Щелочные батареи представляют собой портативный источник постоянного тока, заправленный электролитом на основе водного раствора едкого натрия или калия. Изделия отличаются повышенным сроком эксплуатации, достигающим 25 лет (устройства ламельного типа). Оборудование поддерживает алгоритмы ускоренной зарядки, при разрядке обеспечивается повышенная мощность.
Отличие от других АКБ
Наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы на основе никель-кадмиевых или никель-железных композиций. Положительные электроды кадмиевых батарей изготовлены из соединения гидрата закиси никеля и графитового порошка с добавлением окиси бария.
Отрицательные пластины выполнены из чистого кадмия/железа или гидрата закиси кадмия/железа. В состав щелочного электролита (на основе гидроксида калия) введен гидроксид лития, способствующий повышению емкости и улучшению разрядных характеристик.
Активная масса на катоде и аноде нанесена на стальную сетку, что позволяет увеличить площадь вещества, принимающего участие в электрохимической реакции. В полость банок залит жидкий электролит.
В устройство щелочного аккумулятора дискового типа входят анодная и катодная пластины, разделенные пластиковым сепаратором. В состав электролита введены специальные загустители, способствующие удержанию раствора в полостях сепаратора.
В отличие от кислотных батарей, щелочные элементы допускают перезарядку. Стандартный алгоритм восстановления емкости занимает 6 часов. После длительного хранения в разряженном состоянии или эксплуатации в цепях с пониженным энергопотреблением производится интенсивная зарядка, длящаяся до 12 часов.
При падении силы тока в цепи зарядки ниже нормативного значения рабочие характеристики щелочных элементов питания ухудшаются.
Химические процессы
Во время работы батареи протекает обратимая химическая реакция взаимодействия материалов катода и анода с ионами электролита. В результате положительные пластины покрываются слоем нестехиометрического гидрата закиси никеля, а на отрицательных электродах формируется гидрат окиси кадмия. Во внешней цепи образуется разница потенциалов, составляющая 1,45 В (рабочее напряжение 1,2 В).
При подаче напряжения от зарядного блока реакция происходит в обратном направлении — гидрат закиси никеля преобразуется в гидроокись никеля, а на отрицательной пластине восстанавливается кадмий. Вещества, используемые в батарее, не вступают в реакции между собой.
Также отсутствует растворение материалов в электролите, что способствует поддержанию химического состава и плотности рабочей жидкости. Стабильность плотности электролита повышает устойчивость оборудования к воздействию низких температур.
В процессе работы батареи происходит разложение воды, входящей в состав электролита. Для восстановления используются циклы рекомбинации, дополненные периодической доливкой воды (по мере снижения уровня жидкости в банках).
Едкий калий или натрий активно поглощает углекислый газ, находящийся в атмосферном воздухе. В результате происходит карбонизация и снижение электропроводных характеристик раствора. Для восстановления параметров выполняется периодическая замена жидкости, химических способов регенерации не существует.
Замена электролита
После слива отработавшего раствора полости промываются дистиллированной водой или раствором щелочи. Для удаления остатков загрязнений корпус аккумулятора встряхивается. Использовать механические приспособления для удаления грязи запрещается.
Свежий раствор с необходимой плотностью заливается непосредственно после промывки. Батарея выдерживается на протяжении 2-3 часов, рабочая жидкость заполняет пустоты между положительными и отрицательными пластинами.
Затем проверяется плотность раствора и осуществляется зарядка, для корректировки состава электролита используется дистиллированная вода. Не допускается хранение или эксплуатация щелочной аккумуляторной батареи с оголенными торцами пластин и вывернутыми пробками.
Преимущества и недостатки
Как и любой источник питания, щелочные АКБ обладают преимуществами и недостатками, определяющими сферы применения изделий. Материалы анода и катода обладают повышенной электрической проводимостью, что позволяет повышать ток в цепи разрядки/зарядки выше номинального значения без риска разрушения активной массы.
Конструкция допускает кратковременное короткое замыкание, губительное для кислотных батарей.
Дополнительным плюсом щелочных элементов является повышенная механическая прочность элементов конструкции, лишенных пластичного свинца. Пластины установлены в специальных стальных рамках.
Для изготовления корпусов используется лист из углеродистой стали, дополнительно защищающий детали от повреждений.
Недостатки щелочных источников тока:
- При подключении к зарядному блоку частично разряженного аккумулятора наблюдается снижение емкости («эффект памяти»). Процесс является обратимым, при проведении тренировочных циклов емкость восстанавливается до исходных параметров. В основе процесса лежит способность гидроксида никеля образовывать разные модификации вещества.
- Обратимость процесса снижения емкости имеет одновременно и плюсы, и минусы. После восстановления гидроксид никеля обладает повышенной активностью, что приводит к ускорению процессов саморазряда. Восстановленный кадмиевый аккумулятор теряет за 1 час до 10% емкости. Но в процессе нормальной эксплуатации эффект исчезает.
