Ni-MH sono difficili da determinare con precisione a causa della dipendenza del potenziale di equilibrio dell'elettrodo di ossido di nichel dal grado di ossidazione del nichel, nonché della dipendenza del potenziale di equilibrio dell'elettrodo di idruro metallico dal grado di saturazione con idrogeno. Tuttavia, ad un potenziale di circa 0,49 V per Ni(OH)2 | NiOOH e ad un valore potenziale di 0,828 V per un elettrodo di idruro metallico avente un valore di equilibrio della pressione di idrogeno di 0,1 MPa, il valore di Ur.c. sarà 1.318 V. Una diminuzione della pressione di equilibrio dell'idrogeno di 10 volte porterà ad un aumento del potenziale teorico dell'elettrodo (e, quindi, ad una diminuzione di Ur.c) di soli 29 mV. Per il sistema elettrochimico NM è accettato tensione nominale 1,2 V. 24 ore dopo la ricarica della batteria, la tensione a circuito aperto di una batteria Ni-MH carica è compresa tra 1,30 e 1,35 V.

Capacità della batteria. Con l'aumento del carico (diminuzione del tempo di scarica) e la diminuzione della temperatura, la capacità della batteria Ni-MH diminuisce (Figura 8). L'effetto della riduzione della temperatura sulla capacità è particolarmente evidente con velocità di scarica elevate e a temperature inferiori a 0°C Figura 9 - Dipendenza della capacità di scarica di una batteria Ni-MH dal tempo di conservazione a temperature diverse: 1 – 0°С; 2 – 20°С; Valori 3 – 40°С

, , per le batterie LM sono vicini, poiché queste batterie hanno tensioni simili e un elettrodo di ossido di nichel viene utilizzato come elettrodo positivo (con la stessa dipendenza della velocità delle reazioni principali e laterali dal grado di carica).

Negli ultimi anni, numerose aziende hanno iniziato a produrre potenti batterie LM di forma cilindrica e prismatica con una capacità di 3,6 - 14 Ah per auto ibride. Queste batterie possono essere scaricate con correnti normalizzate superiori a 20°C. Le batterie di tali batterie (fino a 240 batterie in una batteria) hanno densità di potenza 0,9 – 1,1 kW/kg. Esempi tipici: una batteria Panasonic da 240 batterie prismatiche con una capacità di 6,5 A∙h ha una potenza di 1080 W/kg, una batteria Makevell di batterie cilindriche con una capacità di 3,4 A∙h - 870 W/kg, una batteria Varta di 1100 W/kg a 20°C e 500 W/kg a -25°C. La durata della batteria Varta è di 2.400 cicli al 100% di profondità di scarica, 5.000 cicli all'80%, 78.000 cicli al 12%, 255.000 cicli al 5% e 360.000 cicli al 4%.

8. Ricarica della batteria Ni-MH

Il tempo di funzionamento (numero di cicli di scarica-carica) e la durata di una batteria Ni-MH sono in gran parte determinati dalle condizioni operative. Il tempo di funzionamento diminuisce con l'aumentare della profondità e della velocità di scarico. Il tempo di funzionamento dipende dalla velocità di ricarica e dal metodo di monitoraggio del suo completamento. A seconda del tipo di batterie Ni-MH, della modalità operativa e delle condizioni operative, le batterie forniscono da 500 a 1000 cicli di scarica-carica con una profondità di scarica dell'80% e hanno una durata da 3 a 5 anni.

Per garantire un funzionamento affidabile della batteria Ni-MH durante il periodo garantito, è necessario seguire le raccomandazioni e le istruzioni del produttore. Occorre prestare la massima attenzione condizioni di temperatura. Si consiglia di evitare sovrascariche (sotto 1V) e cortocircuiti. Si consiglia di utilizzare le batterie Ni-MH per lo scopo previsto, di evitare di combinare batterie usate e non utilizzate e di non saldare cavi o altre parti direttamente alla batteria.

Le batterie Ni-MH sono più sensibili al sovraccarico rispetto alle batterie Ni-Cd. Il sovraccarico può portare a una fuga termica. La ricarica viene solitamente effettuata con la corrente Iз=0,1С per 15 ore. La ricarica compensativa viene effettuata con la corrente Iз=0,01-0,03С per 30 ore o più.

Per le batterie Ni-MH con elettrodi altamente attivi sono possibili ricariche accelerate (4 - 5 ore) e rapide (1 ora). Con tali cariche, il processo è controllato dalle variazioni di temperatura ΔT e di tensione ΔU e da altri parametri. La ricarica rapida viene utilizzata, ad esempio, per le batterie Ni-MH che alimentano laptop, telefoni cellulari e utensili elettrici, sebbene laptop e telefoni cellulari ora utilizzino principalmente batterie agli ioni di litio e ai polimeri di litio. Si consiglia inoltre un metodo di ricarica a tre fasi: la prima fase di ricarica rapida (1C e superiore), una carica a una velocità di 0,1C per 0,5-1 ora per la ricarica finale e una carica a una velocità di 0,05-0,02 C come ricarica compensativa. Le informazioni sui metodi di ricarica delle batterie Ni-MH sono generalmente contenute nelle istruzioni del produttore e la corrente di ricarica consigliata è indicata sulla custodia della batteria.

