В течение никель-кадмиевых лет в 1970-х и 1980-х годах в большинстве проблем с аккумуляторными батареями винили «память». Память происходит от «циклической памяти», что означает, что никель-кадмиевый аккумулятор может запоминать, сколько энергии потреблялось при предыдущих разрядах, и не может выдать больше, чем требовалось ранее. При разряде сверх обычного режима напряжение резко упадет, как бы в знак протеста против надвигающейся сверхурочной работы. Усовершенствования в технологии аккумуляторов практически устранили явление циклической смены памяти.

На рисунке 1 показаны стадии кристаллообразования, которые происходят в никель-кадмиевом элементе, если он перегружен и не поддерживается периодическими глубокими разрядами. Первое увеличение показывает пластину кадмия в нормальной кристаллической структуре; среднее изображение демонстрирует полноценное кристаллическое образование; а третий раскрывает некую форму восстановления.

Этапы кристаллообразования

Новый никель-кадмиевый элемент. Анод (отрицательный электрод) в свежем состоянии. Гексагональные кристаллы гидроксида кадмия имеют поперечное сечение около 1 микрона, что обеспечивает большую площадь поверхности для электролита для максимальной производительности.

Ячейка с кристаллическим образованием. Кристаллы
выросли до размеров от 50 до 100 микрон в поперечном сечении, скрывая большие части активного материала от электролита. Неровные края и острые углы могут проткнуть сепаратор, что приведет к усилению саморазряда или короткому замыканию.

Восстановленная ячейка. После импульсного заряда кристаллы уменьшаются до 3–5 микрон, почти 100% восстановление. Если импульсный заряд не эффективен, необходимы упражнения или восстановление.

Рисунок 1: Кристаллическое образование на никель-кадмиевом элементе. Кристаллическое образование происходит в течение нескольких месяцев, если аккумулятор чрезмерно заряжен и не поддерживается периодическими глубокими разрядами.

Предоставлено Командованием электроники армии США в Форт-Монмауте, штат Нью-Джерси.

Современные никель-кадмиевые батареи больше не подвержены циклической памяти, но страдают от образования кристаллов. Активный кадмиевый материал наносится на пластину отрицательного электрода, и при неправильном использовании происходит кристаллическое образование, которое уменьшает площадь поверхности активного материала. Это снижает производительность аккумулятора. На поздних стадиях острые края образующихся кристаллов могут проникать в сепаратор, вызывая сильный саморазряд, который может привести к короткому замыканию. Термин «память» на современном NiCd относится к образованию кристаллов, а не к циклической памяти прошлого.

Когда в начале 1990-х был введен никель-металлогидрид, эта химия рекламировалась как свободная от памяти, но это утверждение верно лишь отчасти. NiMH также подвержен запоминанию, но в меньшей степени, чем NiCd. В то время как у NiMH есть только никелевая пластина, о которой нужно беспокоиться, NiCd также включает в себя кадмиевый отрицательный электрод с памятью. Это ненаучное объяснение того, почему никель-кадмий более восприимчив к памяти, чем никель-металлогидрид.

Кристаллическое образование происходит, если никелевый аккумулятор оставить в зарядном устройстве на несколько дней или повторно заряжать без периодической полной разрядки. Поскольку большинство приложений попадают в этот пользовательский шаблон, NiCd требует периодического разряда до одного вольт на элемент для продления срока службы. Цикл разрядки / зарядки в рамках технического обслуживания, известный как упражнения, следует проводить каждые один-три месяца. Избегайте чрезмерных нагрузок, так как это приведет к излишнему износу аккумулятора.

