معرفی جامع باتری نیکل کادمیوم

تاریخچه پیدایش باتری نیکل کادمیوم

باتری های نیکل کادمیوم دسته ای از باتری های قابل شارژ هستند که الکترودهای آن از nickel oxide hydroxide و cadmium ساخته شده است و به همین دلیل اسم این باتری ها را Ni-Cd قرار داده اند. 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.

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.

مشخصات و ویژگی های باتری نیکل کادمیوم

سرعت 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.

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.

شارژ

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.

آورشارژ

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.

کاربردها

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 UPS و استارتر هواپیما استفاده میشود.

محبوبیت

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.

اثر حافظه

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. 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.

مقایسه باتری های سرب اسید و نیکل کادمیوم

باتری های سرب اسید و نیکل کادمیوم از پرکاربرد ترین باتری ها در صنعت یو پی اس و برق اضطراری هستند. اکنون می خواهیم به این موضوع بپردازیم که این دو باتری چه تفاوتی با هم دارند؟ در چه مواردی بهتر است از باتری سرب اسیدی استفاده شود و در چه مواردی باتری های نیکل کادموم؟ نقاط ضعف و قدرت هر کدام چیست؟ در ادامه بطور خلاصه این دو نوع باتری یکدیگر از جهات مختلف مقایسه می شوند.

• مواد تشکیل دهنده باتری

  • باتری سرب-اسید: آند یا قطب مثبت از اکسید سرب و قطب منفی یا کاتد از سرب تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک و آب می‌باشد. (H2SO4) خالص عموما بین ۲۵ تا ۴۰ درصد از کل محلول را تشکیل می‌دهد.
  • باتری نیکل-کادمیوم: هیدرات نیکل بخش عمده آند را تشکیل می‌دهد در حالیکه کادمیوم (Cd) عنصر غالب در مواد سازنده کاتد است. محلول هیدروکسید پتاسیم در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین ۲۰ تا ۳۵ درصد از کل محلول الکترولیت است.

• قیمت باتری ها

  • باتری های نیکل-کادمیوم حدودا بین ۲ تا ۴ برابر گرانتر از باتری های سرب-اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنولوژی ساخت باتری ممکن است که این اختلاف بیشتر از ۵ برابر هم بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تهیه نیروی بک آپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر خواهد بود.

• طول عمر باتری ها

  • یک قانون کلی در رابطه با طول عمر اغلب انواع باتری ها وجود دارد، و آن این است که با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر باتری کم خواهد شد. اما هر دو باتری نیکل-کادمیوم و سرب-اسید به عمق دشارژ نیز واکنش نشان می دهند. به این معنی که اگر مثلا باتری بطور میانگین ۳۰ درصد دشارژ شود طول عمر آن خیلی بیشتر از زمانی خواهد بود که بطور میانگین تا ۸۰ درصد دشارژ می‌گردد. گرچه باتریهای نیکل-کادمیوم گرانتر از باتریهای سیلد-اسید هستند اما تعداد سیکل هایی که می‌توان آنها را دشارژ کرد خیلی بیشتر از باتری ‌های سربی اسیدی است.

• حساسیت به دما

  • باتری های سرب-اسید بیشتر برای عملکرد در محیط ۱۰ تا ۳۵ درجه سانتیگراد توصیه می‌شوند، چون نسبت به تغییرات دما حساسیت بیشتری از خود نشان می‌دهند. ظرفیت ظاهری باتریهای Lead Acid نسبت به کاهش دما به سرعت کاهش یافته و از سویی دیگر نیز با افزایش دما طول عمر متوسط آنها بسیار زیاد کاهش می‌یابد. اما باتری های Nickel Cadmium نسبت به تغییرات دمایی واکنش کمتری از خودنشان می دهند. به خصوص در مواردی که باتری باید در دماهای پایین استفاده شود بهترین انتخاب استفاده از باتریهای Nickel Cadmium است. بازه دمایی مناسب برای کارکرد باتری نیکل-کادمیوم چیزی بین ۶۰ تا ۲۰- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن هم با افزایش یافتن دما کم می شود.

• پدیده خود دشارژی در باتری ها (Self Discharge)

  • حتی در حالتی که باتری به مدار وصل نباشند بعد از گذشت مدت زمانی دشارژ می‌شود، به این پدیده خود دشارژی می‌گویند. سرعت این پدیده در باتری های Nickel Cadmium چند برابر باتری های Lead Acid است. باتری های نیکل-کادمیوم بسته به آلیاژ استفاده شده در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی ممکن است که روزانه ۱ درصد از ظرفیتشان را هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله باعث نیاز به شارژ دوباره باتری در هنگام استفاده و همینطور اتلاف انرژی می‌شود ،اشاره به این تفاوت هم الزامیست که گرچه self discharge در باتریهای Nickel Cadmium چندین برابر باتریهای Lead Acid است، اما باتریهای Nickel Cadmium را می‌توان حتی بطور دشارژ کامل هم انبار کرد، اما باتریهای Lead Acid را نباید با سطح شارژ پایین نگهداری کرد زیرا در این حالت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بسیار کاهش می‌یابد.

• اندازه و وزن

  • باتریهای Lead Acid روند ساخت ساده‌تری از باتریهای Nickel Cadmium دارند. اما در عین حال انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن، یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتری ها است (Wh/kg 30-50). درصورتیکه چگالی انرژی به وزن در باتریهای Nickel Cadmium چیزی بین Wh/kg 45-80 می‌باشد. این به این  معنا است که باتریهای نیکل-کادمیوم تا 30 درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای سرب-اسید در یک وزن برابر، در خود ذخیره می‌کنند. پس در مواردی که مجموع وزن باتری ها مهم است استفاده از باتریهای Nickel Cadmium پیشنهاد می‌شود.

• سرعت شارژ

  • باتریهای Nickel Cadmium را می‌توان در زمانهای کوتاهی مثل یک ساعت هم شارژ کرد. درصورتیکه شارژ سریع باتری های Lead Acid در مدت زمانی کمتر از ۴ ساعت پیشنهاد نمی‌شود و عموما زمانی در حدود ۸ تا ۱۰ ساعت برای شارژ آنها پیشنهاد می شود.

• بیشترین جریان دشارژ

  • دشارژ باتری های Lead Acid با جریانی بیشتر از ۵ برابر جریان نامی آن پیشنهاد نمی‌شود (مثلا باتری ۹ آمپر ساعت را نباید با جریانی بیشتر از ۴۵ آمپر دشارژ کرد) اما باتریهای Nickel Cadmium را می‌توان حتی با جریان‌های ۱۰ تا ۱۵ برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.

• ولتاژ نامی سلول ها

  • بدلیل ساختار شیمیایی متفاوت دو باتری، ولتاژ نامی سلول هایشان هم متفاوت است. ولتاژ هر سلول در باتری های نیکل-کادمیوم 1.2 ولت و در باتری های سرب-اسید 2 ولت می‌باشد. به همین دلیل برای ساخت یک باتری ۱۲ ولت Nickel Cadmium، باید ۱۰ سلول را با هم سری کرد؛ در حالیکه سری کردن ۶ سلول باتری Lead Acid، همین ولتاژ را تولید خواهد کرد.