2.2. Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи

Разработка никель-металлгидридных аккумуляторных бата­рей началась в 1970 г. в результате изобретения способа сохране­ния водорода в никель-водородных батареях. Никель-водород­ные батареи используются до сих пор главным образом в спут­никовой аппаратуре. Они громоздки, имеют емкости высокого давления для хранения водорода, и каждая из них стоит тысячи долларов.

В ранних экспериментах с никель-металлгидридными акку­муляторами металлгидридные сплавы в их среде работали неста­бильно, и требуемой емкости батарей достичь не удавалось. По­этому их развитие задерживалось до тех пор, пока в 80-х годах прошлого века не были разработаны новые металлгидридные сплавы, которые работали стабильно. С тех пор конструкция ни­кель-металлгидридных батарей постоянно совершенствовалась в сторону увеличения их энергетической плотности.

Успех распространению никель-металлгидридных батарей обеспечили высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, применяемых при их производстве. По сравнению с

14

Никель-кадмиевые и никель-метамгидридные батареи

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

15

Фото 2

никель-кадмиевыми современные никель-металлгидридные ба­тареи имеют более высокую — почти на 40 % — энергетическую плотность. Имеется возможность и для дальнейшего ее повыше­ния, но не без некоторых нежелательных побочных эффектов.

Как и никель-кадмиевым, никель-металлгидридным аккуму­ляторным батареям присущ высокий саморазряд. Если ни­кель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в первые 24 часа после заряда, которая затем снижается примерно на 10 % каждый месяц, то никель-металлгидридные батареи теряют за такое же время в 1,5 раза большую емкость. Подбор металлгид-ридных материалов, улучшающих водородные связи и уменьша­ющих коррозию сплава, позволяет уменьшить скорость самораз­ряда, однако при этом увеличивается цена и снижается энерге­тическая плотность аккумуляторной батареи.

При заряде никель-металлгидридных батарей протекают ре­акции у положительных пластин:

Ni(OH)₂ + ОН^- -> NiOOH + Н₂О + е^-; у отрицательных пластин:

М + Н₂О + е^- -> МН_П0ГЛ + ОН^-,

где М — сплав, поглощающий водород; Н_погл — поглощенный сплавом водород.

При разряде протекают обратные реакции. В качестве поглоти­теля водорода применяются никель-железные, марганцево-цинко-вые, марганцево-никелевые и лантано-никелевые сплавы.

В настоящее время никель-металлгидридные батареи посте­пенно заменяют никель-кадмиевые при использовании их в ка­честве источника питания беспроводных средств связи и моби­льных компьютеров. И во многих странах этот процесс поддер­живается законодательно с целью защиты окружающей среды от вредного воздействия токсичных отходов.

На вопрос о том, улучшатся ли качество и энергетическая емкость никель-металлгидридных батарей в ближайшем буду­щем, специалисты отвечают, что улучшатся, но незначительно. Поэтому наиболее перспективным считается постепенный пере­ход к более совершенным литий-ионным батареям.

В настоящее время цена на никель-металлгидридные батареи практически сравнялась с ценой на никель-кадмиевые батареи. Это произошло благодаря большим объемам их производства и стимуляции процесса перехода на их использование. По оконча­нии перехода цены на них, возможно, возрастут.

Преимущества никель-металлгидридных аккумуляторных ба­тарей:

• емкость на 30—40 % выше емкости никель-кадмиевых ба­ тарей, и имеется потенциал для увеличения их энергетиче­ ской плотности;

• значительно меньшая, чем у никель-кадмиевых батарей, подверженность «эффекту памяти» (но нельзя сказать о его отсутствии вообще);

• простота хранения и транспортировки — не требуется ре­ гулярного контроля;

• экологически чистые — содержат только очень слабые токсины, возможна вторичная переработка.

Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных ба­тарей:

• ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки. Емкость снижается уже после 200—300 циклов заряд/разряд. При эксплуатации более предпочтителен ча­ стичный разряд, нежели полный;

• ограниченный ток разряда — хотя эти аккумуляторы и до­ пускают высокие токи разряда, повторяющиеся разряды

16

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи

17

Рис. 2.2. Устройство никель-кадмие­вого аккумулятора

при таких токах существенно снижают срок службы бата­рей. Наилучшие результаты при эксплуатации батарей по­лучаются в том случае, если ток разряда составляет 0,2...0,5С (С — Capacity — емкость батареи); необходимость более сложного алгоритма заряда, посколь­ку в его процессе выделяется большое количество тепла; высокий саморазряд — почти на 50 % больший, чем у ни­кель-кадмиевых батарей. Новые химические добавки сни­жают саморазряд, но при этом уменьшается и энергетиче­ская плотность батарей;

при хранении при повышенных температурах емкость ба­тарей снижается. Никель-металлгидридные батареи следу­ет хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %;

необходимость ухода — батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации; относительно высокие цены — цены на эти батареи в среднем на 20 % больше, чем на аналогичные никель-кад­миевые батареи.