Никель-металл-гидридный аккумулятор

Никель-металл-гидридные аккумуляторы

Никель-металл-гидридный аккумулятор типа «Крона», ёмкостью 170 мА·ч и напряжением 8,4 вольта

Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит — гидроксид калия, катод — оксид никеля.

История изобретения

Исследования в области технологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в 1970-е годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов. Однако, применяемые в то время металл-гидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH аккумуляторов застопорился. Новые металл-гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году. Начиная с конца 1980-х годов NiMH аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии. Их разработчики отмечали, что для NiMH технологий имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.

Параметры

• Теоретическая энергоёмкость: 300 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоёмкость: около 60-72 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоплотность: около 150 Вт·ч/дм³.
• ЭДС: 1,25 В.
• Рабочая температура: −60…+55 °C.(−40…+55 °C)
• Срок службы: около 200—500 циклов заряда/разряда.
• саморазряд: до 100 % в год (у старых типов аккумуляторов)

Описание

У никель-металл-гидридных аккумуляторов типа «Крона», как правило — начальным напряжением 8,4 В, напряжение постепенно снижается до 7,2 В, а затем, когда энергия аккумулятора исчерпывается, напряжение снижается быстро. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую ёмкость при тех же габаритах, но меньший срок службы — от 200 до 500 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.

Экологически безопасны.

Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда — 15-16 часов (типичная рекомендация производителя).

Как заряд, разряд и хранение влияют на срок службы аккумуляторных батарей

На аккумуляторные батареи влияет:

1) Заряд:

Выбирайте интеллектуальное зарядное устройство, которое способно при определенных условиях (например, когда аккумулятор заряжен или перезаряжен при минусовом напряжении, или перегревается) автоматически выключаться. Обычно заряд с меньшей скоростью позволяет продлить срок службы аккумуляторов по сравнению с использованием быстрого зарядного устройства.

2) Разряд:

— На срок службы аккумуляторов значительно влияет глубина разряда (DOD). Чем выше DOD, тем короче срок службы аккумуляторов, и наоборот. Таким образом, следует избегать глубокого разряда аккумуляторов до очень низкого напряжения. В зависимости от тока разряда допустимым напряжением на выводах аккумулятора можно считать значение от 0,8 В до 1,0 В.

— Разряд аккумуляторов при высокой температуре сократит срок их службы.

— Если электронное устройство не блокирует полностью расход заряда аккумуляторов (например, потребляет ток в режиме ожидания), нахождение аккумуляторов внутри устройства в течение длительного времени может привести к их глубокому разряду.

— Использование комбинации старых и новых аккумуляторов или аккумуляторов разной ёмкости, химического состава и уровня заряда может привести к их глубокому разряду или даже заряду с обратной полярностью.

3) Хранение:

— Длительно хранение аккумуляторов в местах с повышенной температурой сокращает срок их службы.

— Не забывайте вынимать аккумуляторы из зарядного устройства после заряда.

NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (the low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 года фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее многие мировые производители представили свои LSD NiMH аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трёх недель. Обычные NiMH аккумуляторы теряют до 10 % ёмкости заряда в течение первых 24 часов после заряда, затем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5 % ёмкости в день. Для LSD NiMH этот параметр как правило находится в диапазоне от 0,04 % до 0,1 % ёмкости в день. Производители утверждают, что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

1. Возможность работать с высокими токами разряда. Поэтому LSD NiMH очень хорошо справляются с мощными фонарями, фотовспышками, радиоуправляемыми моделями и любыми другими мобильными устройствами, которые требуют отдачи большого тока.
2. Высокая морозоустойчивость. При −20 °C — потеря номинальной мощности составляет не более 12 %, в то время как лучшие экземпляры обычных Ni-MH АКБ теряют порядка 20-30 %.
3. Лучшее сохранение рабочего напряжения. Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения, характерного для Ni-MH до 1,1 В, а предупреждение низкого питания наступает при 1,205 В.
4. Большее время жизни: в 2-3 раза больше циклов заряда-разряда (до 1500 циклов) и лучше сохраняется ёмкость на протяжении жизни батареи.

