آشنایی با باتری های نیکل کادمیوم

 باطری نیکل کادمیوم چیست؟

باتری‌های نیکل–کادمیم (به انگلیسی: Nickel–cadmium battery) (مخفف : NiCd یا NiCad) گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ هستند که در آن از نیکل (III) اکسید و کادمیم به صورت فلز به عنوان الکترود استفاده می شود و به همین دلیل اسم این باتری ها را Ni-Cd قرار داده اند.

در مقایسه با سابر باتری های قابل شارژ، باتری های ni-cd دارای چرخه کار بهتری هستند اما مهمترین مزیت آنها تحویل ظرفیت نامی حتی در نرخ دشارژ بالا است اگرچه این باتری ها دارای قیمت بالاتری نسبت به باتری های سرب اسید هستند و نرخ خود دشارژی این باتری ها بالا است.

تاریخچه تولید باطری Ni-Ca

باتری های نیکل کادمیوم تر (باتری هایی که الکترولیت آن ها مایع است را باتری تر میگویند) در سال ۱۸۹۹ توسط Waldemar Jungner اختراع شدند. این باتری ها به سرعت سهم بازار را در سال ۱۹۹۰ از دست دادند و باتری های نیکل-متال هیدرید و لیتیوم-یون جایگزین آن شدند.

به واسطه پیشرفت تکنولوژی ساخت باتری در نیمه دوم قرن بیستم باتری ها با قیمت بسیار ارزانتر تولید شدند و دستگاه هایی که به وسیله باتری کار میکنند بسیار گسترش پیدا کردتد. به طوری که در سال ۲۰۰۰ حدود ۱٫۵ میلیارد باتری نیکل کادمیوم به طور سالانه تولید شد. تا اواسط سال ۱۹۹۰ باتری های نیکل کادمیوم اکثریت باتری های شارژ پذیر را در کاربردهای خانگی دارا بودند.

ساختار باتری نیکل کادمیوم

باطری نیکل کادمیوم نوعی باطری قابل شارژ می باشد که در آن اکسید نیکل و کادمیوم بکار رفته و محلول هیدروکسید پتاسیم با غلظت 20 تا 35 درصد از حجم کل محلول الکترولیت را بخود اختصاص داده است. هرچه تعداد دفعات دشارژ باطری افزایش یابد طول عمر آن کاهش می باید، ولی باطری نیکل کادمیوم دارای چرخه دشارژ بیار بیشترری نسبت به دیگر بازری های مشابه هستند.

باتری های نیکل کادمیوم به دلیل خطرات زیست محیطی که کادمیوم دارد تولیدش محدود شده است و جای خود را به باتری های لیتیومی و نیکل هیدریدی داده است. این باتری چگالی جرمی و حجمی بیشتری نسبت به نوع سرب اسید دارد و گران تر است.

مانند باتری های قابل شارژ دیگر مقاومت داخلی کمتری نسبت به نوع اولیه دارد. جریان نشتی این باتری از نوع سرب اسید بیشتر است. این نوع باتری در شکل ها، اندازه ها و ولتاژ های گوناگونی ساخته می شوند.

باطری هایی که این ساختار شیمیایی را دارند معمولا در سایزهای قلمی، نیم قلمی و SC تولید و عرضه می شوند و برای استفاده در جارو شارژی، تلفن بیسیم، دریل شارژی و اسباب بازی های کنترلی به کار می روند.

مشخصات باتری نیکل کادمیوم

ولتاژ سلول باتری نیکل کادمیوم

سلول های نیکل کادمیوم ولتاژی در حدود ۱٫۲ ولت دارند که کمتر از ولتاژ نامی ۱٫۵ ولت سلول های آلکالاین یا Zn-C است به همین دلیل نمیتوانند در همه کاربردها جایگزین این باتری ها شوند.

اما این ولتاژ ۱٫۵ ولت، ولتاژ شارژ کامل باتری های آلکالاین است و هنگامی که این باتری ها تخلیه میشوند به ولتاژی حدود ۰٫۹ ولت میرسند.

