Устройство, эксплуатация, срок службы никель─железных аккумуляторов
Никель─железные аккумуляторы относятся к группе щелочных и по объёму выпуска в нашей стране занимают второе место после свинцовых батарей. В основном они используются в качестве тяговых АКБ. Этот тип батарей имеет длительный срок службы (до 3 тысяч циклов заряд-разряд), быстро заряжаются и они стоят дешевле никель─кадмиевых. Поэтому в отечественной промышленности они широко используются в электровозах и другом железнодорожном транспорте, складской технике, электрокарах. Один из недостатков – высокий саморазряд. Но при эксплуатации их в режиме тяговых – это не критично. Сегодня мы рассмотрим устройство никель─железных аккумуляторов, особенности их эксплуатации и перспективы использования.
Содержание статьи
Процессы, происходящие в никель─железном аккумуляторе
Электрохимическая система никель─железного аккумулятора состоит из оксидно-никелевого электрода NiOOH (положительный электрод), железной губки (отрицательный) и едкой щелочи KOH (электролит). В процессе работы в аккумуляторе протекают следующие электрохимические процессы.
На оксидно-никелевом электроде идёт реакция:
2NiOOH + 2H2O + 2e— ⇒ 2Ni(OH)2 + 2OH—
На железном электроде протекает реакция:
Fe + OH— ⇒ Fe(OH)2 + 2e—
Реакции протекают обратимо. При разряде они идут слева направо, а при заряде – в обратном направлении.
При протекании электрохимической реакции могут также образовываться оксиды Fe2O3 и FeOOH. Изменение физических и химических свойств оксидной плёнки приводит к торможению реакции на аноде. При этом происходит пассивация электрода. Причём пассивация становится сильнее при снижении температуры KOH и росте разрядного тока. Пассивации также способствует присутствие таких примесей, как сурьма, мышьяк, магний, никель и марганец. В роли депассиватора на железном электроде выступает сульфид-ион. Он ослабляет и подавляет пассивацию, протекающую из-за примесей. При адсорбции на железном электроде сульфид-ион активирует его поверхность.
Но ёмкость железного электрода при разряде, кроме пассивации, ещё ограничивается увеличивающимся сопротивлением активной массы. При разряде образуется Fe(OH)2. Он способствует образованию в губчатом электроде изолирующих прослоек. В результате происходит неравномерное распределение плотности тока по электроду. На некоторых участках разряд проходит неэффективно, что приводит к снижению коэффициента использования активной массы.
Сульфид-ион также способствует увеличению переходного омического сопротивления. В результате этого разрядная характеристика никель─железного аккумулятора с депассивирующим сульфид-ионом имеет большую длительность разряда и лежит в границах менее отрицательного потенциала.
Во время заряда отрицательного электрода идёт побочная реакцией с выделением водорода. Она становится более интенсивной при перемещении реакции в глубину электрода. Это происходит из-за низкого водородного напряжения на губчатом железе, а также близкие равновесные потенциалы. Выход железа по току во время зарядки составляет не выше 70 процентов. Эффективность заряда во многом зависит выделения на поверхности электрода H2.
Вернуться к содержанию
Конструкция
Стандартный никель─железный аккумулятор – это блок плоских электродов, в прямоугольном стальном корпусе с никелированным покрытием. На верхней крышке находятся борны (токосъёмники) и пробка для заливки электролита. Эта конструкция, за исключением материалов электродов, полностью повторяет ламельные никель─кадмиевые аккумуляторы.
Параметры Ni─Fe аккумуляторов во многом определяются их конструкцией и технологии производства электродов. Последние отличаются видами токоведущих каркасов. Ламельная конструкция подразумевает помещение активной массы в перфорированную оболочку их стали. В аккумуляторах безламельной конструкции активная масса напрессовывается или навальцовывается на сетку из стали. Чаще всего использует ламельная конструкция.
Есть разновидности с плоскими и трубчатыми ламелями. Отечественные производители делают в основном никель─железные аккумуляторы с плоскими ламелями. Они представляют собой коробочки, ширина которых 13 миллиметров. Высота может быть 2,8 (отрицательный электрод) или 4 миллиметра (положительный). Длина ламелей определяется размерами самого аккумулятора. Примерно 15 процентов площади поверхности электрода занимает перфорация. Ламель производится из 2 стальных лент. Их толщина составляет 0,1 миллиметра. Положительные ламели выполняются никелированными. Одна пластина сделана в форме желоба, а вторая в виде крышки.
