Никель-кадмиевый аккумулятор

Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd) — это электрический аккумулятор, вторичный химический источник тока, в котором анодом служит кадмий (Cd), катодом — оксид-гидроксид никеля (NiOOH), а электролитом выступает гидроксид калия (KOH). Относится к классу щелочных аккумуляторов. Отличается высокой надёжностью, способностью работать при низких температурах, большим числом циклов заряда-разряда и устойчивостью к глубоким разрядам, однако имеет низкую удельную энергоёмкость и содержит токсичный кадмий.

История

История никель-кадмиевых аккумуляторов берёт начало в конце XIX века. В 1899 году шведский учёный Вальдемар Юнгнер создал первый никель-кадмиевый элемент, который, однако, был негерметичным и требовал обслуживания. В 1901 году Томас Эдисон запатентовал аналогичную конструкцию на основе никеля и железа (никель-железный аккумулятор), но кадмиевый вариант оказался более стабильным.

Развитие технологии ускорилось в середине XX века. В 1947 году была изобретена герметичная конструкция никель-кадмиевого аккумулятора, что позволило использовать его в портативной электронике. В 1950–1960-х годах NiCd-аккумуляторы стали основным источником питания для переносных радиоприёмников, фонарей, а позже — для электроинструмента и первых портативных компьютеров. В СССР серийное производство герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов началось в 1960-х годах, они применялись в военной технике, авиации и космонавтике.

С 1990-х годов никель-кадмиевые аккумуляторы начали вытесняться никель-металлогидридными (NiMH) и литий-ионными (Li-ion) аналогами из-за более высокой энергоёмкости последних и экологических проблем, связанных с утилизацией кадмия. Тем не менее, в ряде ниш (авиация, железнодорожный транспорт, аварийное освещение, промышленные системы) NiCd-аккумуляторы продолжают использоваться благодаря своей надёжности.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Никель-кадмиевый аккумулятор состоит из следующих основных элементов:

• Положительный электрод (катод) — изготавливается из оксида-гидроксида никеля (NiOOH) с добавлением графита для повышения проводимости. В современных элементах используется спечённая (металлокерамическая) или прессованная структура.
• Отрицательный электрод (анод) — состоит из губчатого кадмия (Cd) или его соединений (гидроксида кадмия Cd(OH)₂).
• Электролит — водный раствор гидроксида калия (KOH) концентрацией 20–30 %, который обеспечивает ионную проводимость. В герметичных аккумуляторах электролит загущается или абсорбируется сепаратором.
• Сепаратор — пористая изоляционная прокладка (например, из полиамида или полипропилена), разделяющая электроды и предотвращающая короткое замыкание.
• Корпус — герметичный металлический или пластиковый корпус, часто с клапаном сброса давления (для герметичных моделей).

Электрохимические реакции

При разряде аккумулятора происходят следующие реакции:

• На отрицательном электроде: Cd + 2OH⁻ → Cd(OH)₂ + 2e⁻
• На положительном электроде: 2NiOOH + 2H₂O + 2e⁻ → 2Ni(OH)₂ + 2OH⁻

Суммарная реакция: Cd + 2NiOOH + 2H₂O → Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂

При заряде реакции протекают в обратном направлении: гидроксид кадмия восстанавливается до кадмия, а гидроксид никеля(II) окисляется до оксида-гидроксида никеля(III). Номинальное напряжение одного элемента — 1,2 В.

Особенности работы

• Эффект памяти — характерное явление для NiCd-аккумуляторов, при котором при неполном разряде перед последующим зарядом аккумулятор «запоминает» сниженную ёмкость. Это связано с изменением кристаллической структуры кадмиевого электрода. Для устранения эффекта требуется периодический полный разряд и заряд.
• Саморазряд — у NiCd-аккумуляторов относительно высокий (до 10–20 % в месяц при комнатной температуре), что обусловлено внутренними химическими процессами.
• Рабочий диапазон температур — от −40 до +50 °C, что делает их пригодными для эксплуатации в экстремальных условиях.

Классификация

Никель-кадмиевые аккумуляторы классифицируются по нескольким признакам.

По конструкции

• Открытые (негерметичные) — имеют пробку для заливки электролита и отвода газов; требуют периодического обслуживания (доливки воды). Используются в стационарных установках и на транспорте.
• Герметичные — не требуют обслуживания, оснащены клапаном сброса давления. Применяются в портативной электронике, электроинструменте, бытовой технике.

По типу электродов

• Ламельные (пластинчатые) — электроды выполнены в виде плоских пластин с активной массой, заключённой в перфорированные стальные «ламели». Обладают высокой механической прочностью, но низкой энергоёмкостью. Используются в промышленных аккумуляторах большой ёмкости.
• Спечённые (металлокерамические) — электроды изготавливаются методом спекания никелевого порошка, что увеличивает площадь поверхности и улучшает токоотдачу. Характерны для герметичных аккумуляторов.
• Прессованные — активная масса прессуется на металлическую сетку; компромиссный вариант по стоимости и характеристикам.