La tensione di carica Uz a Iz = 0,3-1C è compresa tra 1,4 e 1,5 V. A causa del rilascio di ossigeno sull'elettrodo positivo, la quantità di elettricità trasferita durante la carica (Q3) è maggiore della capacità di scarica (Cp). Allo stesso tempo, il rendimento della capacità (100 Sr/Q3) è rispettivamente del 75-80% e 85-90% per le batterie Ni-MH a disco e cilindriche.

Controllo di carica e scarica. Per evitare il sovraccarico delle batterie Ni-MH, è possibile utilizzare i seguenti metodi di controllo della carica con sensori appropriati installati nelle batterie o nei caricabatterie:

Metodo di arresto della carica in base alla temperatura assoluta Tmax. La temperatura della batteria viene costantemente monitorata durante il processo di ricarica, e quando viene raggiunto il valore massimo, la carica rapida viene interrotta;

Metodo di arresto della carica in base alla velocità di variazione della temperatura ΔT/Δt. Con questo metodo, la pendenza della curva di temperatura della batteria viene costantemente monitorata durante il processo di carica, e quando questo parametro sale sopra un certo valore impostato, la carica viene interrotta;

Metodo per arrestare la carica utilizzando una tensione negativa delta -ΔU. Al termine della carica della batteria, durante il ciclo dell'ossigeno, la sua temperatura comincia ad aumentare, determinando una diminuzione della tensione;

Metodo di terminazione della ricarica basato sul tempo massimo di ricarica t;

Metodo di terminazione della carica basato sulla pressione massima Pmax. Tipicamente utilizzato nelle batterie prismatiche grandi dimensioni e contenitori. Il livello di pressione ammissibile in un accumulatore prismatico dipende dalla sua progettazione ed è compreso tra 0,05 e 0,8 MPa;

Metodo di terminazione della carica tensione massima Umax. Viene utilizzato per interrompere la carica delle batterie con elevata resistenza interna, che appaiono al termine della loro vita utile per mancanza di elettrolito o per basse temperature.

Quando si utilizza il metodo Tmax, la batteria potrebbe essere sovraccarica se la temperatura ambiente scende oppure la batteria potrebbe essere sottocarica se la temperatura ambiente aumenta in modo significativo. Il metodo ΔT/Δt può essere utilizzato in modo molto efficace per interrompere la ricarica a basse temperature ambiente. Ma se a temperature più elevate si utilizza solo questo metodo, le batterie all'interno dei pacchi batteria saranno soggette a temperature indesiderabilmente elevate prima che venga raggiunto il valore ΔT/Δt per lo spegnimento. Per un dato valore di ΔT/Δt, è possibile ottenere una capacità di ingresso maggiore a una temperatura ambiente inferiore rispetto a una temperatura ambiente superiore. alta temperatura. All'inizio della carica della batteria (così come alla fine della carica), la temperatura aumenta rapidamente, il che può portare ad un arresto prematuro della carica quando si utilizza il metodo ΔT/Δt. Per eliminare questo problema, gli sviluppatori di caricabatterie utilizzano timer per il ritardo iniziale della risposta del sensore utilizzando il metodo ΔT/Δt.

Il metodo -ΔU è efficace nell'arrestare la carica a basse temperature ambiente piuttosto che a temperature elevate. In questo senso il metodo è simile al metodo ΔT/Δt. Per garantire l'interruzione della ricarica nei casi in cui circostanze impreviste impediscono la normale interruzione della ricarica, si consiglia inoltre di utilizzare il controllo timer per regolare la durata dell'operazione di ricarica (metodo t).

Pertanto, per caricare rapidamente batterie con correnti normalizzate di 0,5-1C a temperature di 0-50°C, è consigliabile utilizzare contemporaneamente i metodi Tmax (con temperatura di spegnimento di 50-60°C a seconda della progettazione delle batterie e batterie), -ΔU (5-15mV per batteria), t (normalmente per ottenere il 120% della capacità nominale) e Umax (1,6-1,8 V per batteria). Invece del metodo -ΔU, è possibile utilizzare il metodo ΔT/Δt (1-2 °C/min) con un timer di ritardo iniziale (5-10 min).

Dopo una ricarica rapida della batteria, i caricabatterie provvedono a commutarla alla ricarica con una corrente normalizzata di 0,1C - 0,2C per un certo tempo.

Per le batterie Ni-MH non è consigliabile caricarle a tensione costante, poiché potrebbe verificarsi un “guasto termico” delle batterie. Ciò è dovuto al fatto che al termine della carica si ha un aumento di corrente, proporzionale alla differenza tra la tensione di alimentazione e la tensione della batteria, e la tensione della batteria a fine carica diminuisce a causa della aumento della temperatura.

A basse temperature la velocità di carica deve essere ridotta. Altrimenti, l'ossigeno non avrà il tempo di ricombinarsi, il che porterà ad un aumento della pressione nella batteria. Per il funzionamento in tali condizioni si consigliano batterie Ni-MH con elettrodi altamente porosi.