از طرفی باتری های نیکل کادمیوم تقریبا افت ولتاژ ناچیزی دارند به همین دلیل دستگاه هایی که ولتاژ ۰٫۹ ولت تا ۱٫۵ ولت را تحمل میکنند به راحتی میتوانند با باتری نیکل کادمیوم نیز کار کنند.

کاربردهای باتری نیکل کادمیوم

سلول های نیکل کادمیوم میتوانند به صورت تک یا چند سلول پک شوند. سلول های کوچک میتواند برای کاربردهایی نظیر اسباب بازی ها یا وسایل الکترونیکی همراه به کار برده شود.

به طور عمده باتری های نیکل کادمیوم در تلفن های بی سیم، روشنایی اضطراری، کامپیوترها، اسباب بازی ها استفاده میشود. باتری های نیکل کادمیوم بزرگ در خودروهای الکتریکی، قایق ها، سیستم های برق اضطراری  و استارتر هواپیما استفاده میشود.

شارژ باتری های نیکاد

سلول های نیکل کادمیوم میتوانند با سرعت های مختلفی شارژ شوند که بستگی به ساختار باتری دارد. جریان شارژ باتری معمولا متناسب با ظرفیت نامی باتری است و میتواند از ۰٫۱ آمپر ساعت نامی تا ۴ برابر آمپر ساعت نامی باشد که البته بسیار کم مورد استفاده قرار میگیرد.

هرچه که جریان شارژ باتری بیشتر باشد دمای باتری به سرعت بالا میرود. البته فرآیند شارژ باتری نیکل کادمیوم یک فرآیند گرماگیر است اما هنگامی که باتری نزدیک به شارژ کامل باشد دمای آن به سرعت بالا میرود و به ۴۵ تا ۵۰ درجه میرسد که بعضی از شارژرها از طریق دما متوجه شارژ کامل باتری شده و فرآیند شارژ را متوقف میکنند.

در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد این نوع باتری ها حدود ۱۰ درصد در ماه دشارژ میشوند اگر میخواهید باتری را به مدت طولانی مورد استفاده قرار ندهید باید شارژ آن را حدود ۴۰ درصد قرار دهید البته بعضی از کمپانی ها اتصال کوتاه باتری کاملا خالی را پیشنهاد میکنند. در ضمن باتری ها باید در جای خشک و خنک باشند.

دشارژ باتری نیکل کادمیوم

سرعت دشارژ باتری نیکل کادمیوم به سایز آن بستگی دارد. به عنوان نمونه در سایز AA سرعت تخلیه میتواند ۱٫۸ آمپر باشد و برای سایز D به ۳٫۵ آمپر برسد.

مثلا در یک هواپیما یا قایق که جریان زیادی تا حدود ۱۰۰ آمپر را برای ۵ تا ۶ دقیقه نیاز است تا موتور را به حرکت درآورده شود میتوا از یک باتری نسبتا کوچک استفاده کرد. البته در کاربردهایی که به چگالی توان بالا نیاز است میتوان از باتری های لیتیوم پلیمر یا لیتیوم-آهن فسفات استفاده کرد.

شارژ بیش از حد باتری نیکاد

سلول های نیکل-کادمیوم شامل یک مخزن تحت فشار است که گازهای اکسیژن و هیدروژن را قبل از اینکه بتوانند دوباره به آب ترکیب شوند را در بر می گیرد.

از آن جایی که تولید این گازها به طور متعارف طی شارژ و تخلیه سریع و در شرایط آور شارژ اتفاق می افتد، اگر فشار بیش از حد افزایش یابد شیر دریچه اطمینان عمل کرده و بخار آب کاهش می یابد.

از آن جایی که مجراها برای حاوی مقدار دقیق الکترولیت طراحی گشته اند این کاهش بخار آب به سرعت در ظرفیت سلول ها و توانایی آنها برای دریافت و ارسال جریان را تحت تاثیر قرار می دهد.

تشخیص اورشارژ باتری بر عهده شارژر است بنابراین انتخاب یک شارژر ارزان و بی کیفیت یا شارژر نامناسب به سلول های باتری آسیب می رساند. شارژر باتری نیکل کادمیوم با شارژ باتری های سیلد اسید متفاوت است.

