Никель-металл-гидридные аккумуляторы (NiMH) являются одними из самых распространенных типов аккумуляторов, используемых во многих электронных устройствах и транспортных средствах. Они представляют собой более экологически чистую альтернативу свинцово-кислотным аккумуляторам, и обладают более высокой энергетической плотностью, что делает их более эффективными в использовании.
В этой статье мы рассмотрим, как работают никель-металл-гидридные аккумуляторы, их преимущества и недостатки, а также области применения.
История развития технологии NiMH
Технология никель-металл-гидридных аккумуляторов (NiMH) имеет долгую и интересную историю развития, которая простирается на несколько десятилетий. В этом тексте мы рассмотрим ключевые моменты и этапы развития этой технологии.
Появление первых никель-металл-гидридных аккумуляторов: Истоки технологии NiMH уходят в 1960-е годы, когда были проведены первые исследования по использованию никель-гидридных материалов в аккумуляторах. Эти исследования сфокусировались на поиске альтернативы свинцовым аккумуляторам, которые были широко распространены на тот момент. Впоследствии были созданы первые прототипы никель-металл-гидридных аккумуляторов.
В 1980-х годах технология NiMH получила новый импульс развития благодаря усовершенствованию гидридных материалов, а также разработке более эффективных электродов. Это привело к улучшению производительности и емкости аккумуляторов, что сделало их более привлекательными для различных приложений.
В конце 1980-х и начале 1990-х годов никель-металл-гидридные аккумуляторы начали широко применяться в электромобилях и портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и ручные инструменты. Большая емкость, отсутствие эффекта памяти и более безопасные характеристики по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами сделали их популярным выбором.
В последующие годы технология NiMH продолжала совершенствоваться. Были разработаны новые материалы и конструкции, которые повысили емкость и улучшили эффективность.
Первый Ni-MH аккумулятор, в котором в качестве основного активного материала металлгидридного электрода использовался сплав LaNi5, был патентован Биллом в 1975 году.
В ранних экспериментах с металлгидридными сплавами никель-металлгидридные аккумуляторы работали нестабильно, и не удавалось достичь требуемой емкости батарей. Поэтому широкое промышленное использование Ni-MH аккумуляторов началось только в середине 80-х годов после разработки сплава La-Ni-Co, который обеспечил электрохимическую обратимость абсорбции водорода на протяжении более 100 циклов. С тех пор конструкция Ni-MH аккумуляторных батарей продолжает развиваться с целью увеличения их энергетической плотности.
Замена отрицательного электрода привела к увеличению закладки активных масс положительного электрода в 1,3-2 раза, что определяет емкость аккумулятора. Поэтому Ni-MH аккумуляторы обладают значительно более высокими удельными энергетическими характеристиками по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами.
Высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, используемых при производстве никель-металлгидридных аккумуляторных батарей, способствовали их успешному распространению.
Как устроен NiMH аккумулятор
NiMH аккумулятор, или никель-металлгидридный аккумулятор, представляет собой электрохимическое устройство, способное хранить и выделять электрическую энергию при необходимости. Он является одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов благодаря своей высокой энергетической плотности и относительно низкой стоимости.
Структурно NiMH аккумулятор состоит из нескольких основных компонентов. Основными элементами являются положительный и отрицательный электроды, разделенные электролитическим слоем, и контейнер, который содержит активные материалы и обеспечивает электрическую изоляцию.
Положительный электрод аккумулятора выполнен из сплава никеля, кобальта и других металлов. Он содержит активный материал, который способен химически взаимодействовать с электролитом и обеспечивать процесс заряда и разряда аккумулятора. Обычно используется оксид никеля в качестве активного материала.
Отрицательный электрод состоит из металлического гидрида, который способен вступать в химическую реакцию с водородом. Это позволяет аккумулятору поглощать и выделять водород при процессе заряда и разряда.
Между положительным и отрицательным электродами находится электролитический слой, который обеспечивает перемещение ионов между электродами. Электролит является средой, где происходят электрохимические реакции, позволяющие аккумулятору накапливать и выделять электрическую энергию.