9. Vantaggi e svantaggi delle batterie Ni-MH

Un aumento significativo dei parametri energetici specifici non è l'unico vantaggio delle batterie Ni-MH rispetto alle batterie Ni-Cd. L'abbandono del cadmio significa anche una transizione verso una produzione più rispettosa dell'ambiente. Anche il problema del riciclaggio delle batterie esaurite è più semplice da risolvere. Questi vantaggi delle batterie Ni-MH hanno determinato di più rapida crescita i loro volumi di produzione da tutte le principali aziende produttrici di batterie a livello mondiale rispetto alle batterie Ni-Cd.

Le batterie Ni-MH non hanno l'"effetto memoria" tipico delle batterie Ni-Cd a causa della formazione di nichel nell'elettrodo negativo di cadmio. Rimangono tuttavia gli effetti legati alla ricarica dell'elettrodo di ossido di nichel.

La diminuzione della tensione di scarica osservata con ricariche frequenti e lunghe, proprio come con le batterie Ni-Cd, può essere eliminata eseguendo periodicamente diverse scariche fino a 1 V. È sufficiente effettuare tali scariche una volta al mese.

Tuttavia, le batterie al nichel-metallo idruro sono inferiori alle batterie al nichel-cadmio, che sono destinate a sostituire, in alcune caratteristiche prestazionali:

Le batterie Ni-MH funzionano efficacemente in un intervallo più ristretto di correnti operative, che è associato a un limitato desorbimento di idrogeno dall'elettrodo di idruro metallico a velocità di scarica molto elevate;

Le batterie Ni-MH hanno un intervallo di temperature di funzionamento più ristretto: la maggior parte di esse non è utilizzabile a temperature inferiori a -10°C e superiori a +40°C, sebbene in alcune serie di batterie gli adeguamenti alle ricette abbiano ampliato i limiti di temperatura;

Durante la ricarica delle batterie Ni-MH, viene generato più calore rispetto alla ricarica delle batterie Ni-Cd, pertanto, per evitare il surriscaldamento delle batterie Ni-MH durante la ricarica rapida e/o un sovraccarico significativo, vengono utilizzati fusibili termici o relè termici. installati al loro interno, che si trovano sulla parete di una delle batterie nella parte centrale della batteria;

Le batterie Ni-MH presentano una maggiore autoscarica (Figura 10), determinata dall'inevitabilità della reazione dell'idrogeno disciolto nell'elettrolita con l'elettrodo positivo di ossido di nichel (ma, grazie all'utilizzo di leghe speciali dell'elettrodo negativo, è stato possibile ottenere una riduzione del tasso di autoscarica a valori prossimi a quelli delle batterie Ni-Cd;

Il pericolo di surriscaldamento durante la ricarica di una delle batterie Ni-MH della batteria, nonché di inversione della batteria con capacità inferiore quando la batteria è scarica, aumenta con la mancata corrispondenza dei parametri della batteria a causa di cicli prolungati, quindi il la creazione di batterie con più di 10 batterie non è consigliata da tutti i produttori;

La perdita di capacità dell'elettrodo negativo che si verifica in una batteria Ni-MH quando scaricata al di sotto di 0 V è irreversibile, il che impone requisiti più severi per la selezione delle batterie nella batteria e il controllo del processo di scarica rispetto al caso di utilizzo di Ni -Batterie Cd; di norma si consiglia una scarica fino a 1 V/ac in batterie a bassa tensione e fino a 1,1 V/ac in una batteria da 7-10 batterie.

Come notato in precedenza, il degrado delle batterie Ni-MH è determinato principalmente da una diminuzione della capacità di assorbimento dell'elettrodo negativo durante il ciclo. Durante il ciclo di carica-scarica, il volume del reticolo cristallino della lega cambia, il che porta alla formazione di crepe e successiva corrosione durante la reazione con l'elettrolita. La formazione di prodotti di corrosione avviene con l'assorbimento di ossigeno e idrogeno, a seguito della quale diminuisce la quantità totale di elettrolito e aumenta la resistenza interna della batteria.

Va notato che le caratteristiche delle batterie Ni-MH dipendono in modo significativo dalla lega dell'elettrodo negativo e dalla tecnologia di lavorazione della lega per aumentare la stabilità della sua composizione e struttura. Ciò costringe i produttori di batterie a selezionare attentamente i fornitori di leghe e i consumatori di batterie a selezionare attentamente un’azienda produttrice.

10. Standard e designazioni delle batterie NM

In conformità con gli standard della Commissione Elettrochimica Internazionale IEC 61436 e IEC 61951-2, le batterie cilindriche HM sono designate con le lettere HR, prismatiche con le lettere HF e le batterie a disco con le lettere HB. Dopo le lettere, per le batterie cilindriche NM, il diametro e l'altezza della batteria in millimetri sono indicati tramite una linea frazionaria (arrotondata per eccesso a un numero intero), mentre per le batterie prismatiche sono indicati la larghezza, lo spessore e l'altezza. Ad esempio, HR15/51, HF15/09/49. Per le batterie a disco, il diametro e l'altezza sono indicati tramite una linea frazionaria, ma non in millimetri, ma utilizzando una dimensione di 1/10 di millimetro. Ad esempio, una batteria a disco con un diametro di 15,6 mm e un'altezza di 6,4 mm è denominata HB 156/064.