اثر حافظه در باتری های نیکل کادمیوم

باتری های نیکل کادمیوم مشکلی به نام “اثر حافظه” دارند که اگر صدها بار تا درصد مشخصی دشارژ و دوباره شارژ شوند باتری آن نقطه را در حافظه خود نگه میدارد و هنگامی که شارژ باتری به آن نقطه برسد به طور ناگهانی ولتاژ باتری کاهش میابد.

در استفاده های بعدی، ولتاژ در آن نقطه افت می کند، انگار که تخلیه شارژ صورت گرفته باشد. به این دلیل است که بهتر است باتری نیکاد را قبل از شارژ مجدد، تا انتها تخلیه کنید. با این نوع استفاده مناسب، پیش از اینکه ظرفیت از بین برود، باتری نیکل کادمیوم می تواند بیش از 1000 چرخه دوام بیاورد.

البته این امر لزوما به معنای کاهش ظرفیت باتری نیست زیرا تقریبا بسیاری از تجهیزاتی که از این باتری ها تغذیه میکنند میتوانند این کاهش ولتاژ را تحمل کنند و باز هم توان مورد نیاز خود را از باتری دریافت کنند.

اگر تقریبا هر ماه یک بار باتری را به طور کامل تخلیه کنید تقریبا میتوان گفت اثر حافظه از بین میرود. این مورد باز هم میتواند به ویژگی های شارژر برگردد و یک شارژر خوب باید به طور خودکار این موارد را انجام دهد تا باتری بیشترین طول عمر ممکن را داشته باشد.

تاثیرات زیست محیطی

باتری های نیکل کادمیوم شامل ۶ درصد (در موارد صنعتی) یا ۱۸ درصد (در موارد تجاری) کادمیوم هستند که یک فلز سنگین و سمی است. بنابراین دفع باتری نیازمند مراقبت های ویژه است. کادمیوم یک فلز سنگین است که هنگام دفن یا سوزانده شدن باعث ایجاد آلودگی قابل توجه میشود به همین دلیل امروزه بسیاری از کشورها در تلاش هستند تا باتری های کهنه را دوباره بازیافت و قابل استفاده کنند.

قیمت باتری های نیکل کادمیوم

باتری های نیکل کادمیوم حدودا بین ۲ تا ۴ بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسیدی هستند. البته با توجه به کیفیت و تکنیک ساخت آن این امکان وجود دارد که به بیشتر از ۵ برابر نیز برسد. ولی مصرف کنندگان بیشتری به سمت باتری های نیکل کادمیوم می روند.

باتری نیکل کادمیوم ups

درون یو پی اس‌ ها یک باتری قرار گرفته است که یو پی اس در حالت عادی که ولتاژ به طور مناسب وجود دارد، با استفاده از جریان برق، این باتری یو پی اس را شارژ می‌کند. در صورتی که قطعی برق یا افت ولتاژ اتفاق بیفتد، به‌ طور خود به خودی منبع تغذیه­ دستگاه­ها توسط یو پی اس از برق شهر به این باتری تغییر پیدا می‌کند.

این کار تقریباً آنی انجام می­شود و زمان لازم برای آن در حدود یک یا دو هزارم ‌ثانیه است. و در نتیجه دستگاه‌های الکتریکی اصلاً متوجه قطع جریان الکتریکی نمی‌شوند و بدون آسیب به کار عادی خود ادامه می‌دهند. باتری‌های لیتیوم و سیلور آلکالین، سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربردترین انواع باتری‌ قابل استفاده در یو پی اس می‌باشند.

