Никелированная сталь для аккумуляторов

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Источник

Никелевая лента для сварки аккумуляторов

В статье рассматривается применение ленты из никеля для сварки аккумуляторных батарей.

Современная аккумуляторная батарея состоит из нескольких Li-ion аккумуляторов, для соединения которых используется никелевая лента.

Никелевая лента широко используется для создания аккумуляторных сборок из двух или более аккумулирующих электрическую энергию элементов. Для этого применяется точечная (контактная) сварка. С её помощью отрезок ленты приваривается к полюсам нескольких элементов, соединяя их в аккумуляторную батарею (АКБ). Коммутационные схемы бывают последовательными, параллельными и смешанными (комбинированными).

Цели и задачи меж-аккумуляторных соединений

Сборка батарей из аккумуляторов обусловлена необходимостью получения источников постоянного тока с заданными рабочими характеристиками. Используя определённую схему соединения, можно суммировать нужные параметры отдельных источников и получить групповой накопитель с более высоким напряжением или ёмкостью, либо с комбинацией этих двух параметров. Полученные таким образом аккумуляторные батареи используют для автономного питания электроприборов с различной потребляемой мощностью, запуска ДВС, резервного хранения электроэнергии.

Никелевая лента как оптимальный материал для сборки аккумуляторных батарей

Для соединения аккумуляторов в блок никелевая лента активно используется благодаря ряду характерных физико-химических и технологических параметров. В их числе:

• низкое удельное сопротивление 0,087 Ом•мм 2 /м;
• низкая теплоёмкость 460 Дж/кг, препятствующая перегреву проводника;
• высокая прочность на разрыв (предел 450 МПа) и пластичность;
• стойкость к коррозии, окислению;
• способность выдерживать нагрев до 960°C и ток до 17,8 ампер (кратковременно до 35 ампер) без изменения свойств.

Технологичность сварочной никелевой ленты обеспечивается её профилем, а именно: прямоугольным сечением, толщиной от 0,127 до 0,2 мм, шириной от 5 до 10 мм. Этот форм-фактор обеспечивает устойчивое размещение отрезка ленты с плотным прилеганием на плоской поверхности плюсового контакта небольших аккумуляторов типоразмера 18350 или 18650, удобное для последующего приваривания. Благодаря эргономичному форм-фактору процесс сварки легко автоматизировать. Малая толщина ленты не способствует увеличению габаритов готовой батареи. Существует никелевая лента с увеличенной шириной, с высеченными в ней квадратными отверстиями. Её назначение – создание эффективного соединения между четырьмя, шестью или большим числом аккумуляторов, установленных параллельно в «батарейных» держателях.

Обоснованность точечной сварки для соединения аккумуляторов в батарею

Никелевая лента хорошо подходит для сварки в группы однотипных элементов питания с разными активными компонентами, включая никель-кадмиевые (Ni-Cd) или никель-металлогидридные (Ni-Mh) аккумуляторы. Однако сегодня «никелевые» источники питания утратили свои позиции на рынке, уступив место более совершенным литий-ионным (Li-ion) батареям.

Конструктивно литий-ионные батареи представляют собой сборки из одиночных цилиндрических «пальчиковых» аккумуляторов. Поскольку в силу химического состава литиевые аккумуляторы взрывоопасны, а их ёмкость при нагреве снижается, соединение методом пайки из-за сравнительно длительного нагрева не рекомендуется и практически не применяется. Более эффективным, быстрым, безопасным способом является точечная сварка короткими импульсами тока большой силы, в процессе которой никелевая лента приваривается к полюсам элементов, соединяя их. Время воздействия электрода в точке контакта ленты с поверхностью аккумулятора составляет всего несколько миллисекунд. Этого достаточно для её надёжного приваривания к накопителю, при этом ни контакт аккумулятора, ни сам накопитель, не нагреваются до критических значений, поскольку тепловой импульс, возникающий при сварке, минимален.