Notiamo i requisiti più importanti per le batterie NM secondo questi standard:

Modalità di carica con una corrente normalizzata di 0,1 C per 16 ore ad una temperatura di (20 ± 5) ° C;

La durata della scarica a una temperatura di (20±5)°C con una corrente normalizzata di 0,2C a una tensione di 0,9 V è di almeno 42 minuti per le batterie NM cilindriche e prismatiche e di almeno 35 minuti per le batterie a disco;

La durata deve essere di almeno 500 cicli;

Questi standard non stabiliscono i requisiti per le batterie LM a temperature elevate e a temperature inferiori a 0°C.

11. Conservazione e funzionamento delle batterie Ni-MH

Prima di iniziare a utilizzare le nuove batterie Ni-MH, vale la pena ricordare che devono prima essere "potenziate" per ottenere la massima capacità. Per fare ciò è consigliabile dotarsi di un caricabatterie in grado di scaricare le batterie: impostare il caricabatterie sulla corrente minima e caricare la batteria, per poi scaricarla immediatamente premendo l'apposito pulsante sul caricabatterie. Se non hai un dispositivo del genere a portata di mano, puoi semplicemente "caricare" la batteria a piena capacità e attendere.

Potrebbero essere necessari 2-5 cicli di questo tipo, a seconda della durata e della temperatura di conservazione nei magazzini e nei negozi. Molto spesso, le condizioni di conservazione sono tutt'altro che ideali, quindi l'addestramento ripetuto tornerà utile.

Per il funzionamento più efficiente e produttivo della batteria per il maggior tempo possibile, è necessario scaricarla ulteriormente, se possibile, completamente (si consiglia di caricare il dispositivo solo dopo che si è spento a causa della scarica della batteria) e caricare la batteria batteria per evitare la comparsa dell'effetto memoria e la riduzione della durata della batteria. Per ripristinare la piena (per quanto possibile) capacità della batteria è necessario effettuare anche la formazione sopra descritta. In questo caso la batteria viene scaricata alla tensione minima consentita per cella e le formazioni cristalline vengono distrutte. È necessario stabilire una regola per addestrare la batteria almeno una volta ogni due mesi. Ma non dovresti nemmeno esagerare: l'uso frequente di questo metodo consuma la batteria. Dopo la scarica si consiglia di lasciare il dispositivo in carica per almeno 12 ore.

L'effetto memoria può essere eliminato anche mediante scarica corrente elevata(2-3 volte superiore al nominale).

“Volevamo il meglio, ma è andata come sempre”

La prima e più semplice regola per caricare correttamente qualsiasi batteria è utilizzare il caricabatterie (di seguito denominato caricabatterie) venduto nel kit (ad esempio telefono cellulare) o laddove le condizioni di ricarica soddisfano i requisiti del produttore della batteria (ad esempio, per batterie AA Ni-MH).

In ogni caso è meglio acquistare batterie e caricabatterie consigliati dal produttore. Ogni azienda ha le proprie tecnologie di produzione e caratteristiche operative delle batterie. Prima di utilizzare batterie e caricabatterie, è necessario leggere attentamente tutte le istruzioni incluse e altro materiale informativo.

Come abbiamo scritto sopra, nella confezione sono solitamente inclusi i dispositivi di memoria più semplici. Tali caricabatterie, di norma, danno agli utenti un minimo di preoccupazione: i produttori di telefoni cercano di coordinare la tecnologia di ricarica con tutti i possibili tipi di batterie progettate per funzionare con una determinata marca di dispositivo. Ciò significa che se il dispositivo è progettato per funzionare con Ni-Cd, Ni-MH e Batterie agli ioni di litio, questo caricabatterie caricherà in modo ugualmente efficace tutte le batterie sopra indicate, anche se hanno capacità diverse.

Ma qui c'è uno svantaggio. Le batterie al nichel, sensibili all'effetto memoria, devono essere periodicamente scaricate completamente, ma il “dispositivo” non è in grado di farlo: quando viene raggiunta una certa soglia di tensione, si spegne. La tensione alla quale si verifica lo spegnimento automatico è superiore alla tensione alla quale la batteria deve essere scaricata per distruggere i cristalli che riducono la capacità della batteria. In questi casi è comunque meglio utilizzare un caricabatterie con funzione di scarica.

Si ritiene che le batterie Ni-MH possano essere caricate solo dopo che sono completamente scariche (100%). Ma in realtà, scaricare completamente la batteria non è desiderabile, altrimenti la batteria si guasterà prematuramente. Si consiglia una profondità di scarico dell'85-90%, la cosiddetta scarica superficiale.

Inoltre, è necessario tenere presente che le batterie Ni-MH richiedono modalità di ricarica speciali, a differenza delle Ni-Cd, che sono le meno esigenti in termini di modalità di ricarica.