Контейнер аккумулятора обычно выполнен из металла или пластика и имеет изоляционные свойства, чтобы предотвратить короткое замыкание и электрические потери.
Химический процесс зарядки и разрядки NiMH аккумуляторов
Химический процесс зарядки и разрядки NiMH аккумуляторов основан на электрохимических реакциях, которые происходят внутри аккумулятора.
Во время зарядки аккумулятора электрическая энергия из внешнего источника питания преобразуется в химическую энергию, которая сохраняется в аккумуляторе. Во время разрядки химическая энергия превращается обратно в электрическую энергию и выделяется внешней нагрузке.
Процесс зарядки NiMH аккумуляторов происходит путем подключения аккумулятора к источнику постоянного тока (DC). Положительный электрод аккумулятора, содержащий оксид никеля, окисляется в процессе зарядки, а отрицательный электрод, содержащий металлический гидрид, вступает в реакцию с водородом, абсорбируя его.
Во время разрядки аккумулятора, когда он подключен к нагрузке, обратная реакция происходит. Оксид никеля на положительном электроде восстанавливается, а металлический гидрид на отрицательном электроде освобождает поглощенный водород.
Циклы зарядки и разрядки могут повторяться множество раз, и аккумулятор сохраняет свою электрическую емкость. Однако в процессе использования аккумулятора может происходить некоторая потеря емкости со временем, что связано с процессами старения и деградации активных материалов внутри аккумулятора.
Важно отметить, что зарядка и разрядка NiMH аккумуляторов должны проводиться с использованием специальных зарядных устройств, которые контролируют напряжение и ток заряда. Неправильное зарядное напряжение или ток может привести к повреждению аккумулятора или сократить его жизненный цикл.
Реакция зарядки (окисление):
Анион воды (OH-) + Никельгидридный электрод (NiH) -> Вода (H2O) + Оксид никеля (NiOOH) + Электроны (e-)
Реакция разрядки (восстановление):
Оксид никеля (NiOOH) + Вода (H2O) + Электроны (e-) -> Анион воды (OH-) + Никельгидридный электрод (NiH)
В процессе зарядки аккумулятора, электрический ток проходит через аккумулятор, приводя к окислению никельгидридного электрода и образованию оксида никеля. При разрядке аккумулятора, оксид никеля восстанавливается обратно в никельгидридный электрод, высвобождая электрическую энергию.
Зарядка аккумуляторов
Зарядка аккумуляторов электрическим током является неотъемлемой частью их использования. Чтобы обеспечить эффективную зарядку и продлить срок службы аккумулятора, необходимо правильно контролировать напряжение и температуру в процессе зарядки.
При зарядке аккумулятора напряжение на элементе должно быть в определенном диапазоне. Для успешной зарядки используются значения от 1,4 до 1,6 В. Когда аккумулятор полностью заряжен и без нагрузки, напряжение на нем составляет 1,4 В. При работе с нагрузкой напряжение может изменяться от 0,9 до 1,4 В. На полностью разряженном аккумуляторе без нагрузки напряжение составляет 1,0—1,1 В, и дальнейшая разрядка может негативно сказаться на его состоянии.
Для зарядки аккумулятора используются постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами. Это делается для предотвращения эффекта "памяти" и применяется метод заряда аккумуляторов переменным асимметричным током.
Существуют различные методы контроля окончания заряда аккумулятора. Один из них - метод -?V, основанный на измерении изменения напряжения в процессе зарядки. Когда аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нем начинает падать. Зарядное устройство должно обнаружить это падение и автоматически выключить зарядку.
Другой метод, известный как "inflexion", используется для быстрой зарядки. Он анализирует не максимальное напряжение на аккумуляторе, а изменение производной напряжения по времени.
Этот метод позволяет завершить фазу быстрой зарядки наиболее эффективно, когда скорость роста напряжения минимальна, прежде чем температура аккумулятора значительно повысится. Однако для этого метода требуется более точное измерение напряжения и некоторые математические вычисления, такие как вычисление производной и цифровая фильтрация полученных значений.
