Nikl-kadmiová nebo nikl-metalhydridová baterie – jakou si vybrat | AK Booster

Nikl-kadmiové a nikl-metalhydridové baterie jsou dva osvědčené typy baterií, které se stále hojně používají v průmyslu, logistice, medicíně a přenosné elektronice. Každá z nich má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody, takže jasné rozhodnutí není snadné.

V tomto článku se podíváme na rozdíl mezi nikl-metalhydridovou baterií a nikl-kadmiovou baterií, jaké jsou jejich vlastnosti a jak vybrat správné baterie v závislosti na úkolech, kterým čelíte.

Hlavní charakteristiky Ni-Cd a Ni-Mh baterií

Niklkadmiové (Ni-Cd baterie) a niklmetalhydridové (Ni-MH baterie) baterie jsou si na první pohled velmi podobné: stejné jmenovité napětí (1,2 V), podobné velikosti a oblasti použití. Při bližším zkoumání se však ukáže, že mezi nimi existují důležité rozdíly. Pojďme si je prostudovat.

Chemické složení a princip fungování

Nikl-metalhydridové a nikl-kadmiové baterie jsou alkalické a mají podobný princip fungování: během nabíjení a vybíjení probíhá uvnitř reverzibilní chemická reakce, při které se akumuluje a uvolňuje energie.

Složení jejich elektrod je však odlišné a právě tato okolnost do značné míry určuje jejich provozní vlastnosti, životnost a doporučené provozní podmínky.

Niklkadmiová baterie (Ni-Cd)

V nikl-kadmiové baterii je kladná elektroda na bázi oxidu niklu (NiOOH) a záporná elektroda na bázi kovového kadmia (Cd). Jako elektrolyt se používá roztok hydroxidu draselného (KOH), který zajišťuje pohyb iontů mezi elektrodami. Při nabíjení se kadmium mění na hydroxid a při vybíjení se mění zpět na kov, čímž uvolňuje energii.

Nikl-metalhydridová baterie (Ni-MH)

Konstrukce nikl-metalhydridových baterií má také kladnou elektrodu vyrobenou z oxidu niklu, ale místo kadmia se jedná o slitinu schopnou absorbovat a uvolňovat vodík. Může se jednat například o slitinu nikl-lantan nebo nikl-neodym. Elektrolyt, stejně jako u Ni-Cd, je alkalický – obvykle na bázi hydroxidu draselného.

Při nabíjení se ve slitině hromadí vodík, který se při vybíjení uvolňuje a účastní se reverzibilní reakce. To umožňuje zvýšit kapacitu nikl-metalhydridových baterií ve srovnání s Ni-Cd a zároveň eliminovat toxické kadmium.

Srovnávací tabulka baterií

Pro lepší pochopení rozdílu mezi nikl-kadmiovými a nikl-metalhydridovými bateriemi je vhodné je porovnat podle jejich hlavních technických vlastností ve formě srovnávací tabulky:

Nízká (~50–80 Wh/kg)

Vysoká (~60–120 W*h/kg)

Ano (vyžaduje se plné nabití)

Široký rozsah (-40…+60 °C)

Úzký rozsah (-20…+45 °C)

Vysoká (~20 % měsíčně)

Nízká (~30 % měsíčně)

Toxický kadmium (obtížná likvidace)

Vysoká (ale vyžaduje zpracování)

Jak je z tabulky patrné, Ni-Cd baterie vítězí z hlediska spolehlivosti a teplotní odolnosti, zatímco vlastnosti nikl-metalhydridové baterie se týkají větší kapacity a šetrnosti k životnímu prostředí.

Výhody a nevýhody Ni-Cd baterií

Nikl-kadmiové (Ni-Cd) baterie se používají již po celá desetiletí díky svým mnoha výhodám:

• vysoká spolehlivost a dlouhá životnost;
• schopnost pracovat v extrémních podmínkách;
• odolnost proti hlubokému vybití a přebití;

• nízká cena nikl-kadmiových baterií.

Hlavní nevýhodou je přítomnost toxického kadmia, které komplikuje likvidaci po výměně nikl-kadmiových baterií za nové články. Takové baterie vyžadují odvoz do specializovaných recyklačních center. Navíc mají paměťový efekt: pokud se baterie tohoto typu často plně nedobíjí, její užitečná kapacita se časem snižuje – budete ji muset měnit mnohem častěji. Ni-Cd jsou také poněkud těžší a větší ve srovnání s Ni-MH články.

Výhody a nevýhody Ni-MH

Nikl-metalhydridové (Ni-MH) baterie jsou vývojem technologie Ni-Cd a do značné míry je nahradily ve spotřební elektronice díky řadě velmi závažných výhod:

• vysoká energetická náročnost;
• minimální paměťový efekt;
• šetrnost k životnímu prostředí a bezpečnost.