Sebbene le moderne batterie al nichel-metallo idruro siano in grado di sopportare il superamento della carica nominale, il surriscaldamento risultante riduce la durata della batteria. Pertanto, durante la ricarica è necessario considerare tre fattori: tempo, quantità di carica e temperatura della batteria. Oggi c'è gran numero Caricabatterie che forniscono il controllo sulla modalità di ricarica.

Ci sono memorie lente, veloci e pulsate. Vale subito la pena ricordare che questa divisione è abbastanza arbitraria e dipende dal produttore della batteria. L'approccio al problema dell'addebito è approssimativamente il seguente: l'azienda si sta sviluppando vari tipi batterie per varie applicazioni e set per ciascun tipo, raccomandazioni e requisiti per i metodi di ricarica più favorevoli. Di conseguenza, lo stesso aspetto(dimensioni) le batterie potrebbero richiedere metodi di ricarica diversi.

I caricabatterie “lenti” e “veloci” differiscono nella velocità con cui vengono caricate le batterie. I primi caricano la batteria con una corrente pari a circa 1/10 della corrente nominale, il tempo di ricarica è di 10 - 12 ore e, di norma, lo stato della batteria non viene monitorato, il che non è molto buono ( le batterie completamente e parzialmente scariche devono essere caricate in diverse modalità).

"Fast" carica la batteria con una corrente compresa tra 1/3 e 1 del suo valore nominale. Tempo di ricarica: 1-3 ore. Molto spesso si tratta di un dispositivo a doppia modalità che risponde alle variazioni di tensione sui terminali della batteria durante la ricarica. Innanzitutto, la carica viene accumulata in modalità “ad alta velocità”, quando la tensione raggiunge un certo livello, la ricarica ad alta velocità si interrompe e il dispositivo passa alla modalità di ricarica lenta “di mantenimento”. Questi dispositivi sono ideali per batterie Ni-Cd e Ni-MH. Ora i caricabatterie più comuni utilizzano la tecnologia carica ad impulsi. Di norma possono essere utilizzati per tutti i tipi di batterie. Questo caricabatterie è particolarmente adatto per prolungare la durata delle batterie Ni-Cd, poiché questo distrugge le formazioni cristalline sostanza attiva(l’“effetto memoria” che si verifica durante il funzionamento viene ridotto. Tuttavia, per le batterie con un significativo "effetto memoria", l'uso solo del metodo di ricarica a impulsi non è sufficiente: è necessaria una scarica profonda (recupero) secondo uno speciale algoritmo per distruggere grandi formazioni cristalline. I caricabatterie convenzionali, anche con funzione di scarica, non sono in grado di farlo. Questo può essere fatto presso il centro servizi utilizzando attrezzature speciali.

Per chi trascorre molto tempo alla guida, il caricabatteria per auto è sicuramente un must. Il più semplice è realizzato sotto forma di un cavo di collegamento cellulare con presa accendisigari per auto (tutte le “vecchie” opzioni sono destinate solo alla ricarica di batterie Ni-Cd e Ni-MH). Tuttavia, non dovresti abusare di questo metodo di ricarica: tali condizioni operative influiscono negativamente sulla durata della batteria.

Se hai già scelto il caricabatterie adatto a te, leggi i seguenti consigli per caricare le batterie Ni-Cd e Ni-Mh:

Caricare solo batterie completamente scariche;

Non posizionare una batteria completamente carica per una ricarica aggiuntiva, poiché ciò ne ridurrà notevolmente la durata;

Non lasciare le batterie Ni-Cd e Ni-MH per molto tempo nel caricabatteria dopo la fine della carica, poiché il caricabatteria continua a caricarle anche dopo una carica completa, ma solo con una corrente molto più bassa. La presenza a lungo termine di batterie Ni-Cd e Ni-MH nel caricabatterie porta al loro sovraccarico e al deterioramento dei parametri;

Le batterie devono essere a temperatura ambiente prima della ricarica. La ricarica è più efficace a temperature ambiente comprese tra +10°C e +25°C.

Durante il processo di ricarica le batterie potrebbero surriscaldarsi. Ciò è particolarmente tipico per una serie ad alta capacità con ricarica intensiva (rapida). La temperatura massima di riscaldamento per le batterie è +55°C. Il design dei caricabatterie rapidi (da 30 minuti a 2 ore) fornisce il controllo della temperatura per ciascuna batteria. Quando la custodia della batteria si riscalda fino a +55°C, il dispositivo passa dalla modalità di ricarica principale alla modalità di ricarica aggiuntiva, durante la quale la temperatura diminuisce. Il design delle batterie stesse fornisce anche protezione contro il surriscaldamento sotto forma di una valvola di sicurezza (che impedisce la distruzione della batteria), che si apre se la pressione del vapore dell'elettrolita all'interno della custodia supera i limiti consentiti.

Magazzinaggio

Se hai acquistato una batteria e non intendi utilizzarla immediatamente, è meglio familiarizzare con le regole per la conservazione delle batterie Ni-MH.

Innanzitutto la batteria deve essere rimossa dal dispositivo e protetta dall'umidità e dalle alte temperature. La tensione sulla batteria non deve diminuire in modo significativo a causa dell'autoscarica, ovvero durante la conservazione a lungo termine la batteria deve essere caricata periodicamente.