Неполный список аккумуляторов долгого хранения (с низким саморазрядом):

• AlwaysReady от Camelion
• AccuEvolution от AccuPower
• MaxE и MaxE Plus от Ansmann
• Ecomax от CDR King
• ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu от Duracell
• nx-ready от ENIX energies
• Prolife от Fujicell
• ReCyko от GP
• Ready4Power от Hama
• Pre-Charged от Kodak
• R2G от Lenmar
• Imedion от Maha
• EnergyOn от NexCell
• Infinium от Panasonic
• Evolta от Panasonic
• Eneloop от Panasonic
• Eneloop от Sanyo
• Hybrid, Platinum, и OPP Pre-Charged от Rayovac
• Pleomax E-Lock от Samsung
• Cycle Energy от Sony
• Centura от Tenergy
• LSD ready to use от Turnigy
• Hybrio от Uniross
• Instant от Vapex
• Ready2Use от Varta
• eniTime от Yuasa
• Precision от Energizer
• Ready to use от Navigator

Другие преимущества NiMH аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH) Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление чем обычные NiMH батареи. Это сказывается весьма положительно в приложениях с высоким токопотреблением:

• Более стабильное напряжение
• Уменьшенное тепловыделение, особенно на режимах быстрого заряда/разряда
• Более высокая эффективность
• Способность к высокой импульсной токоотдаче (Пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
• Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (Пример: пульты ДУ, часы.)

Методы заряда

Кривая заряда NiMH аккумулятора

Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 — 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 — 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для предотвращения эффекта «памяти», метод заряда аккумуляторов переменным асимметричным током).

Контроль окончания заряда по изменению напряжения

Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.

Существует ещё так называемый «inflexion» — метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора ещё не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Контроль окончания заряда по изменению температуры

При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора +60 °С.

Расчет времени заряда

Для приблизительного расчета времени заряда аккумулятора (в часах) можно использовать следующую формулу: t= 1.3*(ёмкость аккумулятора / ток заряда*) t(часы); ёмкость в ампер-часах; ток заряда в амперах.

Области применения

Ni-MH аккумулятор автомобиля Toyota NHW20 Prius

Аккумулятор фирмы Varta, «Museum Autovision», Altlußheim

Замена стандартного гальванического элемента, электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.

Выбор ёмкости аккумуляторов

При использовании NiMH аккумуляторов далеко не всегда следует гнаться за большой ёмкостью. Чем более ёмкий аккумулятор, тем выше (при прочих равных условиях) его ток саморазряда. Для примера рассмотрим аккумуляторы ёмкостью 2500 мАч и 1900 мАч. Полностью заряженные и не используемые в течение, например, месячного срока аккумуляторы потеряют часть своей электрической ёмкости вследствие саморазряда. Более ёмкий аккумулятор будет терять заряд значительно быстрее, чем менее ёмкий. Таким образом по прошествии, например, месяца аккумуляторы будут иметь примерно равный заряд, а по прошествии ещё большего времени изначально более ёмкий аккумулятор будет содержать меньший заряд.

С практической точки зрения аккумуляторы высокой ёмкости (1500—3000 мАч для AA-батарей) есть смысл использовать в устройствах с высоким потреблением энергии в течение короткого времени и без предварительного хранения. Например:

• В плеере;
• В радиоуправляемых моделях;
• В фотоаппарате — для увеличения количества снимков, сделанных в относительно короткий промежуток времени;
• В прочих устройствах, в которых заряд будет выработан за относительно короткий срок.

Аккумуляторы же низкой ёмкости (300—1000 мАч для AA-батарей) скорее подойдут для следующих случаев:

• Когда использование заряда начинается не сразу после зарядки, а по прошествии значительного времени;
• Для периодического использования в устройствах (ручные фонари, GPS-навигаторы, игрушки, рации);
• Для длительного использования в устройстве с умеренным энергопотреблением.

Производители

Никель-металл-гидридные аккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе:

• Ansmann
• Camelion
• Duracell
• Energizer
• GP
• Lenmar
• Navigator
• Panasonic
• Philips
• Samsung (Pleomax)
• Sanyo
• Sony
• TDK
• Varta
• Космос
• Наша сила
• НИАИ ИСТОЧНИК
• ЭРА
• VIDEX

См. также

• Зарядное устройство
• Никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd)
• Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion)
• Литий-полимерный аккумулятор
• Литий-железо-фосфатный аккумулятор
• Свинцово-кислотный аккумулятор
• Нанопроводниковый аккумулятор
• Электрический аккумулятор
• Батарейка
• Батарейка AA
• Батарейка AAA
• Типоразмеры гальванических элементов

Литература

• Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.

Ссылки

• ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
• ГОСТ Р МЭК 61436-2004 Аккумуляторы никель-металл-гидридные герметичные
• ГОСТ Р МЭК 62133-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Требования безопасности для портативных герметичных аккумуляторов и батарей из них при портативном применении