3.2. Никель-кадмиевые аккумуляторы
Кадмиево-никелевые аккумуляторы известны наряду с железо-никелевыми. Они применяются для проволочной связи, радио, питания приборов и т. п.
Кадмиевые аккумуляторы менее подвержены саморазряду, чем железо-никелевые, и сравнительно нечувствительны к низким температурам. Средние напряжения элемента при разряде 1,2 в.
Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют много общего с железо-никелевыми. Активная масса положительных пластин, электролиты и некоторые конструктивные данные одинаковы для обоих типов аккумуляторов. Главное различие лежит в отрицательных пластинах, которые в качестве активной массы содержат кадмий или смесь кадмия и железа.
Основные химические реакции в никель-кадмиевом аккумуляторе до некоторой степени неопределенны, особенно в отношении гидратного состояния активной массы и участия железа в реакциях, имеющих место в отрицательных пластинах. Конечный результат реакции - переход кислорода из активной массы пластины одной полярности в пластину другой полярности происходит без заметного изменения электролита в целом. Реакция обычно представляется в следующем виде:
Cd +Ni2O3↔ CdO + 2NiO (главная реакция),
Cd+NiO2↔ CdO+NiO (вторичная реакция).
Основная часть тока обусловливается главной реакцией, но и вторичная реакция, если разряд начинается вскоре после окончания заряда, способствует большей отдаче аккумулятора.
Положительные и отрицательные пластины - одинаковой конструкции; состоят они из перфорированных ламелей, заполненных активной массой. Однако положительные пластины некоторых типов имеют трубчатую конструкцию, очень близкую к конструкции железо-никелевых аккумуляторов. Ламели для пластин обеих полярностей изготовляются из перфорированной стальной ленты, никелированной и отожженной в водороде. Размеры ламели выбираются с запасом для обеспечения возможности расширения активной массы. Увеличение объема активной массы пластин происходит в процессе первых нескольких зарядов и разрядов, в результате чего толщина пластин может увеличиться на 35% от первоначальной. Пакет ламелей показан на рис. 2.10.
Рис. 3.6.. Один из способов соединения отрицательных ламелей в пластинах никель-кадмиевых аккумуляторов.
Активной массой для положительных пластин служит гидроокись никеля. Она получается осаждением из раствора сернокислого никеля NiSO4, при добавлении раствора едкого натра NaOH. Для получения материала должной структуры процесс должен строго регулироваться. Осадок получается тонко дисперсный, обладающий высокоабсорбционными свойствами, он обрабатывается затем раствором каустика. Содержание никеля в готовом продукте в соответствии с формулой обычно меньше 63,2%.
При изготовлении пластин трубчатого типа в активную массу, как и в случае железо-никелевых аккумуляторов, для увеличения проводимости массы добавляется лепестковый никель. В активную массу для конструкций с ламелями добавляется натуральный графит высокой чистоты (зольность менее 1%).
Должны приниматься меры предосторожности для предотвращения загрязнения массы вредными примесями, например примесь железа может уменьшить активность окислов никеля.
Ламели отрицательных пластин заполняются окисью кадмия CdO или гидроокисью кадмия Cd(OH)2; во время первого заряда эти материалы восстанавливаются до металлического кадмия в губчатой форме. Большинство аккумуляторных заводов добавляет в активную массу отрицательных пластин железо в количествах от 5 до 30%. При этом преследуется цель получить кадмий высокодисперсной структуры. Благотворное действие добавки железа на структуру кадмия установлено эмпирически, но истинная причина такого действия полностью не установлена. Некоторые считают, что железо образует сплав с кадмием; другие,– что железо служит в качестве расширителя; третьи думают, что железо действует исключительно как агент, способствующий сохранению тонко-дисперсного состояния электролитически осажденного кадмия. Металлическое железо, несомненно, увеличивает проводимость активной массы, но и окислы кадмия сами являются достаточно хорошими проводниками.
Окисляется ли железо во время разряда, также является объектом различных мнений. Некоторые исследователи думают, что это так и что железо в некоторой малой степени повышает разрядную емкость. По мнению других, железо в токообразующих процессах не участвует.
Электролитом для никель-кадмиевых аккумуляторов служит гидроокись калия, КОН, удельного веса 1,190–1,250.
Часть аккумуляторных заводов добавляет в электролит небольшие количества гидроокиси лития, LiOH, как и в случае аккумуляторов железо-никелевого типа.
Поглощение углекислоты из воздуха или введение ее в электролит вместе с доливочной водой в конечном результате вызывает необходимость в замене электролита. Предел допустимого содержания карбонатов зависит от режима работы аккумулятора.
В результате экспериментов было установлено, что вредное действие карбонатов сказывается только на отрицательных пластинах. В аккумуляторах, содержащих значительное количество карбонатов, на активной массе отрицательных пластин образуется плохо проводящий слой CdCO3, что и обусловливает вялую характеристику. Для восстановления емкости аккумулятора обычно вполне достаточно замены электролита.
Температура замерзания электролита – 28°С не зависит от степени заряженности аккумулятора. Сопротивление электролита несколько превышает сопротивление электролита свинцово-кислотных аккумуляторов. Это обстоятельство, ставящее в невыгодное положение щелочные аккумуляторы в смысле возможности отдачи больших токов, может быть компенсировано увеличением площади Пластин и уменьшением расстояния между ними; с такими конструктивными изменениями щелочные аккумуляторы применяются в качестве стартерных на автобусах и грузовиках.
В течение последних пяти лет выпускались аккумуляторы с пластинами толщиной 1–2 мм и расстоянием между пластинами менее 1 мм, фиксированным посредством эбонитовых полосок, служащих сепараторами.
Если к этому добавить, что кадмиевые пластины обладают способностью к разрядам сильными токами и не теряют работоспособности при низких температурах, возможность применения никель-кадмиевых аккумуляторов в качестве стартерных становится очевидной.