Non conservare la batteria a temperature elevate, ciò accelera il degrado dei materiali attivi all'interno della batteria. Ad esempio, il funzionamento continuo e la conservazione a 45°C ridurranno la velocità di ciclo di una batteria Ni-MH di circa il 60%.

A basse temperature, le condizioni di conservazione sono le migliori, ma notiamo che è specifico per la conservazione, poiché la produzione di energia di qualsiasi batteria a temperature inferiori allo zero diminuisce e non è possibile caricarla affatto. La conservazione a basse temperature ridurrà l'autoscarica (ad esempio, puoi metterlo nel frigorifero, ma mai nel congelatore).

Oltre alla temperatura, la durata della batteria è notevolmente influenzata dal grado di carica. Alcuni dicono che dovrebbe essere conservato carico, altri insistono scarico completo. L'opzione migliore è caricare la batteria del 40% prima di riporla.

12. Produttori e prospettive delle batterie NM

Secondo una ricerca condotta da Avicenne Development (Francia), nel 2005, il volume di produzione delle batterie NM (1621 milioni di unità) ha già superato il volume di produzione delle batterie NC (1170 milioni di unità). Il leader nella produzione di batterie HM era SANYO (56%). In Russia, la produzione in serie di batterie NM è stata gestita da JSC "Zavod MEZON" (batterie cilindriche di quattro dimensioni standard) e JSC "AK Rigel" (batteria cilindrica di dimensioni AA, batterie prismatiche e a disco).

Grazie all’aumento dei volumi di produzione delle batterie NM e alla diminuzione del prezzo dei materiali utilizzati, attualmente i prezzi delle batterie NK e NM da 1A∙h sono quasi uguali. Nella tabella La tabella 2 mostra i dati sui prezzi e sui volumi di produzione delle batterie portatili NM, NK, agli ioni di litio e ai polimeri di litio nel 2000. e 2005

Tabella 2

Batteria	2000			2005
	Volume, milioni di pezzi.	Volume, milioni di dollari USA	Prezzo medio, USD/pz.	Volume, milioni di pezzi.	Volume, milioni di dollari USA	Prezzo medio, USD/pz.
NK	1360	1401	1,03	1170	1107	0,95
NM	1325	1078	0,81	1621	1043	0,64
Li-Ion	545	2869	5,26	933	2976	3,19
Li-Pol	19	138	7,26	350	1240	3,54
Totale	3249	5486	1,69	4074	6366	1,56

13. Smaltimento

Le batterie NM sono rispettose dell'ambiente, poiché non contengono elementi tossici e nocivi come cadmio, piombo e mercurio. Questo è uno dei motivi principali dell’uso diffuso delle batterie NM.

Le batterie NM, le cui dimensioni fisiche sono le stesse delle batterie NK, vengono naturalmente raccolte dopo la fine del funzionamento insieme alle batterie NK. Sebbene le batterie LM non contengano cadmio, il loro incenerimento o smaltimento in discarica non è consigliabile a causa del loro alto contenuto metalli pesanti. La separazione automatica delle batterie NM da quelle NK, ad esempio, in base al principio della differenza di densità, è difficile. Pertanto, le batterie LM e NK sono soggette a riciclaggio congiunto per estrarre, innanzitutto, cobalto e nichel (a volte vengono estratti anche i metalli delle terre rare).

Attualmente si sta lavorando per ottenere Co, Ni e metalli delle terre rare dalle batterie LM utilizzando un processo di separazione della soluzione.

Elenco delle fonti utilizzate

1. http://www.PowerInfo.ru

2. http://www.ladoshki.com

3. http://battery.newlist.ru

4. http://old.aktex.ru

5. Fonti chimiche attuale: Elenco / Ed. N.V. Korovina e A.M. – M.: Casa editrice MPEI, 2003. 740 p., ill.

Tutto è iniziato con il fatto che il mio dispositivo "inquadra e scatta" della mia fotocamera si rifiutava categoricamente di funzionare con le batterie appena rimosse dal caricabatterie: quattro batterie NiMH formato AA. Prendili come al solito e buttali via. Ma per qualche motivo questa volta la curiosità ha prevalso sul buon senso (o forse era il rospo a parlare), e volevo capire se fosse possibile spremere almeno qualcos'altro da queste batterie. La fotocamera è molto affamata di energia, ma ci sono anche consumatori più modesti, ad esempio mouse o tastiere wireless.

In realtà, due parametri interessano il consumatore: la capacità della batteria e la sua resistenza interna. Inoltre, le manipolazioni possibili sono poche: scarica e carica. Misurando la corrente e il tempo durante il processo di scarica, è possibile stimare la capacità della batteria. In base alla differenza di tensione della batteria al minimo e sotto carico è possibile stimare la resistenza interna. Ripetendo più volte il ciclo di scarica-carica (ovvero eseguendo l '"addestramento"), puoi capire se questa azione ha senso.

Di conseguenza, è stato elaborato il seguente piano: realizziamo uno spinterometro controllato e un caricatore con la capacità di misurare continuamente i parametri di processo, eseguire semplici operazioni aritmetiche sui valori misurati e ripetere il processo il numero di volte richiesto. Confrontiamo, traiamo conclusioni e infine buttiamo via le batterie.