Ламели расположены горизонтально и собраны в ряды. Они плотно собираются одна к другой, а по краям к ним закрепляются рёбра, служащие токоотводами. Наверху сваркой прикрепляется контактная планка, имеющая ушко для сборки группы пластин. Полублоки различной полярности представляют собой блок электродов. Сепараторами для разделения противоположных пластин в нём служат эбонитовые палочки. Вместо эбонитовых палочек могут использоваться резиновые жгуты, сетки из полиэтилена с крупными ячейками. В качестве сепараторов могут использоваться и другие материалы, которые способны обеспечить расстояние 2 миллиметра между электродами. Производство плоских ламелей довольно простое и может выполняться в больших объёмах на высокопроизводительном оборудовании.
К недостаткам ламельных никель─железных электродов стоит отнести их малую механическую прочность. Оксидно-никелевая масса в них набухает, и они могут увеличиваться в толщине на 35—40 процентов. Начальная плотность активной массы положительного электрода составляет 1,7 грамма на кубический сантиметр. Этого сказывается на удельной ёмкости в процессе функционирования. Сопротивление электрода в процессе эксплуатации растёт из-за того, что окисляется контактная поверхность графита. Эта добавка играет роль электропроводящего элемента. В активную массу вместе с графитом попадают и различные вредные примеси.
В результате электрод имеет сниженные эксплуатационные и электрические параметры. Трубчатые ламели имеют более совершенную конструкцию и лучшие эксплуатационные параметры. Диаметр трубчатых ламелей составляет 4,5 или 6,4 миллиметров. Их делают из перфорированной ленты путём скручивания. Трубки наполняют активной массой и сглаживают соединительный шов. Для увеличения прочности трубки дополнительно окольцовывают. Перфорация ламелей делается в виде отверстий круглой формы. Диаметр 0,2 миллиметра не ослабляет прочность ламели. В то же время достигается большая степень открытия электрода.
Эксплуатация
Никель─железные аккумуляторы выпускаются с ёмкостью 8─1150 Ач. Как уже говорилось выше, в основном они используются в качестве тяговых. Номинальная ёмкость Ni─Fe батареи определяется электрическим зарядом, который она отдаёт за 10 часов при температуре 20 градусов Цельсия до величины напряжения 1 вольт.
После зарядки никель─железный аккумулятор без подключённой нагрузки имеет напряжение 1,48 вольта. Постепенно при переходе в равновесное состояние плюсового электрода оно падает до 1,35 вольта. Номинал разрядного напряжения составляет 1,2 вольта. На разрядных характеристиках можно видеть зависимость ёмкости с напряжением аккумулятора от разрядного тока. Основной причиной снижения ёмкости и напряжения является большое внутреннее сопротивление, а также пассивация губчатого железного электрода.
Заряд
Заряд никель─железных аккумуляторов, как одного из видов щелочных аккумуляторов, производится любым источником постоянного тока. При заряде изменяется ЭДС и напряжения внутри батареи. Производителями батарей предусмотрено несколько режимов заряда. Есть те, что предназначены для введения в строй новой АКБ. Также есть параметры для нормальной, ускоренной зарядки. Кроме того, есть режим тренировки, который пригодиться при потере ёмкости. Время зарядки во всех этих режимах не больше 10─12 часов.
В реальных условиях эксплуатации используют токи, заниженные по сравнению с рекомендуемыми режимами. Это делается, чтобы не завышать мощность зарядных устройств. Естественно, что это приводит к росту времени зарядки. При зарядке небольшими токами предельное напряжение и газовыделение в процессе зарядки будут меньшими, чем при стандартном режиме заряда.
Для кислотных и серебряно─цинковых аккумуляторов заряд небольшими токами очень подходит. Но для никель─железный батарей зарядный ток должен укладываться в определённый интервал. Тогда зарядка будет проходить эффективно.
Если зарядный ток снижается, то коэффициент его использования для Ni─Fe аккумуляторов уменьшается. В результате, когда зарядный ток слишком мал, АКБ перестаёт заряжаться. При этом подаваемый ток просто расходуется на выделение водорода. Это явление происходит потому, что снижается величина перенапряжения водорода на губчатом железном электроде. Заряд аккумулятор принимает при величине тока до 1/3 от нормального зарядного тока. При дальнейшем снижении эффективность падает.
Подробнее о том, как зарядить щелочной аккумулятор, можете прочитать по указанной ссылке.
Вернуться к содержанию
Разряд
В инструкциях производителя для никель─железных аккумуляторов указывается номинальный ток разряда. На практике разрядный ток редко соответствует тому, что там написано. Чтобы оценить процессы, происходящие при разряде, строятся кривые разряда Ni─Fe аккумуляторов и сравниваются с эталонными. Зависимость ЭДС от ёмкости при разряде выстраивается по 2 точкам. Они показывают ЭДС разряженной и заряженной АКБ. Эталоном для сравнения служит разрядная кривая при разряде в течение 20 часов.
Не вдаваясь в подробности можно сказать, что никель─железные аккумуляторы не подходят для обеспечения питания аппаратуры сразу после того, как были заряжены. Причиной тому служит существенное отклонение напряжения от номинала. А отклонение реальных разрядных кривых от эталонных могут составлять до 10 процентов.
