НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМКЛЯТОРЫ

Герметичные никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы выпускаются во всем мире с 1950-х годов. Они хорошо изучены и используются в различных приложениях, от аппаратуры широкого использования до космической и специальной техники. Совершенствование технологии их изготовления позволило довести удельные характеристики аккумуляторов до 30–60 Втч/кг и 100–170 Втч/дм3, расширить типоразмерные ряды продукции и диапазон режимов эксплуатации. Современные Ni-Cd аккумуляторы работоспособны, как правило, в диапазоне температур от −40 до +60^OС и обеспечивают разряд током до 7–10 Сн. Потери емкости стандартного аккумулятора, имеющие мести при различных режимах и условиях разряда, показаны на рис. 2. Саморазряд при хранении — 15–20% емкости за месяц.

Поскольку при заряде Ni-Cd аккумуляторов кроме основных токообразующих процессов неизбежно протекают и побочные (на положительном электроде выделяется кислород, который поглощается на отрицательном), герметизация аккумулятора определяется возможностью обеспечения замкнутого кислородного цикла, при котором достигается баланс побочных процессов и обеспечивается внутреннее давление в аккумуляторе, безопасное для его эксплуатации. Баланс побочных процессов зависит от многих факторов: от толщины и пористости положительного электрода, от структуры и заполненности электролитом сепаратора, через который обеспечивается транспорт кислорода к отрицательному электроду, от поглощающей способности последнего.

Кроме того, при значительных перезарядах Ni-Cd аккумулятора, которые могут иметь место при неправильной эксплуатации, возникает опасность выделения на положительном электроде водорода, который плохо поглощается. При систематических перезарядах он накапливается в аккумуляторе, создавая в нем дополнительное внутреннее давление. Во избежание этой опасности при изготовлении обеспечивается значительное превышение емкости отрицательного электрода над емкостью положительного.

Понятно, что каждый производитель при выборе конструкции и технологии своих изделий в стремлении увеличить удельные энергетические характеристики аккумуляторов выбирает свои решения этих многочислен-ных проблем, что в конечном счете определяет качество его продукции.

Следует отметить, что в цилиндрических аккумуляторах с рулонной сборкой пакета электродов допустимое внутреннее давление может быть выше, чем в призматических аккумуляторах с плоскими пластинами. Но с увеличением размеров аккумуляторов обеспечить безопасность эксплуатации становится труднее. В настоящее время цилиндрические аккумуляторы выпускаются емкостью не более 20 ампер-часов и далеко не всеми ведущими компаниями. Аккумуляторы более высокой емкости имеют призматическую конструкцию, в них используются пакеты из плоских электродов. Аккумуляторы малой емкости выпускаются и дисковыми. В них используются прессованные электроды (1 или 2 пары). Поэтому дисковые аккумуляторы предназначены для длинных режимов заряда и разряда.

Размеры аккумуляторов цилиндрических регламентирует ГОСТ Р и МЭК, ему соответствует и известный потребителям американский стандарт ANSI. Реальная продукция может иметь отклонения в пределах допусков от размеров, указанных в табл. 1. Призматические аккумуляторы по требованию заказчика выпускаются самой разной конфигурации.

Таблица 1. Типоразмерный ряд цилиндрических щелочных аккумуляторов

В России в течение нескольких десятилетий основным разработчиком герметичных Ni-Cd аккумуляторов являлся Всесоюзный научно-исследова-тельский аккумуляторный институт (ВНИАИ), теперь — ОАО "НИАИ «Источник». Были разработаны и в настоящее время выпускаются цилиндрические аккумуляторы емкостью от 0,9 до 6 Ач и призматические емкостью от 4 до 200 Ач.

Призматические аккумуляторы емкостью от 8 до 200 Ач многие годы выпускает также ЗАО "Курский завод «Аккумулятор».

Производство цилиндрических аккумуляторов было налажено в последние десятилетия и на новых предприятиях: во ФГУП «Верхнеуфалейский завод „Уралэлемент“ (12 типов аккумуляторов емкостью от 0,4 до 4,5 Ач), несколько типов на заводе „Мезон“ в г. Санкт-Петербург и Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК).

Аккумуляторная компания АК „Ригель“ выпускает большой ряд дисковых Ni-Cd аккумуляторов (12 типов аккумуляторов емкостью от 20 до 750 мАч и цилиндрические емкостью 1,2 — 1,5 Ач.

Зарубежная продукция отличается от отечественной прежде всего тем, что изделия, благодаря некоторым корректировкам рецептур и технологии изготовления, изготавливаются несколькими сериями, отвечающими различным требованиям потребителя. Это аккумуляторы стандартные для широкого использования; повышенной энергии, способные обеспечить мощный разряд; допускающие быстрый заряд; высокотемпературные для эффективной работы в режиме постоянного подзаряда.