Supporto di misura

Una collezione completa di biciclette. È costituito da una parte analogica (nello schema seguente) e da un microcontrollore. Nel mio caso, la parte intellettuale era Arduino, anche se questo non è affatto importante, purché lo sia insieme necessario ingressi/uscite.

Il supporto è stato ricavato da quanto trovato nel raggio di tre metri. Se qualcuno vuole ripeterlo, non è affatto necessario seguire esattamente lo schema. La scelta dei parametri degli elementi può essere piuttosto ampia, ne parlerò un po 'più tardi.

L'unità di scarica è uno stabilizzatore di corrente controllato basato sull'amplificatore operazionale IC1B (LM324N) e transistor ad effetto di campo Q1. Quasi tutti i transistor, purché siano presenti tensioni, correnti e dissipazioni di potenza sufficienti. E sono tutti piccoli qui. Resistore feedback e allo stesso tempo parte del carico (insieme a Q1 e R20) per la batteria - R1. Il suo valore massimo dovrebbe essere tale da fornire quanto richiesto corrente massima scarico. Se assumiamo che la batteria possa essere scaricata a 1 V, per garantire una corrente di scarica, ad esempio, di 500 mA, il resistore R1 non dovrebbe essere superiore a 2 Ohm. Lo stabilizzatore è controllato da un DAC resistivo a tre bit (R12-R17). Qui il calcolo è il seguente: la tensione all'ingresso diretto dell'amplificatore operazionale è uguale alla tensione su R1 (che è proporzionale alla corrente di scarica). Modifichiamo la tensione all'ingresso diretto: la corrente di scarica cambia. Per scalare l'uscita del DAC all'intervallo desiderato, è presente un resistore di regolazione R3. È meglio se è multigiro. I valori di R12-R17 possono essere qualsiasi cosa (nell'ordine di decine di kiloohm), la cosa principale è che il rapporto tra i loro valori è 1/2. Non è richiesta una precisione particolare da parte del DAC, poiché la corrente di scarica (tensione su R1) viene misurata direttamente dall'amplificatore per strumentazione IC1D durante il processo. Il suo guadagno è K=R11/R10=R9/R8. L'uscita viene inviata al microcontrollore ADC (A1). Modificando i valori di R8-R11, il guadagno può essere regolato sul valore desiderato. La tensione sulla batteria viene misurata dal secondo amplificatore IC1C, K=R5/R4=R7/R6. Perché controllare la corrente di scarica? Il punto qui è sostanzialmente questo. Se si scarica con una corrente elevata e costante, a causa della grande resistenza interna delle batterie esaurite, il tensione consentita 1 V (e non esiste altro punto di riferimento per arrestare la scarica) verrà raggiunto prima che la batteria si scarichi effettivamente. Se si scarica con una corrente bassa e costante, il processo richiederà troppo tempo. Pertanto, lo scarico viene effettuato per fasi. Otto passi mi sembravano sufficienti. Se la ricerca è maggiore/meno, puoi modificare la profondità di bit del DAC. Inoltre, accendendo e spegnendo il carico, è possibile stimare la resistenza interna della batteria. Penso che l'algoritmo di funzionamento del controller durante la scarica non richieda ulteriori spiegazioni. Al termine del processo, Q1 viene bloccato, la batteria è completamente scollegata dal carico e il controller accende l'unità di ricarica.

Blocco della carica. Anche uno stabilizzatore di corrente, solo non controllato, ma commutabile. La corrente è impostata dalla sorgente di tensione di riferimento su IC2 (2,5 V, precisione 1% secondo la scheda tecnica) e dal resistore R21. Nel mio caso, la corrente di carica era classica: 1/10 della capacità nominale della batteria. Resistenza di feedback - R20. È possibile utilizzare qualsiasi altra fonte di tensione di riferimento, a seconda dei gusti e della disponibilità dei componenti. Il transistor Q2 funziona in una modalità più rigida rispetto a Q1. A causa della notevole differenza tra Vcc e la tensione della batteria, su di essa viene dissipata una potenza significativa. Questo è il prezzo da pagare per la semplicità del circuito. Ma il radiatore salva la situazione. Il transistor Q3 serve per spegnere forzatamente Q2, cioè per spegnere l'unità di carica. Controllato dal segnale 12 del microcontrollore. Per il funzionamento dell'ADC del controller è necessaria un'altra sorgente di tensione di riferimento (IC3). La precisione di misurazione del nostro stand dipende dai suoi parametri. LED1 - per indicare lo stato del processo. Nel mio caso non si accende durante il processo di scarica, si accende durante la ricarica e lampeggia a ciclo completato.
La tensione di alimentazione viene selezionata per garantire che i transistor si aprano e funzionino negli intervalli richiesti. In questo caso, entrambi i transistor hanno una tensione di rilascio del gate sufficientemente elevata - circa 2-4 V. Inoltre, Q2 è "supportato" dalla tensione della batteria e da R20, quindi la tensione di rilascio del gate inizia da circa 3,5-5,5 V. In girare L'LM323 non può aumentare la tensione di uscita al di sopra di Vcc meno 1,5 V. Pertanto, Vcc deve essere abbastanza grande e nel mio caso è 9 V.

