Все, что нужно знать о никель-металлогидридных аккумуляторах

Аккумуляторы имеют широкую сферу деятельности. Компактными аккумуляторами оснащаются большинство бытовых приборов, АКБ средних размеров встраиваются в автомобили, а крупногабаритные модели устанавливают в промышленные станции.

Несмотря на их разное предназначение, у аккумуляторов много общего. Одним из основных сходств является принцип организации их работы.

В данной статье рассмотрим один из видов аккумуляторных батарей – никель-металлогидридный аккумулятор.

История возникновения никель-металлогидридных аккумуляторов

В 50-х годах 20-го века начато производство никель-металлогидридных аккумуляторов, что вызвало интерес у представителей инженерии. Ученые, которые специализировались на исследовании физике-химических свойств аккумуляторных батарей, не на шутку задумались на тем, как преодолеть недостаток востребованных на тот момент никель-металлогидридных аккумуляторов. Одной из главных целей ученых была разработка никель-кадмиевого аккумулятора, который мог бы ускорить и сделать процесс протекания реакций проще. Эти реакции связанны с электролитической передачей водорода.

К концу 70-х годов 20-го века ученым удалось спроектировать и создать, а после провести испытания никель-металлогидридных аккумуляторов. Основное отличие никель-металлогидридных аккумуляторов заключается в накоплении водорода только в определенных местах. То есть накопление водорода происходит в сплавах нескольких металлов, которые находятся на электродах батареи. Структурой сплавов была выполнена таким образом, что один из металлов скапливал водород (порой в несколько тысяч раз превышающих их объем), а другие выступали в качестве ускорителей электролитических реакций, осуществляя переход водородного вещества в металлическую решетку электродов.

Никель-металлогидридный аккумулятор получил условное обозначение «Ni-MH» за счет того, что он изготавливался с водородно-металлогидридным анодом и никелевым катодом. Работают устройства на щелочном электролите и осуществляют бесперебойный цикл «заряд-разряд» — до двух тысяч для одного полноценного аккумулятора.

Никель-металлогидридные аккумуляторы претерпевают изменения как конструктивного характера, так и в вопросе увеличения энергетической плотности аккумулятора. Специалисты осуществляют работу по их модернизации и улучшению качества исполнения аккумуляторов.

На сегодняшний день аккумуляторы в большинстве случаев изготавливаются на основе сплава «LaNi5». Первая модель аккумулятора была запатентована в 1975 году и стал популярен в промышленности. Современные никель-металлогидридные аккумуляторы обладают высокой энергетической плотности и изготавливается из экологических материалов. Из-за этих достоинств такие аккумуляторы стали востребованы во многих областях, где необходимо долгое хранение электрического заряда.

Все, что нужно знать о никель-металлогидридных аккумуляторах

Конструкция и принцип работы никель-металлогидридных аккумуляторов

Вне зависимости от характеристик никель-металлогидридных аккумуляторов, они выпускаются двух типов форм:

• призматической;
• цилиндрической.

Аккумуляторы состоят из таких основных элементов как:

• металлогидридных и никелевых катодов и электродов, которые вкупе представляют гальванический элемент сеточной структуры, отвечающий за передвижение и накопление электрического заряда;
• сепараторных батарей, которые разделяют электроды и участвуют в процессе электролитических реакций;
• клемм, которые отдают во внешнюю среду накопительный заряд;
• крышки с вмонтированным в нее клапаном, который необходим для сбора излишнего давления (более 2 – 4 МПа) из полостей аккумулятора;
• термозащитного и качественно выполненного корпуса, который вмещает в себя все элементы аккумулятора.

Конструкция никель-металлогидридного аккумулятора достаточно проста и не имеет особых сложностей.

Принцип работы никель-металлогидридного аккумулятора в отличие от его конструкции, несколько сложнее. Чтобы понять, как осуществляется принцип работы мобильного аккумулятора следует учесть этапы работы никель-металлогидридных аккумуляторов:

• положительный электрод, выполняющий окислительную реакцию с абсорбцией водорода;
• отрицательный электрод, производящий восстановительную реакцию в дисабсорбицией водорода.

То есть, электродная сетка обеспечивает организованно передвижение частиц посредством химических реакций. Электролит в реакции не участвует, а включается в работу только при определенных условиях работы никель-металлогидридных аккумуляторов. К примеру, если выполняется перезарядка, осуществляя циркуляцию кислорода.

Никель-металлогидридный аккумулятор обладает следующими характеристиками:

Характеристика	Единица измерения	Ni-Cd	Ni-MN	Ni-H2
Энергетическая плотность	Вт-ч/кг	45 – 80	60 – 120	–
Внутреннее сопротивление при напряжении 6В	мОм	100 – 200	200 – 300	–
Число циклов заряд-разряд до падения емкости 80% от номинального значения		1500	300 – 500	2000 – 3000
Время быстрого заряда	час	1	2 – 4	–
Устойчивость к перезаряду		средняя	низкая	–
Номинальное напряжение	В	1,25	1,25	1,25
Само заряд при оптимальной температуре		20% в месяц	30% в месяц	20 – 30% в сутки
Оптимальный ток нагрузки		1С	до 0,5С	–
Пиковый ток нагрузки		20С	5С	–
Рабочая температура (заряд)	С	от – 40 до +60	от -20 до +60	от -20 до +30
Периодичность обслуживания	дней	30 – 90	30 – 90	–
Срок эксплуатации	лет	1 – 5	1 – 5	2 – 7
Удельная энергия	Вт-ч/литр	60 – 120	100 – 270	60 – 80

Эксплуатация никель-металлогидридных аккумуляторов

Чтобы аккумулятор, вне зависимости от конструкции и эксплуатационных характеристик, прослужил долгое время от пользователя требуется соблюдать определенные правила обслуживания и использования. Для этого следует:

• соблюдать принципы зарядки никель-металлогидридного аккумулятора;
• бережно эксплуатировать и при длительном простое хранить его в отапливаемом помещении.