Hlavní slabinou Ni-MH baterií je jejich životnost. V průměru vydrží až 500 cyklů nabíjení a vybíjení, což je výrazně méně než některé řady Ni-Cd baterií. Jsou také citlivé na přehřátí: při nesprávném nabíjení nebo při vysokých teplotách se kapacita může rychleji snižovat. Za zvážení stojí také zvýšené samovybíjení až o 30 % za měsíc, zejména u modelů bez ochrany proti ztrátě.

Сферы применения

Různé typy nikl-kadmiových baterií se nejčastěji používají tam, kde je odolnost vůči poruchám za jakýchkoli provozních podmínek prvořadá. Dobře se osvědčují v letecké a vojenské technice, odolávají silným mrazům, vibracím a poklesům tlaku. Díky dobré odolnosti proti hlubokému vybití a vysokému proudovému výstupu se tyto baterie často instalují v záložních napájecích systémech, nouzovém osvětlení, v námořní dopravě a v zařízeních pracujících daleko od elektrické sítě.

Nikl-metalhydridové baterie se častěji vyskytují v lékařských zařízeních, přenosné elektronice a hybridních automobilech. Díky své vysoké energetické kapacitě a nižšímu paměťovému efektu jsou ideální pro zařízení, kde je důležitý dlouhodobý autonomní provoz bez ztráty kapacity. Absence kadmia je předurčuje k masovému použití v každodenním životě a na veřejných místech.

Nikl-kadmiové a nikl-metalhydridové baterie představují dva různé přístupy k jednomu úkolu: spolehlivému ukládání a dodávce energie. Pokud si nejste jisti, který typ baterie je vhodný pro vaše zařízení nebo úkoly, zanechte nám žádost o bezplatnou konzultaci. Pomůžeme vám vybrat nejlepší řešení.

Téměř všechny moderní gadgety mají jednu věc společnou – mají baterii. A její kapacita zůstává jedním z hlavních kritérií při výběru zařízení. Žijeme v éře mobility a požadavky na baterie každým rokem rostou.

Baterie do notebooků (a mnoha dalších) se skládají z energetických článků uspořádaných v propojených článcích. Notebooky, stejně jako většina ostatních mobilních zařízení, běží na lithium-iontových nebo lithium-polymerových bateriích.

Málokdo přemýšlí o tom, jak obtížné je vytvořit baterii, která splňuje požadavky doby. Dnes se dozvíte, jak se vyrábějí v průmyslovém měřítku. počínaje chemickými prvky.

Lithium-iontová — lithium-iontová

Běžná lithium-iontová baterie se skládá z elektrod (katoda z hliníkové fólie a anoda z mědi) oddělených porézním separátorem impregnovaným kapalným elektrolytem. Elektrodový obal je umístěn v uzavřeném pouzdře, katody a anody jsou připojeny ke svorkám sběrače proudu. Pouzdro je někdy vybaveno pojistným ventilem, který uvolňuje vnitřní tlak v nouzových situacích nebo při porušení provozních podmínek.

Typická lithium-iontová dobíjecí baterie se skládá z kladné elektrody (zelená), záporné elektrody (červená) a separační vrstvy (žlutá), která je odděluje. Lithiové ionty (Li+, modrá) se pohybují od záporné elektrody (anody) ke kladné (katodě). Během nabíjení dochází k opačnému procesu, kdy se lithiové ionty pohybují k anodě. Zdroj

Lithium-iontové baterie mají vysokou energetickou hustotu, ale při používání v chladném počasí se rychle vybíjejí a při přebití nad 4,2 voltu mohou být výbušné. Pokud lithium-iontovou baterii propíchnete a vytvoříte zkrat, vzplane a vznikne opravdu velký požár, který nelze snadno uhasit běžným hasicím přístrojem. Proto je mnoho z těchto baterií vybaveno speciální ochranou.

Li-Po — lithium-polymer

Lithium-polymerová baterie (lithium-iontová polymerová baterie) je vylepšená konstrukce lithium-iontové baterie. V takové baterii není elektrolyt kapalný, ale suchý polymerní materiál (syntetický plast). Na rozdíl od Li-ion je Li-Po bezpečnější, může vydávat silné proudy a díky polymernímu materiálu může mít libovolnou tloušťku a tvar.

Li-Po baterie a technologie

Notebook vybavený lithium-polymerovou baterií podporuje 3krát více nabíjecích cyklů (tj. vydrží 3krát déle) než notebook se standardní lithium-iontovou baterií.

Energetické účinnosti se nedosahuje pouze chemickými vlastnostmi baterie. Ponechání notebooku připojeného k nabíječce, když je baterie již plně nabitá, může vést ke zhoršení výkonu baterie a tím i ke kratší životnosti baterie. Může to také způsobit, že se baterie zvětší v důsledku hromadění plynu uvnitř baterie způsobeného oxidací, což může způsobit deformaci nebo poškození notebooku. Další softwarové technologie umožňují nastavit maximální úroveň nabití na 60 %, 80 % nebo 100 %, čímž se prodlouží životnost baterie a sníží pravděpodobnost zvětšení.