L'algoritmo di controllo della carica si basava sulla versione classica del monitoraggio del momento in cui la tensione sulla batteria inizia a diminuire. Tuttavia, in realtà tutto si è rivelato non del tutto vero, ma ne parleremo più avanti.
Tutti i valori misurati durante il processo di “ricerca” sono stati scritti in un file, quindi sono stati effettuati i calcoli e disegnati i grafici.

Penso che con il supporto di misurazione sia tutto chiaro, quindi passiamo ai risultati.

Risultati della misurazione

Quindi, abbiamo batterie cariche (ma non funzionanti), che scarichiamo e misuriamo la capacità immagazzinata e allo stesso tempo la resistenza interna. Sembra qualcosa del genere.

Grafici sugli assi: tempo, ore (X) e potenza, W (Y) per le batterie migliori e peggiori. Si può vedere che l'energia immagazzinata (l'area sotto i grafici) è significativamente diversa. In termini numerici, le capacità della batteria misurate erano 1196, 739, 1237 e 1007 mAh. Non molto, considerando che la capacità nominale (che è indicata sul case) è di 2700 mAh. E lo spread è piuttosto ampio. E la resistenza interna? Erano rispettivamente 0,39, 0,43, 0,32 e 0,64 Ohm. Terribile. È chiaro il motivo per cui il portasapone si è rifiutato di funzionare: le batterie semplicemente non sono in grado di fornire una grande corrente. Bene, iniziamo l'allenamento.

Ciclo uno. Ancora una volta la potenza di uscita della batteria migliore e peggiore.

Il progresso è visibile ad occhio nudo! I numeri lo confermano: 1715, 1444, 1762 e 1634 mAh. Anche la resistenza interna è migliorata, ma in modo molto irregolare: 0,23, 0,40, 0,1, 0,43 Ohm. Sembrerebbe che ci sia una possibilità. Ma ahimè, ulteriori cicli di scarica/ricarica non hanno prodotto nulla. I valori di capacità, così come la resistenza interna, variavano da ciclo a ciclo entro circa il 10%. Che si trova da qualche parte vicino ai limiti della precisione della misurazione. Quelli. Il lungo allenamento, almeno per le mie batterie, non ha fatto nulla. Ma divenne chiaro che le batterie conservavano più della metà della loro capacità e avrebbero continuato a funzionare a bassa corrente. Almeno qualche risparmio in azienda.

Ora voglio soffermarmi un po 'sul processo di ricarica. Forse le mie osservazioni saranno utili a chi sta progettando di progettare un caricabatterie intelligente.
Ecco un tipico grafico di carica (a sinistra c'è la scala della tensione della batteria in volt).

Dopo l'inizio della ricarica, si osserva un calo di tensione. Nei diversi cicli può essere maggiore o minore in profondità, leggermente diverso nella durata e talvolta assente. Poi, per circa 10 ore, si osserva un aumento uniforme e poi un plateau quasi orizzontale. La teoria afferma che con una corrente di carica bassa non vi è alcuna caduta di tensione alla fine della carica. Ero paziente e aspettavo ancora questo autunno. È piccolo (è quasi invisibile agli occhi sul grafico), devi aspettarlo molto a lungo, ma è sempre lì. Dopo dieci ore di ricarica e prima del calo, la tensione della batteria, sebbene aumenti, è estremamente insignificante. Ciò non ha quasi alcun effetto sulla carica finale; non si osservano fenomeni spiacevoli come il riscaldamento della batteria. Pertanto, quando si progettano caricabatterie a bassa corrente, non ha senso dotarli di intelligenza. È sufficiente un timer per 10-12 ore e non è richiesta alcuna precisione particolare.

Tuttavia, questo idillio è stato interrotto da uno degli elementi. Dopo circa 5-6 ore di ricarica si sono verificate fluttuazioni di tensione molto evidenti.

Inizialmente lo attribuii ad un difetto di progettazione del mio stand. La foto mostra che tutto è stato assemblato utilizzando un'installazione a cerniera e il controller era collegato con cavi piuttosto lunghi. Tuttavia, ripetuti esperimenti hanno dimostrato che tali sciocchezze si verificano costantemente con la stessa batteria e non si verificano mai con altre. Con mia vergogna, non ho trovato il motivo di questo comportamento. Ciò nonostante (e questo è ben visibile dal grafico) il valore medio della tensione cresce come dovrebbe.

Epilogo

Abbiamo così quattro batterie, per le quali è stata trovata una nicchia ecologica attraverso precisi metodi scientifici. Siamo delusi dalle capacità del processo di formazione. E abbiamo un effetto inspiegabile che si verifica durante la ricarica.
Il prossimo è una batteria più grande - batteria per auto. Ma lì le resistenze di carico sono un paio di ordini di grandezza più potenti. Da qualche parte stanno viaggiando attraverso le distese dell'Eurasia.

Questo è tutto. Grazie per l'attenzione.