Точечная сварка против пайки

При точечной сварке аккумуляторов с помощью никелевой ленты не нужен оловянный припой, который повышает сопротивление в месте контакта на 30-35%, и хотя незначительно, но увеличивает вес батареи, что важно при производстве источников питания для мобильных устройств. Ещё один недостаток пайки заключается в том, что она уступает сварке в качестве и прочности соединения на отрыв. Важно заметить, что при точечной сварке никеля не образуется окалина, что обычное дело при работе с медью, которая как олово, повышает сопротивление проводника.

Выбор габаритов никелевой ленты для сварки аккумуляторов

Для сварки аккумуляторов ширина и толщина никелевой ленты подбирается с учётом максимальных значений тока, который будет по ней протекать. Определить их можно зная суммарную ёмкость элементов, предназначенных для сборки. Условно принято считать, что максимальный ток заряда и разряда аккумулятора не должен превышать 0,2 от физического значения его ёмкости. Например, у аккумулятора для мотоцикла или скутера емкостью 30А/ч максимальный ток разряда составит 6А (0,2×30А/ч = 6А). Чем больше суммарная ёмкость, тем больше ток. Исходя из этого, никелевая лента для сварки подбирается по таблице:

Ширина, мм	Толщина, мм	Величина тока, А
5	0,127	6
5	0,15	8
6	0,2	11
8	0,2	15
10	0,2	18

Рисунок 1. Никелевая лента для сварки аккумуляторов

Технологический процесс сварки аккумуляторов никелевой лентой

Устройства для точечной сварки аккумуляторов используются на промышленных предприятиях, в ремонтных сервисах и мастерами-любителями в домашних условиях. Вне зависимости от масштабов производства, размеров и конструкции оборудования, технология сваривания батарей на заводе принципиально не отличается, от той, которая используется в частном гараже. В отличие от двусторонних аппаратов, имеющих два противостоящих друг другу электрода (стержня), для соединения никелевой ленты с аккумуляторами применяются устройства с одним электродом. Процесс создания батареи можно разделить на три этапа:

• Формирование группы аккумуляторов, подготовка отрезков никелевой ленты нужного размера и их укладка на плоские контакты расположенных рядом друг с другом элементов питания.
• Кратковременная подача тока в точку сваривания через прижатый к ленте электрод, под действием которого никель плавится, а его частицы прочно «прилипают» к полюсу аккумулятора.
• Прекращение подачи тока, охлаждение сварного соединения.

Схемы коммутации аккумуляторов

Существует три схемы соединения элементов в аккумуляторной батарее, применяя которые можно увеличить емкость батареи, повысить напряжение или сделать, и то, и другое.

Параллельное соединение
При параллельном соединении однополярных клемм накопителей, емкость полученной аккумуляторной батареи будет равна сумме ёмкостей входящих в её состав элементов.

Последовательное соединение
При последовательном соединении разнополярных контактов элементов питания, когда «плюс» одного аккумулятора соединяется с «минусом» следующего, рабочее напряжение полученной батареи будет равно сумме напряжений соединённых в ней накопителей.

Смешанное (комбинированное) соединение
Комбинированная коммутация аккумуляторов на первом этапе подразумевает создание сборок путём последовательного соединения элементов, чтобы добиться нужного суммарного напряжения. На втором этапе эти сборки коммутируются между собой параллельно, благодаря чему их ёмкости суммируются. В итоге получается батарея с повышенным напряжением и увеличенной ёмкостью.

Рисунок 2. Аккумуляторная сборка

Перспективы никелевой ленты как материала для аккумуляторных сборок

На созданных вышеперечисленными способами литиевых батареях работают ноутбуки, электроинструменты, электровелосипеды, сигвеи, квадрокоптеры, медицинское оборудование, электромобили и т д. Даже если в ближайшем будущем произойдёт очередная замена накопителей на более совершенные и эффективные аккумуляторы, то и они будут литиевыми. Скорее всего, это будут литиево-серные (Li-S) или литиево-кислородные источники энергии. Это означает, что никелевая лента, наиболее подходящая для соединения литиевых аккумуляторов, будет востребована не только сегодня и завтра, но и в более отдалённой перспективе.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Источник