Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы

Щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) были изобретены еще в 1899 г. Вальдмаром Юнгнером. Однако материалы для производства таких аккумуляторов стоили дороже материалов для производства аккумуляторов других типов, и поэтому в то время широкого использования они не нашли. Только в 1932 г. была разработана технология нанесения активного материала пластин путем осаждения на губчатый (пористый) покрытый никелем электрод. А в 1947 г. стали известны работы над созданием герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, в которых была осуществлена возможность рекомбинации газов, выделявшихся в процессе заряда, без их отвода. Конечным результатом этих разработок и стало появление герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, используемых и в настоящее время.

Ni-Cd аккумуляторы любят быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока, в то время как батареи других типов предпочитают частичный разряд и умеренные токи нагрузки. Это тип аккумуляторов, которые способны работать в самых жестких условиях.

Для никель-кадмиевых аккумуляторов крайне необходим полный периодический разряд: если его не делать, на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, значительно снижающие их емкость (так называемый "эффект памяти").

Преимущества Ni-Cd аккумуляторных батарей: • возможность быстрого и простого заряда, даже после длительного хранения аккумулятора; • большое количество циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации - более 1000 циклов; • хорошая нагрузочная способность и возможность эксплуатации при низких температурах; • продолжительные сроки хранения при любой степени заряда; • сохранение стандартной емкости при низких температурах; • наибольшая приспособленность для использования в жестких условиях эксплуатации; • низкая стоимость;

Недостатки Ni-Cd аккумуляторных батарей: • относительно низкая по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей энергетическая плотность; • присущий этим аккумуляторам эффект памяти и необходимость проведения периодических работ по его устранению; • токсичность применяемых материалов, что отрицательно сказывается на экологии, и некоторые страны ограничивают использование аккумуляторов этого типа; • относительно высокий саморазряд - после хранения неоходим цикл заряда.

Никель-металлгидридные аккумуляторы в последние десятилетия существенно потеснили никель-кадмиевые во многих областях техники. Особенно широко они применяются в автономных источниках питания портативной аппаратуры, где увеличение их удельных характеристик в 1,5-2 раза по сравнению с никель-кадмиевыми привело к улучшению потребительских свойств этой аппаратуры.

Ni-Cd и Ni-MH источники тока, однако, имеют много общего, так как именно положительный оксидно-никелевый электрод определяет как разрядную емкость аккумулятора, так и в существенной степени его свойства.

Основные электрохимические процессы Ni-Cd аккумулятора

Основной процесс, происходящий на положительном оксидно-никелевом электроде в цикле заряда-разряда аккумуляторов, описывается следующим образом:

Ni(OH)₂ + OH^- → NiOOH + H₂O + e^- (заряд) NiOOH + H₂O + e^- → Ni(OH)₂ + OH^- (разряд)

На отрицательном кадмиевом электроде аккумулятора проходит реакция:

Cd(OH)₂ + 2e^- → Cd + 2OH^- (заряд) Cd + 2OH^- → Cd(OH)₂ + 2e^- (разряд)

Общая реакция в Ni-Cd аккумуляторе имеет вид:

2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ → 2NiOOH + Cd + 2H₂O (заряд) 2NiOOH + Cd + 2H₂O → 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ (разряд)

При перезаряде никель-кадмиевых аккумуляторов на положительном электроде идет побочный процесс выделения кислорода:

2OH^- → 1/2O₂ + H₂O + 2e^- (перезаряд)

Кислород сквозь пористый сепаратор достигает отрицательного электрода и восстанавливается на нем:

1/2O₂ + Cd + H₂O → Cd(OH)₂ (перезаряд)

Последняя реакция воплощает в жизнь замкнутый кислородный цикл и обеспечивает стабилизацию давления в герметичном никель-кадмиевом аккумуляторе при его перезаряде. Нужно отметить, что давление в аккумуляторе определяется не только скоростями протекания указанных реакций, но, главным образом, скоростью доставки кислорода от положительного электрода к отрицательному. Так же, при перезаряде отрицательного кадмиевого электрода может иметь место реакция выделения водорода:

H₂O + e^- → OH^- + 1/2H₂

который окисляется на оксидно-никелевом электроде в соответствии с реакцией:

NiOOH + 1/2H₂ → Ni(OH)₂

Реакция образования водорода опасна для герметичного аккумулятора, так как она может привести к накоплению водорода из-за низкой скорости реакции его поглощения. Для того чтобы в стандартной ситуации, условий для протекания реакции выделения водорода не возникало, в герметичном аккумуляторе емкость отрицательного электрода объемно заметно превосходит емкость положительного. Поэтому емкость герметичного никель-кадмиевого аккумулятора определяется емкостью его положительного оксидно-никелевого электрода.