Notebooky jsou také vybaveny mechanismem rychlého nabíjení, díky kterému se baterie nabije na něco málo přes polovinu během několika desítek minut.

Li-Po vs. Li-ion

Kladné a záporné elektrody Li-Po a Li-ion baterií mají podobné chemické složení. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy baterií spočívá ve způsobu jejich sestavení. U lithium-iontové technologie lze pro plášť zvolit pouze tvrdokovové pouzdro, zatímco lithium-polymerová technologie umožňuje použití měkkého pláště (plast nebo hliníková fólie). S tloušťkou až 3 mm má Li-Po výhodu v kapacitě. S tloušťkou větší než 3 mm poskytuje Li-ion značnou cenovou výhodu.

Existují i další typy baterií na bázi lithia: LiFePO4 – lithium-železitý fosforečnan, LiFeYPO4 – lithium-železitý fosforečnan ytritý a další. Liší se různými přísadami, které zlepšují vlastnosti baterie. Většina nových experimentů je však založena na stejném kovu, který nahradil kdysi populární nikl-kadmiové a nikl-metalhydridové baterie.

Lithium

Velmi lehký, velmi měkký kov stříbřitě bílé barvy.

První práce na vytvoření dobíjecí baterie na bázi lithia začaly v roce 1912, ale až do 1970. let 1980. století se experimenty kvůli nestabilitě lithia nedostaly za hranice laboratoře. V 1991. letech XNUMX. století se na základě technologií vyvinutých na Oxfordské univerzitě začaly objevovat první průmyslové lithiové baterie, které se rychle přehřívaly a selhávaly. Teprve v roce XNUMX byla vytvořena baterie, ve které bylo kovové lithium nahrazeno bezpečnější iontovou formou.
Lithium si svou zaslouženou popularitu vysloužilo díky svým zvláštním vlastnostem. Je to jeden z nejlehčích kovů v periodické tabulce, což skutečně pomáhá ukládat velké množství energie v malém objemu a s malou hmotností. Současná popularita lithia však může v budoucnu vést k vyčerpání tohoto kovu.

Těžba lithia je pracný proces, a to i v oblastech, kde je tento kov hojný. Po desetiletí se komerční produkce lithia spoléhala na nerostné zdroje, jako je spodumen, petalit a lepidolit. Těžba lithia z rudy však stojí dvakrát tolik než jeho výroba ze solanek.

Hlavní ložiska lithia vhodná pro aktivní rozvoj se nacházejí v Jižní Americe a Číně. V Rusku je většina lithia obsažena ve slídě, která doprovází ložiska kovů vzácných zemin. Až donedávna byla extrakce lithia ze slídy příliš drahá, ale v roce 2017 vědci z NUST MISIS představili zařízení, které zlevnilo extrakci sloučenin lithia z chudých rud o polovinu.

Většina lithia se dnes těží z přírodních vodních čoček solných jezer, kde nasycené roztoky solanky koncentrují chlorid lithný, draslík a sodík. Roztok se čerpá a odpařuje na slunci a výsledná směs soli se zpracovává.

Extrakce lithia

Solné pláně Uyuni obsahují asi 100 milionů tun lithia, což představuje 50 až 70 % celosvětových zásob..

Největší zdroj lithia se nachází v Bolívii – jedná se o solnou pláň Uyuni, vyschlé solné jezero ležící v nadmořské výšce asi 3650 10 m. Má rozlohu 588 2 km². Vnitrozemí je pokryto vrstvou kuchyňské soli o tloušťce 8–XNUMX m. Chlorid lithný, který se zde nachází ve velkém množství, je vhodný k extrakci lithia a dříve se používal jako náhrada běžné soli. Po objevení jeho toxických účinků se již nepoužíval jako potravina.

Lithiové solné jezírko v Argentině.

Pro extrakci lithia se solanka nejprve čerpá na povrch do speciálních nádrží, kde se pod vlivem slunce několik měsíců pomalu odpařuje. Když chlorid lithný v odpařovacích nádržích dosáhne optimální koncentrace, roztok se čerpá do regeneračního zařízení, kde se ze směsi filtrací odstraní nežádoucí nečistoty.

Přeměna lithia na kov probíhá v elektrolytickém článku. Chlorid lithný se smíchá s chloridem draselným v poměru 55 % ku 45 % za vzniku roztaveného eutektického elektrolytu. Tavenina se poté elektrolyzuje při 600 °C za vzniku roztaveného lithia, které stoupá na povrch elektrolytu.