Как правило, аккумуляторы ведущих зарубежных производителей, давно и успешно работающих на российском рынке (французская компания SAFT, японские компании PANASONIC и SANYO, GP Batteries International Limited и некоторые другие), имеют более высокие удельные характерис-тики, чем их российские аналоги. Стабильность производства, большой его объем и высокая автоматизированность процесса обеспечивают также и большую однородность продукции.

НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В последние десятилетия никель-кадмиевые аккумуляторы сильно потеснили никель-металлгидридные (Ni-MH), в которых при том же положительном электроде замена отрицательного позволила значительно увеличить емкость изделий в прежних габаритных размерах. Удалось в значительной мере уменьшить и»эффект памяти" при неглубоком циклировании, который так пугал потребителей. Удельные характеристики Ni-МН аккумуляторов увеличились по сравнению с никель-кадмиевыми в 1,5–2 раза.

Однако Ni-МН аккумуляторы эффективно работают в более узком температурном диапазоне (как правило, от −10–20 до +40^OС), больше разогреваются при заряде и саморазряд у них больше. А при разряде Ni-МН аккумуляторов ниже 0 В часть емкости теряется безвозвратно.

Но повышенные удельные энергетические характеристики никель-металлгидридных аккумуляторов, а также соображения большей экологической безопасности этих изделий привели к тому, что последние 10 лет область исследований и технологических разработок от никель-кадмиевых систем полностью сместилась к этим новым. Характеристики Ni-MH аккумуляторов за этот период существенно улучшились: сначала увеличилась емкость при низких плотностях тока разряда, затем были увеличены и допустимые токи разряда, а также обеспечена возможность быстрого заряда. Некоторые типы не теряют работоспособности и при — 40^OС.

Выпускаются Ni-МН аккумуляторы теми же компаниями, что и Ni-Cd. В России:

• в АК «Ригель» дисковые аккумуляторы емкостью от 50 до 1100 мАч, цилиндрические емкостью 1,5; 4 и 8 Ач и призматические емкостью от 13 до 200 Ач (токи разряда — до 2 Сн);
• во ФГУП "Верхнеуфалейский завод «Уралэлемент» цилиндрические емкостью от 0,6 до 7 Ач.

Рекомендуемые токи заряда: 0,1–0,3 Сн, процесс заряда занимает не менее 4 ч.

Ведущие зарубежные компании выпускают Ni-МН аккумуляторы, которые обычно обозначаются как серия аккумуляторов супервысокой энергии. Как правило, они допускают более быстрый заряд, чем их отечественные аналоги.

Аккумуляторы компании SAFT емкостью от 0,75 до 1,7 Ач допускают быстрый заряд при контроле напряжения и/или температуры в течение 1 ч, емкостью от 3 до 9,5 Ач — в течение 2–3 ч, аккумулятор емкостью 16 Ач заряжается в течение 3–4 ч.

Компания SANYO выпускает около двух десятков типов цилиндрических аккумуляторов емкостью от 0,65 до 7,5 Ач (торговая марка Twicell) и призматические емкостью от 0,65 до 1,35 Ач для сотовой связи. Практически все они допускают быстрый заряд током 1 С.

Цилиндрические аккумуляторы PANASONIC (емкостью от 0,55 до 8,5 Ач) обеспечивают токи разряда не более 2 Сн, А для короткоразрядных аккумуляторов (емкостью 1,4 и 1,9 Ач) допускается разряд током до 10 и 30 А соответственно, но при пониженном рабочем напряжении.

В ближайшие годы специалисты прогнозируют и дальнейшее улучшение этих характеристик. Так компания DURACELL, например, уже выпускает бытовые Ni-MH аккумуляторы типоразмера АА емкостью 2,3 Ач с токами разряда до 3 Сн. Следует понимать, однако, что в стремлении увеличения емкости в прежних габаритах компания может пойти и на увеличение закладки активной массы положительного электрода, что приводит к снижению соотношения емкости отрицательных и положительных электродов или уменьшению свободного подкрышечного пространства. В том случае опасность, возникающая при перезарядах, возрастает и обеспечить большой ресурс вряд ли удастся. С целью сохранения ресурса на прежнем уровне компания DURACELL начала выпуск зарядных устройств с принудительным охлаждением аккумуляторов, которые обеспечивают восполнение энергии в течение 30 мин.

В заключение следует отметить, что эффективность эксплуатации (коэффициент использования Сраз/Сзар и ресурс) герметичных щелочных аккумуляторов существенно зависит от используемых зарядных устройств, которые должны обеспечивать контроль окончания зарядного процесса, различный при разной его скорости.

Более подробную информацию о характеристиках герметичных щелочных аккумуляторах и особенностях их эксплуатации можно найти в [1,2].

ЛИТЕРАТУРА

• Химические источники тока. Справочник под ред. Н. В. Коровина, А. М. Скундина. М. Изд. МЭИ. 2003. 739 с.
• Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов С. Б. Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации. Санкт-Петербург. Химиздат. 2005. 262 с.