Контроль окончания заряда по изменению температуры также является важным фактором при зарядке аккумулятора.
При зарядке аккумулятора постоянным током большая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, подводимая электрическая энергия начинает преобразовываться в тепло.
При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, поэтому установка датчика температуры аккумулятора является важным шагом. Максимально допустимая температура аккумулятора обычно составляет +60°C.
Для определения времени заряда аккумулятора используется следующая формула: t = 1.3 * (емкость аккумулятора / ток заряда). Это позволяет оценить примерное время, которое потребуется для полной зарядки аккумулятора при заданном токе заряда.
Эффективная зарядка аккумуляторов требует использования специализированных зарядных устройств, которые могут контролировать напряжение и температуру в процессе зарядки. Это позволяет не только достичь наилучшей производительности и долговечности аккумулятора, но и обеспечить безопасность при использовании.
Контроль напряжения и температуры во время зарядки аккумуляторов является важным аспектом для эффективного использования и продления срока службы аккумулятора. Современные зарядные устройства обладают возможностью контролировать эти параметры, что способствует оптимальной зарядке и обеспечивает безопасность при использовании аккумуляторов.
Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов
NiMH аккумуляторы обладают рядом преимуществ, которые делают их популярным выбором для различных приложений. Однако они также имеют некоторые недостатки, которые стоит учитывать. Рассмотрим их подробнее:
Преимущества NiMH аккумуляторов:
- NiMH аккумуляторы имеют более высокую емкость по сравнению с NiCd аккумуляторами. Это означает, что они могут сохранять больше энергии и обеспечивать длительное время работы устройств.
- В отличие от некоторых других типов аккумуляторов, таких как свинцово-кислотные или никелево-кадмиевые аккумуляторы, NiMH аккумуляторы не содержат токсичных веществ, таких как кадмий и свинец. Это делает их более экологически безопасными и пригодными для использования в различных областях.
- NiMH аккумуляторы имеют меньшую подверженность эффекту "памяти", чем NiCd аккумуляторы. Это означает, что они могут быть заряжены и разряжены без необходимости полного цикла зарядки. Это упрощает их использование и поддержание в хорошем состоянии.
- NiMH аккумуляторы обладают более высокой плотностью энергии по сравнению с NiCd аккумуляторами. Это означает, что они могут хранить больше энергии в более компактном размере, что делает их удобными для портативных устройств.
Недостатки NiMH аккумуляторов:
- NiMH аккумуляторы имеют более высокую склонность к саморазрядке, чем некоторые другие типы аккумуляторов. Это означает, что они могут терять энергию со временем, даже если не используются. Это может ограничить их использование для длительных хранений или в случаях, когда требуется длительный период без использования.
- NiMH аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов зарядки-разрядки, после которых их производительность начинает снижаться. При продолжительном использовании аккумуляторов может потребоваться их замена, что может быть затратным и неудобным.
- По сравнению с некоторыми другими типами аккумуляторов, NiMH аккумуляторы имеют более медленную скорость зарядки. Это может потребовать больше времени для полного заряда аккумулятора, что может быть неудобным в ситуациях, когда требуется быстрая зарядка.
- NiMH аккумуляторы могут потерять свою емкость при низких температурах. Это означает, что их производительность может снижаться в холодных условиях, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях или требовать специальных мер для поддержания оптимальной работы.
- NiMH аккумуляторы имеют обычно больший размер и вес по сравнению с некоторыми другими типами аккумуляторов. Это может быть проблемой в приложениях, где компактность и низкий вес являются важными факторами.
Сравнение NiMH со свинцовыми аккумуляторами
- Емкость: NiMH аккумуляторы обычно имеют более высокую энергетическую плотность и емкость по сравнению со свинцовыми аккумуляторами. Это означает, что NiMH аккумуляторы могут хранить больше энергии и обеспечивать более длительное время работы.