یو پی اس چیست ؟ نقش سیستم ups

ویژگی های باتری های یو پی اس کادمیوم عبارتند از:

1. طول عمر و زمان کارکرد بسیار بالا (دارای بیش از 1000 چرخه‌ی شارژ و دشارژ هستند. )
2. دوام و استقامت بسیار زیاد در برابر تنش‌های الکتریکی و مکانیکی که یو پی اس را در محیط‌های مختلف تهدید می‌کند.
3. میزان دشارژ خود به خودیِ کم
4. میزان مقاومت داخلی اندک

مزیت‌های باتری ups نیکل کادمیوم نسبت به سایر باتری‌ها

• استقامت بیشتر
• نگهداری آسان‌تر
• عمر موثر بیشتر
• اشغال فضای کمتر
• وزن کمتر

معایب باطری یو پی اس نیکل کادمیوم نسبت به سایر باتری‌ها

• ولتاژ کمتر هر یک از سلول‌ها
• افت ولتاژ در حالت دشارژ
• راندمان آن‌ها حدود60 تا 75 درصد است و به نسبت می‌توان گفت که مصرف شارژ قابل ملاحظه ای دارند.
• مصرف بالاتر آب مقطر
• هرچند سال یک بار لازم است اقدام به تعویض الکترولیت آن‌ها کرد.
• قیمت بیشتر
• حساسیت بیشتر نسبت به دماهای زیاد

اصول نگهداری و افزایش عمر مفید باتری نیکل کادمیوم

باتری های نیکل کادمیوم با تعویض الکترولیت مربوطه و احیا باتری می توانند تا ۲۵ سال طول عمر داشته باشند. که دستیابی به این موضوع در گرو سرویس و نگهداری علمی و اصولی می باشد. لازم به توضیح است باتری های نیکل کادمیوم در صنایع نفت و پتروشیمی، ناوگان حمل و نقل راه آهن و مترو کاربرد فراوان دارد. که نیازمند سرویس های دوره ای منظم می باشند.

نگهداری و مراقبت از باتری های نیکل کادمیوم و استفاده مطلوب تا مرز ۲۵ سال بستگی به عوامل متعددی از جمله: کیفیت ساخت باتری، چگونگی شارژ و دشارژ و پارامترهای دیگری، بویژه تعویض الکترولیت باتری دارد.

طول عمر باتری های نیکل کادمیوم

یک قانون کلی در ارتباط با طول عمر اکثر باتریها وجود دارد و آن اینکه با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر آن کم خواهد شد. اما باتری های نیکل کادمیوم به عمق دشارژ نیز حساس هستند. به این معنی که اگر فرضا باتری به طور متوسط ۳۰ درصد دشارژ شود طول عمر آن بسیار بیشتر از حالتیست که به طور متوسط تا ۸۰ درصد دشارژ می گردد.

گرچه باتری های نیکل کادمیوم بسیار گرانتر از باتری های سرب اسیدی هستند. اما تعداد سیکل هایی که می توان آنها را دشارژ کرد بسیار بیشتر از باتری های سربی است.

 نحوه شارژ باتری نیکل کادمیوم

ولتاژ نامی سل این باتری 1. 2 ولت و با کنترل سطح ولتاژ و دمای آن شارژ می شود. ولتاژ در حین شارژ از ولتاژ بعد از اتمام شارژ بیشتر است (یعنی وقتی باتری از مدار شارژ خارج می شود ولتاژ کمتری نسبت به موقعی که داخل مدار است دارد).

نحوه دشارژ باتری نیکاد

این باتری در  مقابل اتصال کوتاه حساس است و به راحتی آسیب می بیند. همچنین  مانند بقیه باتری ها در مقابل نرخ دشارژ بیشتر از 1C و کاهش بیشتر از ولتاژ EODV حساس است و طول عمرش کاهش می یابد. علاوه بر آن این باتری در مقابل اضافه شارژ حساسیت بیشتری نسبت به نوع سرب اسید دارد.

این باتری نباید به مدت طولانی بصورت شارژ شده انبار شود. و بهتر است که قبل از شارژ شدن مجدد کامل تا ولتاژ تخیله کامل پایین آید. دمایی که می تواند در آن کار کند از از 20- تا 70 درجه سانتی گراد است. چرخه ی شارژ و دشارژ بهتری نسبت به نیکل هیدرید دارد ولی نسبت به اضافه جریان شارژ حساس تر است؛ پس ولتاژ اعمال شده به آن باید تنظیم شده باشد.

 احیا باتری نیکل کادمیوم