По форме

• Цилиндрические (типоразмеры AA, AAA, C, D, Sub-C и др.).
• Призматические (прямоугольные) — для промышленных и аккумуляторных батарей.
• Дисковые (кнопочные) — для маломощных устройств (часы, слуховые аппараты).

Характеристики

Основные параметры никель-кадмиевых аккумуляторов:

Применение

Несмотря на вытеснение более современными технологиями, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются востребованными в ряде областей:

• Электроинструмент — дрели, шуруповёрты, болгарки (благодаря способности отдавать высокие токи).
• Аварийное освещение и системы безопасности — надёжность и устойчивость к глубоким разрядам.
• Авиация и космонавтика — бортовые аккумуляторы самолётов, вертолётов, спутников (например, в российских космических аппаратах серии «Глонасс»).
• Железнодорожный транспорт — пусковые и резервные батареи тепловозов, электровозов.
• Военная техника — радиостанции, приборы ночного видения, системы наведения.
• Медицинская техника — дефибрилляторы, портативные мониторы.
• Радиоуправляемые модели — высокотоковые NiCd-аккумуляторы используются в авиамоделизме и автомоделизме.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая надёжность и долговечность (до 2000 циклов и более).
• Способность работать при экстремально низких температурах (до −40 °C).
• Устойчивость к глубоким разрядам (не выходят из строя при полном разряде).
• Высокие разрядные токи (до 10–20 C).
• Простота зарядных устройств (допускают заряд малым током).
• Низкая стоимость по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.

Недостатки

• Низкая удельная энергоёмкость (40–60 Вт·ч/кг против 150–250 Вт·ч/кг у Li-ion).
• Высокий саморазряд (10–20 % в месяц).
• Эффект памяти, требующий периодической тренировки.
• Содержание токсичного кадмия, усложняющее утилизацию и представляющее экологическую опасность.
• Относительно низкое напряжение элемента (1,2 В против 3,6–3,7 В у Li-ion).
• Более высокий вес при той же ёмкости.

Экологические аспекты и утилизация

Кадмий, входящий в состав NiCd-аккумуляторов, является токсичным тяжёлым металлом, способным накапливаться в почве и воде, вызывая отравления и заболевания. В связи с этим во многих странах введены ограничения на использование NiCd-аккумуляторов в бытовой электронике. В Европейском союзе с 2006 года действует Директива 2006/66/EC, ограничивающая продажу NiCd-аккумуляторов для портативных устройств (исключения — медицинская техника, аварийное освещение, электроинструмент). В России утилизация отработанных аккумуляторов регулируется Федеральным законом № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» и требует сдачи в специализированные пункты приёма.

Переработка NiCd-аккумуляторов включает извлечение кадмия (для повторного использования в производстве новых аккумуляторов или в металлургии) и никеля (для производства нержавеющей стали). Процесс переработки энергоёмок, но позволяет снизить экологический ущерб.

Интересные факты

• Никель-кадмиевые аккумуляторы использовались в первых портативных компьютерах (например, Osborne 1, 1981 год) и в ранних моделях сотовых телефонов (Motorola DynaTAC, 1983 год).
• В СССР NiCd-аккумуляторы выпускались под марками «НКГ» (никель-кадмиевый герметичный), «НКЦ» (никель-кадмиевый цилиндрический) и использовались в военной и космической технике.
• В 2010-х годах компания SAFT (Франция) продолжала выпуск NiCd-аккумуляторов для железнодорожного транспорта, где их надёжность остаётся не превзойдённой.
• Эффект памяти у NiCd-аккумуляторов можно частично устранить, проведя несколько циклов глубокого разряда и полного заряда (так называемая «тренировка»).

См. также

• Никель-металлогидридный аккумулятор
• Литий-ионный аккумулятор
• Щелочной аккумулятор
• Кадмий

Источники

• Л. И. Антропов, В. А. Ковалёв. «Химические источники тока». — М.: Энергия, 1976.
• В. С. Багоцкий, А. М. Скундин. «Химические источники тока». — М.: Энергоиздат, 1981.
• Т. Р. Кромптон. «Аккумуляторные батареи: теория, конструкция, применение». — СПб.: БХВ-Петербург, 2009.
• ГОСТ 15596-82 «Источники тока химические. Термины и определения».
• ГОСТ Р МЭК 61951-1-2011 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной или другие некислотные электролиты. Никель-кадмиевые аккумуляторы».
• Директива 2006/66/EC Европейского парламента и Совета от 6 сентября 2006 года об аккумуляторах и батареях.