Вернуться к содержанию
Саморазряд
Саморазряд Ni─Fe аккумуляторных батарей – это процесс аналогичный их разряду малым током. Только никакой полезной работы при этом не совершается. Практические измерения показывают, что саморазряд интенсивнее всего идёт в первые несколько дней, а затем замедляется. Никель─железные аккумуляторы обладают значительно большим саморазрядом, чем прочие виды аккумуляторов. Это объясняется свойствами железного электрода.
Саморазряд увеличивается при повышении температуры. Согласно ГОСТ 9240-71 ёмкость заряженного Ni─Fe аккумулятора через 30 суток (хранение при температуре 20 градусов Цельсия) не должна снизиться больше, чем на 50 процентов.
Явление саморазряда щелочного аккумулятора обуславливается физико-химическими процессами и зависит от природы материала электролита и электродов. Потенциал оксидно-никелевого электрода в заряженном состоянии выше, чем у кислородного электрода, формирующегося в растворе щелочи. В результате между ними идёт реакция окисления воды и выделения кислорода. Процесс продолжается до того момента, пока их потенциалы не сравняются. Дальнейшее продолжение саморазряда оксидно-никелевого происходит из-за химического взаимодействия NiOOH с H2O. В результате выделяется кислород и гидрат закиси Ni. Но этот процесс идёт значительно медленнее и саморазряд существенно снижается.
На другом электроде железо растворяется в KOH. В результате этой реакции чего выделяется водород. Эта реакция является главной причиной саморазряда на железном электроде при хранении. Этот процесс довольно интенсивно при комнатной температуре. Влияние на этот процесс оказывает чистота железа и технология производства. Он может достигать величин 40─100 процентов за 30 суток. Поэтому уменьшение саморазряда на Fe электроде является ключевым для никель─железных аккумуляторов. Саморазряд значительно снижается при добавлении в состав электрода или электролита химических соединений мышьяка.
Можно сделать вывод, что для Ni─Fe аккумуляторов саморазряд можно понизить, если хранить их при низких температурах. Ещё одно направлением – это частичный разряд полностью заряженной батареи. В результате этого снижается потенциала оксидно-никелевого электрода.
Вернуться к содержанию
Срок службы
Никель─железные АКБ имеют длительный срок эксплуатации, который превышает многие батареи прочих видов. Он зависит в основном от температуры и состава электролита. И также влияние оказывают режимы зарядки и разрядки. Ускоренный заряд может сократить срок службы Ni─Fe аккумулятора до 1,5─2 раз. При ускоренном заряде увеличивается интенсивность вымывания из аккумулятора активной массы. Кроме того, при увеличении тока растёт и температура, отрицательно сказывающаяся на сроке службы.
В основном, срок эксплуатации зависит от состояния оксидно-никелевого электрода. Часто железный электрод и оснастка ещё находятся в рабочем состоянии, а аккумулятор уже выходит из строя. Срок также уменьшается при использовании АКБ в режиме длительного и глубокого разряда. Согласно требованиям ГОСТ 9240-71, срок эксплуатации никель─железный аккумуляторов не должен быть меньше 750 циклов. При этом ёмкость в течение всего срока службы не должна быть меньше 90 процентов от номинала.
Что касается срока хранения, то он для Ni─Fe должен быть не меньше 3,5 лет. Примерно после 1,5 тысячи циклов заряд-разряд ёмкость снижается на 25 процентов. Срок хранения на практике значительно выше гарантированного.
Нередко на практике при правильном обслуживании и эксплуатации никель─железные аккумуляторы служат по 25 лет. Для сравнения, у свинцово-кислотных батарей этот срок равен 5 годам.
Вернуться к содержанию
Опрос
Загрузка ...
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Этим вы поможете развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал. Исправления и дополнения к статье оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию
(голосов: 9, в среднем: 4,22 из 5)
Загрузка...
Уважаемые коллеги. Мне приходилось восстанавливать железо-никелевые аккумуляторы (так они в ту пору — середина 80-х — назывались!) от шахтерских ламп. Я предположил, что аккумулятор перестает заряжаться из-за отравления электролита углекислым газом из воздуха.
После слива электролита (КОН) и промывки водой, аккумулятор заливался слабым раствором уксусной кислоты (столовый уксус). При этом происходила реакция с выделением углекислого газа. Операция повторялась до тех пор, пока не прекращалась реакция (определялось по цвету лакмуса). Затем аккумулятор промывался водой и раствором едкого кали. После промывки заливался рабочий электролит. Емкость после восстановления составляла около 80% от паспортной.
Удавалось восстановить только аккумуляторы, у которых не наблюдалось раздутие корпуса.