- Разброс напряжения элементов, установленных в банке. Для обеспечения равномерной емкости необходимо использовать специальные зарядные устройства.
- Повышенный расход электроэнергии при зарядке, КПД составляет не более 55%.
- Необходимость периодического обслуживания с заменой электролита, для выполнения работ требуется квалифицированный персонал. Увеличенный объем работ ограничивает использование щелочных батарей для автомобиля.
Сфера применения
Щелочные источники постоянного тока используются в электронных приборах вместо базовых гальванических элементов. Из-за сниженного внутреннего сопротивления обеспечиваются стабильные рабочие характеристики и уменьшается вероятность перегрева источника питания.
Батареи применяются для обеспечения электроэнергией тяговых электродвигателей, установленных на складской технике.
Источники питания щелочного типа применяются для привода электрических двигателей строительного инструмента (малогабаритные дрели, шуруповерты).
Из-за постоянного ужесточения экологических требований происходит вытеснение никель-кадмиевых аккумуляторов устройствами на основе лития.
Небольшие габариты кадмиевых аккумуляторов, способность работать при понижении температуры до -40°С и высокая энергоемкость предопределили распространение изделий в авиации (в качестве бортовых источников питания).
Щелочные автомобильные аккумуляторы ограниченно используются в качестве устройств для пуска и обеспечения работы силового агрегата. Традиционные свинцово-кислотные обладают пониженным внутренним сопротивлением, обеспечивая увеличенный ток холодной прокрутки. Никелевые элементы обладают «эффектом памяти», негативно влияющим на емкость устройства при нарушении условий разряда и заряда.
Малогабаритные батареи щелочного типа, имеющие корпуса цилиндрической конфигурации, используются в наручных часах и бытовой технике.
Дисковые батареи отличаются применением герметичного металлического кожуха, рабочий ток не превышает 10% емкости (для снижения газообразования).
Правила эксплуатации
Основные требования к эксплуатации перезаряжаемых источников постоянного тока щелочного типа:
- При эксплуатации устройств учитывается характеристика кривой падения напряжения. После подачи нагрузки происходит постепенное снижение напряжения до 1,1 В. Дальнейшая разрядка батареи приводит к снижению ресурса и разрушению активной массы на электродных пластинах.
- Зарядка аккумуляторов выполняется с выкрученными пробками, при повышении температуры и давления происходит разрушение корпуса и металлических сеток электродных пластин.
- Через каждые 10 дней эксплуатации производится визуальный осмотр корпуса изделия, затем проверяется и доводится до нормативного значения уровень электролита. В конструкции пробок предусмотрены дренажные каналы, предназначенные для сброса давления газов. Каналы прочищаются, одновременно проверяется состояние резиновых уплотнителей, потрескавшиеся элементы подлежат замене.
- Через 100-125 рабочих циклов или через год эксплуатации производится замена электролита (с промывкой банок). Внешние поверхности корпуса очищаются от загрязнений, производится проверка затяжки креплений соединительных пластин. Для удаления следов коррозии на неокрашенных поверхностях используется ветошь, смоченная керосином.
- Отработавшие аккумуляторные батареи с щелочным электролитом запрещено выбрасывать на свалки бытового мусора. Поскольку устройства имеют ограниченное распространение, их прием на утилизацию осуществляется специализированными организациями.
Правила хранения
Сухой щелочной аккумулятор хранится с закрученными пробками, срок складирования устройств не превышает 2 месяцев. Если устройство находилось в эксплуатации до 1 года, то перед длительным хранением необходимо снизить напряжение до 1 В и произвести слив электролита.
Затем проводятся дополнительные мероприятия по консервации и очистке корпуса от отложений солей, пробки плотно заворачиваются в отверстия банок, предотвращая циркуляцию воздуха. Аналогичные действия выполняются при длительной транспортировке изделий.
При хранении щелочных источников питания требуется соблюдать условия:
- периодически проверять затяжку пробок и состояние резиновых уплотнительных колец;
- удалять следы соли с поверхности корпуса;
- металлический корпус источника питания очищается от следов коррозии и покрывается слоем защитной краски или лака.
Для защиты стального кожуха используется специальный лак черного цвета на битумной основе. Для предохранения защитного покрытия от повреждений щелочным раствором используются специальные реагенты.
Срок хранения изделий зависит от температурных условий в помещениях. Никель-кадмиевые источники со слитым электролитом допускается хранить в полевых условиях в течение полугода, при размещении изделий в закрытых помещениях срок увеличивается до 5 лет.
Никель-железные элементы допускается хранить на протяжении 3,5 года (только в помещении). Необходимо предусмотреть защиту складских мест от воздействия прямого солнечного излучения и атмосферных осадков.
https://www.youtube.com/watch?v=nDiruTHCDh0
Как вам статья?