Další chemické prvky

Cenové složky lithium-iontové baterie.

Uvnitř lithium-iontové baterie lze použít několik katodových materiálů. Zpočátku byl hlavní složkou katody kobalt, ale jeho dostupnost v přírodě je omezená a je toxický, což je pro hromadnou výrobu obrovskou nevýhodou. Dnes je kobalt částečně nahrazen niklem a také směsí kobaltu, niklu a manganu.

Bezpečná a odolná baterie vyžaduje spolehlivý elektrolyt, který odolá stávajícímu napětí a vysokým teplotám a má dlouhou životnost, což zajišťuje vysokou mobilitu lithiových iontů. Elektrolytické roztoky se skládají z organických rozpouštědel, soli LiPF6 (hexafluorofosfát lithný) a různých přísad.

Vysoce čistý elektrolyt hraje klíčovou roli v transportu kladných lithiových iontů mezi katodou a anodou. Přísady elektrolytu zlepšují stabilitu tím, že zabraňují degradaci roztoku. Složení elektrolytu se liší v závislosti na použitých materiálech anody a katody, ale volba elektrolytu často zahrnuje kompromis mezi hořlavostí a elektrochemickým výkonem.

Polymerní elektrolyty jsou iontově vodivé polymery. V kompozitech se často mísí s keramickými nanočásticemi, což vede k vyšší vodivosti a odolnosti vůči vyšším napětím.

Lithium-iontové baterie používají jako sběrače proudu různé kovové fólie, včetně měděné, niklové nebo katalytické měděné fólie. Měděná fólie se obvykle používá jako záporná elektroda pro anodový sběrač proudu a hliníková fólie jako kladná elektroda pro katodový sběrač proudu.

Struktura Li-Po baterie

Anoda se skládá ze směsi grafitu a lithia (lze použít i intermetalické sloučeniny nebo křemík), zatímco katoda kombinuje lithium a další kovy (materiály katody vyžadují extrémně vysokou čistotu a musí být téměř zcela prosté nežádoucích kovových nečistot – železa, vanadu a síry).

Katodu od anody odděluje separační materiál vyrobený z polypropylenu, polyethylenu nebo jiného podobného polymerního materiálu. Většina separátorů pro baterie je vyrobena z velmi jednoduchých plastových fólií, které mají správnou velikost pórů, aby umožňovaly pohyb iontů a zároveň blokovaly ostatní prvky. V případě kapalného elektrolytu je separátor pěnový materiál, který je nasáklý elektrolytem a drží ho na místě.

Proces výroby baterií

Anodové a katodové základny se dodávají do továrny jako černý prášek a pro netrénované oko jsou od sebe téměř nerozeznatelné. Prášek je velmi jemně mletý, aby se dosáhlo maximálního efektivního povrchu elektrod. Důležitý je také tvar částic. Upřednostňují se hladká kulovitá zrna se zaoblenými hranami, protože ostré hrany nebo vločkové povrchy jsou citlivé na vysoké elektrické namáhání.

Anody a katody v lithiových bateriích mají stejný tvar a vyrábějí se stejnými postupy na identickém zařízení. Protože však kontaminace mezi materiály anody a katody baterii zničí, obvykle se zpracovávají v oddělených dílnách, aby se zabránilo kontaktu mezi materiály.

První fáze výroby zahrnuje smíchání elektrodových materiálů a nanesení suspenze na povrch fólie. Aktivní elektrodové materiály jsou z obou stran potaženy kovovou fólií, která funguje jako sběrač proudu a vede proud uvnitř i vně článku. Fólie s materiály se poté suší, nařezává na úzké proužky a sroluje do několika vrstev. To vyžaduje neustálé sledování, protože jakékoli otřepy na okrajích fóliových proužků mohou vést k vnitřním zkratům v článcích.

Během procesu montáže baterie je separátor sevřen mezi anodou a katodou. Po umístění baterie do pouzdra se toto naplní elektrolytem a utěsní. To se musí provádět v „suché místnosti“, protože elektrolyt reaguje s vodou. Vlhkost způsobí rozklad elektrolytu a uvolňování toxických plynů.

Elektrody jsou umístěny v pouzdře a ponechány jsou otvory pro doplňování elektrolytu.

Jakmile je sestava článku dokončena, musí projít alespoň jedním kontrolovaným cyklem nabíjení/vybíjení. Proces nabíjení začíná nízkým napětím, které se postupně zvyšuje. Teprve po absolvování testu baterie opustí továrnu a bude odeslána na svou trasu.

V budoucnu se nepochybně objeví nové typy baterií. Možná se pak lithium stane minulostí. Mezitím stále existuje mnoho příležitostí ke zlepšení vlastností stávajících baterií.

• akumulátory
• výroba baterií

• Blog společnosti ASUS
• Gadgets
• Smartphony
• Energie a baterie
• Notebooky