Поговорим о требованиях, выдвигаемых к бережной эксплуатации и хранению никель-металлогидридных аккумуляторов. Стандартные требования являются такими:

• хранение аккумуляторов должно производиться исключительно при уровне зарядки их в 30 – 50%;
• категорически запрещается перегревать аккумуляторы, поскольку по сравнению, к примеру, с никель-кадмиевыми, намного чувствительнее к повышению температуры. Перегрузка аккумуляторов отрицательно сказывается на всех процессах, которые протекают в них. Особенно она влияет на токоотдачу;
  
• также категорически запрещается перезаряжать никель-металлогидридные аккумуляторы. Всегда стоит придерживаться основным принципам зарядки;
• при частом простое аккумуляторов или продолжительном их хранении необходимо производить «тренировочные зарядки». Как правило, достаточно периодически выполняемого цикла «заряд-разряд» порядка 3 – 6 раз. Данную «тренировку» специалисты рекомендуют выполнять и с новыми никель-металлогидридными аккумуляторами;
• хранение аккумуляторов должно осуществлять при комнатной температуре. Оптимальной температурой является 15 – 23С;
• не рекомендуется «сажать» аккумуляторы до минимального значения – напряжение менее 0,9В для каждого электрода. Зарядить полностью разряженный аккумулятор можно, однако, не желательно эксплуатировать устройство до полного разряда аккумулятора;
• необходимо контролировать конструктивное качество аккумуляторов. Не желательно наличие серьезных повреждений, недостаток электролита и пр. Рекомендуется выполнять периодическую проверку аккумулятора раз в 2 – 4 недели;
• если эксплуатируются крупногабаритные и емкостные стационарные аккумуляторы, то рекомендуется следовать таким правилам, как:
• ремонт не реже одного раза в год;
• капитальное восстановление не менее одного раза в три года;
• надежная фиксация аккумуляторов в месте их пользования;
• наличие освещения;
• выполнение правильных зарядных устройств;
• соблюдение правил техники безопасности применения подобных устройств.

Как зарядить никель-металлогидридные аккумуляторы?

Никель-металлогидридные аккумуляторы важно правильно заряжать. Процесс правильной зарядки устройства довольно трудный. Поскольку каждый тип сплавов, который применяется в производстве электродов аккумуляторов, требует выполнения наработанных годами правил зарядки.

Основные фундаментальные правила зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов следующие:

• необходимо придерживаться оптимального времени зарядки, которое прописывается в инструкции к аккумулятору. Для большинства моделей аккумуляторов этот показатель равен 15 часам при зарядном токе 0,1С или 1 – 5 часов при токе 0,1 – 1С для устройств с высокоактивными электродами. «Исключением из правил» являются обслуживаемые аккумуляторы, которые позволяют выдерживать продолжительность зарядки более 30 часов;
• необходимо контролировать температуру аккумулятора в процессе зарядки. Некоторые заводы-изготовители требует выдерживать максимальную температуру в 50 – 60 градусов по Цельсию;
• необходимо обратить внимание на последовательность проведения зарядки. Самым оптимальным подходом является зарядка никель-металлогидридных аккумуляторов нормальным током до напряжения на клеммах в 0,9 – 1В, после чего заряжается на 75 – 80% от максимальной емкости. При этом, стоит учесть, что при быстрой зарядке устройства необходимо выполнить предзарядку с подачей высокого показателя тока на протяжении 8 – 10 минут. После этого заряжать аккумулятор стоит продолжить с плавным увеличением напряжения до 1,6 – 1,8В. При нормальной подзарядке аккумуляторов напряжение, как правило, не меняется и при нормальных показателях составляет 0,3 – 1В.

Как восстановить никель-металлогидридных аккумуляторы?

Никель-металлогидридные аккумуляторы отличаются большой ценой и мгновенным самозарядом. Также недостатком таких устройств является ярко выраженный «эффект памяти», суть которого заключается в том, что при регулярно неполной зарядке аккумулятора, он запоминает это состояние и с течением эксплуатации значительно теряет энергоемкость. Для предотвращения этого, никель-металлогидридные аккумуляторы необходимо заряжать до 10%, а также систематически производить «тренировку» путем восстановления.

«Тренировка» путем процесса восстановления или при «нулевом» заряде аккумуляторов происходит таким образом:

• предварительная подготовка:
• качественное зарядное устройство;
• инструменты для определения напряжения и силы тока;
• приспособление, которое способно получать электрическую энергию от аккумулятора.
• зарядка аккумулятора с дальнейшей его разрядкой под напряжением на клеммах 0,8 – 1В;
• восстановление. Процесс должен осуществлять по всем правилам зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов, а именно двумя способами:
• если аккумулятор подает признаки функционирования, то зарядка должна протекать с постоянным повышением подаваемого напряжения с 0,3В до 1В и силой тока 0,1С на протяжении 30 – 60 минут, после чего напряжение остается неизменный, а сила тока увеличивается до 0,3 – 0,5С;
• если аккумулятор не функционирует, то выполняется зарядка с 10-минутной предзарядкой высоким током на протяжении 10 – 15 минут, а после этого выполняются вышеперечисленные мероприятия.