Ni-Cd baterije - prednosti in slabosti
Kaj so NiCd akumulatorji in kakšne so njihove prednosti ter slabosti?
Nikelj-kadmijevi (NiCd) akumulatorji so polnilni akumulatorji, ki jih odlikujejo robustnost, sposobnost zagotavljanja visokih tokov in dobro delovanje pri nizkih temperaturah. Čeprav so jih v številnih prenosnih napravah nadomestile sodobnejše tehnologije, se še vedno uporabljajo v določenih industrijskih in specializiranih aplikacijah.
Njihova glavna slabost je vsebnost strupenega kadmija, zaradi katerega je uporaba NiCd akumulatorjev v Evropski uniji zakonsko omejena.
Kako delujejo NiCd akumulatorji?
NiCd akumulatorji uporabljajo kadmij kot aktivni material negativne elektrode in nikljev oksihidroksid kot aktivni material pozitivne elektrode v napolnjenem stanju.
Elektrolit je običajno alkalna raztopina, najpogosteje na osnovi kalijevega hidroksida.
Nazivna napetost posamezne NiCd celice znaša približno 1,2 V.
Z zaporednim povezovanjem več celic je mogoče sestaviti akumulatorske sklope različnih napetosti.
Katere so glavne prednosti NiCd akumulatorjev?
1. Dolga ciklična življenjska doba
Kakovostni NiCd akumulatorji lahko pri ustrezni uporabi dosežejo približno 1.000–2.000 ciklov, nekatere industrijske izvedbe pa tudi več.
Dejansko število ciklov je odvisno od konstrukcije, globine praznjenja, temperature in načina polnjenja.
2. Visoka tokovna zmogljivost
NiCd akumulatorji so primerni za aplikacije, kjer so potrebni visoki praznilni tokovi.
Zato so se pogosto uporabljali v električnem orodju, zasilnih sistemih in drugi zahtevnejši opremi.
3. Dobro delovanje pri nizkih temperaturah
V primerjavi z nekaterimi drugimi akumulatorskimi tehnologijami imajo NiCd akumulatorji dobre lastnosti pri nizkih temperaturah.
Dovoljeno temperaturno območje je odvisno od konkretne izvedbe, zato je treba upoštevati podatke proizvajalca.
4. Robustna konstrukcija
Industrijske NiCd izvedbe lahko dobro prenašajo zahtevne delovne pogoje in ponavljajoče se električne obremenitve.
To pa ne pomeni, da so odporne proti vsem mehanskim poškodbam ali nepravilnemu polnjenju.
5. Primernost za nekatere sisteme rezervnega napajanja
Zaradi zanesljivosti in dolge življenjske dobe se določene industrijske NiCd izvedbe uporabljajo tudi v železniških sistemih, industrijskih postrojih in drugih posebnih aplikacijah.
Katere so glavne slabosti NiCd akumulatorjev?
1. Vsebnost strupenega kadmija
Kadmij je nevarna težka kovina, ki predstavlja tveganje za zdravje in okolje.
Zato je uporaba NiCd akumulatorjev v številnih kategorijah omejena, odpadne akumulatorje pa je treba oddati v ustrezen sistem zbiranja in recikliranja.
2. Nižja energijska gostota
NiCd akumulatorji imajo običajno energijsko gostoto približno 40–80 Wh/kg, kar je manj kot pri številnih sodobnih litij-ionskih akumulatorjih.
Za enako količino shranjene energije so zato praviloma težji.
3. Razmeroma visoko samopraznjenje
Klasični NiCd akumulatorji lahko med skladiščenjem izgubijo razmeroma velik delež shranjene energije.
Samopraznjenje je odvisno od temperature, konstrukcije in stanja akumulatorja.
4. Spominski efekt in napetostna depresija
Pri določenih načinih ponavljajoče se uporabe se lahko pojavi tako imenovani spominski efekt oziroma zmanjšanje napetosti med praznjenjem.
To lahko povzroči, da naprava zazna akumulator kot izpraznjenega, čeprav je v njem še nekaj razpoložljive energije.
Kaj je spominski efekt pri NiCd akumulatorjih?
Spominski efekt je pojav, pri katerem lahko ponavljajoče se praznjenje in polnjenje v zelo podobnem, omejenem območju povzroči spremembe napetostnega odziva akumulatorja.
V praksi se izraz pogosto uporablja tudi za napetostno depresijo, ki je lahko povezana s spremembami strukture aktivnih materialov.
To ne pomeni, da NiCd akumulator po vsakem delnem praznjenju trajno izgubi preostalo kapaciteto.
Prav tako ni pravilno, da bi morali vse NiCd akumulatorje pred vsakim polnjenjem popolnoma izprazniti.
Pri nekaterih izvedbah lahko proizvajalec priporoča občasno kontrolirano praznjenje in ponovno polnjenje, vendar je treba takšne postopke izvajati skladno z navodili.
Prekomerno praznjenje, zlasti pri večceličnih sklopih, lahko povzroči poškodbe posameznih celic.
Kako pravilno polnimo NiCd akumulatorje?
NiCd akumulatorji zahtevajo polnilnik, ki je prilagojen njihovi kemijski sestavi.
Način zaključka polnjenja je odvisen od vrste celic in polnilnega toka. Uporabljajo se lahko nadzor spremembe napetosti, temperature, časa in drugi zaščitni postopki.
Neustrezen polnilnik lahko povzroči pregrevanje, prekomerno polnjenje in krajšo življenjsko dobo.
Za NiCd akumulatorje zato ni priporočljivo uporabljati polnilnikov, namenjenih izključno litij-ionskim ali svinčeno-kislinskim akumulatorjem.
Kje se NiCd akumulatorji še uporabljajo?
Čeprav so v številnih potrošniških izdelkih manj pogosti, imajo NiCd akumulatorji še vedno pomembno vlogo v določenih specializiranih sistemih.
Med značilnimi področji uporabe so:
-
Industrijski sistemi rezervnega napajanja.
-
Železniška in druga transportna oprema.
-
Nekateri letalski sistemi.
-
Posebne industrijske in varnostne naprave.
-
Vzdrževanje obstoječe opreme, zasnovane za NiCd tehnologijo.
Pri novih projektih je treba preveriti tudi veljavne zakonske omejitve uporabe kadmija in razpoložljivost ustreznih alternativ.
Ali lahko NiCd akumulator zamenjamo z NiMH ali litij-ionskim?
Zamenjava ni vedno neposredno mogoča.
NiCd in NiMH celice imajo sicer enako nazivno napetost približno 1,2 V, vendar se lahko razlikujejo po dovoljenih tokovih, načinu polnjenja in temperaturnih zahtevah.
Litij-ionske celice imajo drugačne nazivne napetosti in zahtevajo drugačno polnilno ter zaščitno elektroniko.
Pred zamenjavo je zato treba preveriti združljivost celotne naprave in polnilnika.
NiCd akumulatorji ostajajo uporabna rešitev za nekatere zahtevne industrijske aplikacije, predvsem zaradi robustnosti, visokih praznilnih tokov in dobrega delovanja pri nizkih temperaturah. Njihovi glavni omejitvi sta nižja energijska gostota in vsebnost strupenega kadmija, zato jih v številnih sodobnih napravah nadomeščajo NiMH in litij-ionski akumulatorji.