- Эффект памяти: NiMH аккумуляторы имеют меньший эффект памяти по сравнению со свинцовыми аккумуляторами. Это означает, что NiMH аккумуляторы могут быть заряжены и разряжены без необходимости полной разрядки перед повторной зарядкой.
- Вес и размер: NiMH аккумуляторы обычно легче и компактнее по сравнению со свинцовыми аккумуляторами. Это делает их более удобными для портативных устройств и мобильных приложений.
- Загрязнение окружающей среды: NiMH аккумуляторы считаются более экологически безопасными, так как они не содержат свинец, который является токсичным веществом. Свинцовые аккумуляторы требуют особой обработки при утилизации, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды.
- Циклы зарядки/разрядки: NiMH аккумуляторы, обычно, обладают большим числом циклов зарядки/разрядки по сравнению со свинцовыми аккумуляторами. Это означает, что NiMH аккумуляторы могут быть повторно использованы и имеют более длительный срок службы.
Рекомендации по использованию NiMH аккумуляторов
При использовании NiMH аккумуляторов рекомендуется следовать следующим рекомендациям:
- Перед первым использованием нового NiMH аккумулятора, рекомендуется провести полный цикл зарядки-разрядки. Это поможет активировать аккумулятор и достичь его максимальной емкости.
- Используйте правильное зарядное устройство, предназначенное для NiMH аккумуляторов. Убедитесь, что зарядное устройство соответствует требованиям производителя аккумуляторов. Не превышайте рекомендованное время зарядки, чтобы избежать перегрева и повреждения аккумулятора.
- Если аккумулятор не используется в течение длительного времени, рекомендуется его разрядить до уровня около 40-50% емкости перед хранением. Храните аккумуляторы в прохладном, сухом месте, избегая экстремальных температур и влажности.
- Избегайте глубокой разрядки аккумулятора, так как это может повлиять на его производительность и срок службы. Перестаньте использовать аккумулятор, когда его напряжение достигнет нижнего предела, указанного производителем.
- NiMH аккумуляторы широко применяются в устройствах среднего и высокого энергопотребления, таких как фотоаппараты, игрушки, портативные радиостанции и другие электронные устройства. При выборе аккумуляторов учитывайте требования конкретного устройства и уровень энергопотребления.
- При необходимости утилизации NiMH аккумуляторов, следуйте местным правилам и регулированиям относительно утилизации батарей. Не выбрасывайте аккумуляторы вместе с бытовыми отходами.
Следуя этим рекомендациям, вы сможете максимизировать производительность и срок службы NiMH аккумуляторов, а также обеспечить безопасное использование.
Перспективы развития технологии NiMH аккумуляторов
Технология NiMH аккумуляторов имеет большой потенциал для дальнейшего развития и улучшения. Вот несколько перспектив развития данной технологии:
- Одним из главных направлений развития NiMH аккумуляторов является увеличение их энергетической плотности. Это означает, что аккумуляторы будут способны хранить больше энергии на единицу объема или массы, что приведет к увеличению емкости и продолжительности работы устройств, использующих эти аккумуляторы.
- Одной из основных проблем NiMH аккумуляторов является их постепенное снижение емкости с каждым циклом зарядки-разрядки. В будущем ожидается разработка более стабильных аккумуляторов с повышенной циклической стабильностью, что увеличит их срок службы и эффективность.
- Технология быстрой зарядки является одним из направлений развития аккумуляторных технологий. В случае NiMH аккумуляторов, разработка методов и материалов, позволяющих быструю и эффективную зарядку, может существенно сократить время, необходимое для полного заряда аккумулятора.
- NiMH аккумуляторы имеют некоторые ограничения в работе при экстремальных температурах. В будущем возможно развитие аккумуляторов, которые будут более устойчивы к высоким и низким температурам, что расширит их область применения в различных условиях.
- Важным направлением развития аккумуляторных технологий является улучшение их экологической устойчивости. В случае NiMH аккумуляторов, это может включать разработку более экологически чистых и безопасных материалов для аккумуляторов, а также повышение степени их переработки.
Это интересно: История электромобилей: от первых изобретений до смены приоритетов