Если регулярные упражнения не выполняются в течение шести месяцев и более, кристаллы врастают в себя, и полного восстановления с разрядом до одного вольта на элемент может быть недостаточно. Однако восстановление часто возможно с помощью вторичного разряда, называемого «восстановлением». Восстановление - это медленная разрядка, при которой батарея разряжается до точки отсечки напряжения около 0,4 В / элемент и ниже. Испытания, проведенные армией США, показывают, что никель-кадмиевый элемент должен быть разряжен как минимум до 0,6 В, чтобы эффективно разрушать более устойчивые кристаллические образования. Во время этого корректирующего разряда ток должен быть низким, чтобы свести к минимуму инверсию ячейки, и, как обсуждалось ранее, NiCd может выдерживать небольшое количество реверсирования ячейки. На рис. 2 показано напряжение батареи во время разряда до 1 В на элемент с последующим вторичным разрядом до 0,4 В на элемент.
 

Особенности тренировки и ремонта анализатора аккумуляторов Cadex

Рисунок 2: Функции тестирования и восстановления анализатора аккумуляторных батарей Cadex

Реконструкция восстанавливает никель-кадмиевые батареи с трудно извлекаемой памятью. Восстановление - это медленный глубокий разряд до 0,4 В / элемент.

Предоставлено Cadex

Восстановление наиболее эффективно со здоровыми батареями, также известно, что это средство улучшает новые батареи. Однако, как и при лечении, эту услугу следует применять только тогда, когда это необходимо, поскольку чрезмерное использование приведет к перегрузке аккумулятора. Автоматические анализаторы батареи (Cadex) применяют цикл восстановления только в том случае, если заданная пользователем целевая емкость не может быть достигнута.

Восстановление возможно только при исправных аккумуляторах. Наилучшие результаты в выздоровлении достигаются при применении полной разрядки каждые 1–3 месяца. Если упражнения не выполнялись в течение 6–12 месяцев, емкость может не восстановиться полностью, и если это произойдет, упаковка может пострадать от сильного саморазряда, вызванного повреждением разделителя. Старые батареи плохо восстанавливаются, и многие из них становятся хуже после ремонта. Когда это происходит, аккумулятор - хороший кандидат на пенсию.

Результаты обслуживания батареи

После войны на Балканах в 1990-х годах голландская армия начала обслуживать свой арсенал никель-кадмиевых батарей, которые использовались для двусторонних радиоприемников. Ответственные техники хотели знать оставшуюся емкость и сколько батарей можно восстановить до полного обслуживания с помощью анализаторов батарей (Cadex). Армия знала, что позволять батареям находиться в зарядных устройствах только на два-три часа использования в день во время войны - не идеально, и испытания показали, что емкость некоторых батарей упала до 30 процентов. Однако с помощью функции восстановления девять из 10 батарей можно было восстановить до 80 процентов и выше. Армия использует 80 процентов в качестве порога для удобства использования. На момент эксплуатации никель-кадмиевые батареи были от двух до трех лет.

Для дальнейшего анализа эффективности обслуживания аккумуляторных батарей ВМС США провели исследование, чтобы выяснить, как характер пользователя влияет на срок службы никель-кадмиевых батарей. Для этого исследовательская группа, ответственная за программу, создала три группы батарей. Одна группа получила только заряд (без обслуживания); другая периодически выполнялась (разряд до 1В / элемент); и третья группа получила восстановление. 2600 исследованных батарей использовались в радиостанциях двусторонней связи Motorola на трех американских авианосцах. В таблице 3 приведены результаты испытаний, включая фактор стоимости.

Метод обслуживания

Годовой% батарей, требующих замены

Годовая стоимость аккумулятора
(долл. США)

Только зарядка и использование

Упражнение

Ремонт

45%

14%

5%

40 500 долл. США

13 500 долларов США

4500 долларов США

Таблица 3: Интенсивность замены никель-кадмиевых батарей.
Упражнения и ремонт продлевают срок службы батарей в 3 и 9 раз соответственно.

GTE Government Systems, организация, проводившая тест, выяснила, что при зарядке и использовании годовой процент отказа батареи составляет 45 процентов; с упражнениями частота отказов снизилась до 15 процентов; а с ремонтом вышло всего 5 процентов. В отчете GTE делается вывод о том, что анализатор аккумуляторных батарей, включающий упражнения и ремонт, стоимостью 2500 долларов США, окупит инвестиции менее чем за месяц только за счет экономии заряда аккумулятора.