Technicky historické okénko: Ni-Cd baterie

Nikl-kadmiové baterie představují jeden z nejstarších typů sekundárních elektrochemických článků, které lze nabíjet. První na trh přišly olověné baterie a po nich baterie na bázi niklu. V tomto článku se podíváme na historii a klíčové vlastnosti Ni-Cd baterií.

Historie

Nikl-kadmiové články byly vynalezeny v roce 1899 Walemarem Jungnerem, vývojově jsou tedy o něco mladší než olověné baterie, které byly vynalezeny v roce 1890 Gastonem Planté. Ni-Cd baterie nabízely několik výhod oproti olověným bateriím, ale jejich cena byla velmi vysoká.

Zprvu byl vývoj pomalý a v roce 1932 byly učiněny pokroky, které spočívaly v uchycení aktivní hmoty elektrody v poniklované pórovité elektrodě. Zásadní vývoj pak nastal v roce 1947 kdy se podařilo vytvořit technologii na rekombinaci plynů vznikajících při nabíjení. To položilo základy Ni-Cd článků s vázaným elektrolytem, které byly plně hermeticky zapouzdřené.

V této podobě je zná asi většina běžných uživatelů, která nepřišla do styku se staničními a trakčními typy, které jsou zpravidla zaplavené a odvětrávané. Postupem času přišly na trh varianty se zvýšenou měrnou kapacitou, avšak ty už neměly tak vysokou míru odolnosti. Zvýšená kapacita měla za následek vyšší vnitřní odpor a nižší cyklickou odolnost.

Hlavní parametry

• Jmenovité napětí: 1,2 V
• Gravimetrická hustota energie: 40 – 60 Wh/kg
• Objemová energetická hustota: 50 – 150 Wh/l
• Měrný výkon: zhruba 150 W/kg (trvale)

Výhody

• Robustní a zvládnutá technologie
• Vysoký výkon, vysoké proudy
• Široký rozsah podmínek a pracovních teplot (nabíjení v mrazu)
• Vysoká míra bezpečnosti
• Výborná cyklická odolnost

Nevýhody

• Drahé
• Toxicita použitých materiálů
• Nutnost pravidelné údržby – pravidelné úplné vybíjení
• Nižší účinnost nabíjení/vybíjení oproti Li-ion
• Paměťový efekt
• Vysoké samovybíjení
• Napětí pouze 1,2 V

Konstrukce

Kladná elektroda je na bázi niklu, při vybíjení se mění z oxidu-hydoxidu niklitého na hydroxid nikelnatý. Záporná elektroda je tvořena kadmiem, které se při vybíjení mění z kadmia na hydroxid kademnatý. Elektrolyt je zásaditý, zpravidla vodný roztok KOH.

Použití

Nabíjení

Nabíjení probíhá standardně konstantním proudem, který u pomalého nabíjení probíhá proudem 0,1 C po dobu 14-16 hodin. To vede k tomu, že část energie je přeměněna na teplo, je však zajištěno, že baterie dojde až do stavu plného nabití. Pomalým nabíjením lze Ni-Cd nabíjet i pod bodem mrazu. Rychlé nabíjení u Ni-Cd není problém, životnost není výrazně zkracována.

Konec nabíjení je nutné vyhodnotit několika způsoby. Nejčastěji je sledován pokles napětí při konstantním proudu, to lze vyhodnotit a nabíjení včas ukončit. U Ni-Cd je tato hranice považována za -10 mV na článek. Pozor u Ni-MH je to pouze 5 mV na článek, nelze nabíjet baterie Ni-MH v nabíječkách určených pro Ni-Cd. Další variantou, jak vyhodnotit konec nabíjení, je vzrůst teploty článku - pokud je vyšší než 1 °C za minutu, tak je baterie nabitá.

Aby byla zajištěna dobrá přesnost výše zmíněných metod, nabíjecí proud musí být alespoň 0,3 -0,5 C. Nabíjení konstantním napětím není příliš vhodné, používá se napětí 1,43 V na článek. Pro trvalé nabití jsou vyráběny články, které jsou odolné vůči tomuto režimu použití, například pro elektrické osvětlení nouzových východů ve veřejných budovách a podobně.

Vybíjení a údržba

Ukončovací napětí je zpravidla 0,8-0,9 V na článek. Ni-Cd baterie lze zpravidla vybíjet velkými proudy. Jednotlivý článek lze malým proudem vybít až do hodnoty 0 V. Pokud je článek vybíjen v sérii i nadále, tak hrozí přepólování a zničení.

Pravidelně je potřeba Ni-Cd články vybíjet, aby se zamezilo paměťovému efektu, který omezuje dostupnou kapacitu. Ten souvisí s růstem velkých krystalů aktivní hmoty, které mají malou reaktivní plochu, a při vybíjení tedy skokově vzroste vnitřní odpor. Při úplném vybití jsou krystaly rozpuštěny a při nabíjení vzniknou nové, které jsou malé a jejich plocha je velká.

Skladování

Lze provádět v jakémkoli stavu nabití, je nutné se vyvarovat extrémním teplotám. Díky samovybíjení může dojít k samovolnému vybití baterie na nízké hodnoty napětí, to je normální. Po skladování je nutné několikrát nabít a vybít baterii, aby se obnovila struktura aktivních hmot a baterie se zformovala.

Aplikace

Nikl-kadmiové baterie představují robustní a prověřenou technologii, která nabízí středně vysokou energetickou hustotu, ale hlavně vysoký měrný výkon. Díky vysoké spolehlivosti a menší měrné hmotnosti oproti olověným akumulátorům stále nachází použití v letecké technice. Často byly také využívány pro použití v ponorkách, drážní technice, medicínské technice, v zálohovacích zdrojích energie, akumulátorovém nářadí, námořní technice a podobně. Dnes se samozřejmě spousta aplikací osazuje bateriemi na bázi Li-ion, ty však donedávna představovaly méně robustní technologii.

S ohledem na obsah toxického kadmia je nutné dbát na recyklaci a zásady ochrany životního prostředí. To je ostatně také jeden z důvodů, proč se použití Ni-Cd baterií omezuje. I přes toxicitu a relativně nízkou hustotu energie zde existují aplikace, kde je zatím efektivně nahradit nelze.