Конструкция НК аккумуляторов. Аккумулятор нк


1.Конструкция.

Лекция 8

Тема: Щелочные аккумуляторы

Цели занятия:

Дидактическая – сформировать теоретические знания по конструкции, электрическим характеристикам, режимам эксплуатации и научить умениям использовать полученные знания в практической деятельности.

Развивающая – развивать познавательную активность.

Воспитательная – формировать интерес к изучению учебного материала для своей будущей профессии.

План:

  1. Конструкция

  2. Электролит

  3. Электрические характеристики щелочных аккумуляторов

  4. Контрольные вопросы

5. Самостоятельная проработка учебного материала по вопросу

«Эксплуатация щелочных аккумуляторов»

Методические указания:

- изучить учебный материал по вопросу эксплуатации щелочных аккумуляторов;

- выполнить конспект по составленному плану;

- ответить на контрольные вопросы.

Щелочной аккумулятор состоит из положительных и отрицательных электродных пластин, которые разделены эбонитовыми палочками и погружены в стальной бак, наполненный водным раствором щелочи. Активная масса электродов в готовом виде закладывается в стальные перфорированные пакеты, из которых собирают пластины. Активная масса положительных электродов состоит из окислов никеля, смешанных с графитом, отрицательных – железа и его окислов. В - аккумуляторах крайними пластинами являются отрицательные, поэтому сосуды находятся под отрицательным потенциалом. Токоотводы электродов выполнены в виде стальных болтов, проходящие сквозь верхнюю крышку сосуда и заканчивающихся борнами с гайками. В центре крышки между контактными болтами имеется отверстие для заливки электролита. Сосуд аккумулятора из сварной стали, с наружной стороны никелированный. Расположение электродов в сосуде таково, что между ними и дном получается свободное пространство, которое предохраняет электроды от прикосновения с осадком, образующимся во время эксплуатации. Назначение пространства между верхним краем электродов и крышкой состоит в том, чтобы уменьшить разбрызгивание электролита при кипении в процессе заряда. Щелочные аккумуляторы собираются на заводе в батареи, которые могут выполняться в деревянных ящиках, металлических каркасах или рамках.

Маркировка аккумуляторов нк, нж

НЖ (старое название ЖН) – никель-железный аккумулятор.

НК (старое название КН) – никель-кадмиевый аккумулятор.

Дополнительные буквы в маркировке могут означать: Т – тяговые (большая емкость в сотни Ач), Ф – фонарные, Г – герметичные, Д – дисковые (опускаются сочетания букв НК), Ц – цилиндрические, Ш – шахтные.

Цифры, которые стоят после этих букв означают номинальную емкость в Ач.

При объединении аккумуляторов в батарею, в маркировку батарей вводят цифры, которые стоят спереди и означают количество аккумуляторов в одном блоке. Пример: НЖ-22, Д-0,25, НК-60. Пример маркировки аккумуляторных батарей: 10НЖ-45, 7Д-0,1, 5НК-60.

2.Электролит

Электролит – водный раствор КОН и NaOH. Но с таким электролитом аккумулятор работает 250-350 циклов заряд-разряд. Калиевый электролит имеет больший диапазон температур, меньшее сопротивление, но он более дорогой, чем натриевый электролит. Если добавить на 1 литр электролита 10-20г LiOH, то такой электролит называют составным и с ним аккумулятор работает до 750 циклов. Для заливки новых аккумуляторов необходимо приготовить электролит плотностью от 1,19 – 1,21 г/см3. Плотность электролита в процессе заряда и разряда не изменяется. Раз в год, или после 100 циклов заряд-разряд в аккумуляторе меняют электролит.

3. Электрические характеристики щелочных аккумуляторов.

ЭДС – основной показатель состояния щелочных аккумуляторов.

У свежезаряженных аккумуляторов типа НЖ она равна 1,5В; у разряженных – 1,3В.

В диапазоне положительных температур ЭДС остается практически постоянной, резко снижается при температурах близких к нулю.

Напряжение постоянного подзаряда – 1,58-1,6В.

Напряжение при разряде зависит от величины разрядного тока и снижается при больших разрядных токах (малом времени разряда).

Значение U в зависимости от величины разрядного тока I при t0=250C.

Ток разряда, А

Qн/8

Qн/5

Qн/3

Напряжение, В

1,15-1,18

1,10-1,12

1,00-1,05

0,5-0,6

Ток разряда определяется как частное от деления Qном на требуемое время разряда.

Условия снятия Qном: tраз=8ч; t0=250С; Uк.р.=1.0В; Iр.=Q/8(А).

Нормальный режим заряда: Iзар.= 0,25ном; Uк.з.=1,78-1,8В.

Емкость не зависит от величины тока разряда.

С увеличением t0 электролита значение емкости увеличивается, с понижением t0 – понижается. Однако длительная эксплуатация щелочных аккумуляторов при длительной t0 приводит к повреждению «+» пластин. Вредны режимы разряда аккумуляторов малыми токами.

Саморазряд у щелочных аккумуляторов протекает неравномерно. В первые дни по окончанию заряда саморазряд протекает очень интенсивно, в несколько раз больше, чем по истечении 12-15 дней.

При хранении отключенного аккумулятора в течение месяца он теряет более 50% своей номинальной емкости, если t0 не превышает 250С, а при более высоких температурах значительно ускоряется, т.е. щелочные аккумуляторы имеет большие потери, чем кислотные, и отдача по емкости их составляет 65%, а по энергии – 45%.

Срок службы определяется числом циклов заряд-разряд и составляет 750 циклов.

Щелочные аккумуляторы позволяют использовать полностью свою емкость при любых режимах разряда, однако при больших токах разряда практически их емкость полностью использовать нельзя, т.к. резко понижается напряжение. Так, например, при разряде в течение 1ч током, в 8 раз большим номинального тока разряда, напряжение в конце разряда уменьшается до 0,5В. Такое понижение напряжения недопустимо для электропитания устройств связи. Поэтому конечное напряжение при разряде ЖН аккумуляторов ограничивают и принимают равным 1,15В, и эксплуатационная емкость уменьшается с увеличением разрядных токов, т.е. при уменьшении времени разряда.

studfiles.net

Конструкция НК аккумуляторов

Герметичные НК аккумуляторы выпускаются трех видов: цилиндрические, призматические, таблеточные или дисковые.

Аккумуляторы цилиндрической формы имеют следующие преимущества: простота производства и хорошие механические характеристики. В процессе заряда давление внутри элемента никель-кадмиевой аккумуляторной батареи может достигать 1379 кПа. Аккумуляторы имеют систему вентиляции, которая срабатывает, если давление газов внутри элемента возрастает до 10,5–14 кгс/м2. Выпускаемые в настоящее время цилиндрические элементы имеют собственный механизм внутренней вентиляции для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде. Цилиндрические НК аккумуляторы характеризуются недостаточным использованием объема корпуса. При сборке батарей в корпусе остаются полости, заполненные воздухом. Для устранения свободных полостей корпуса таких батарей часто имеют сложную внутреннюю форму.

На рис. 1 показано внутреннее устройство герметичного цилиндрического никель-кадмиевой аккумулятора. Отрицательные (1) и положительные (3) пластины скручены вместе и помещены в металлический цилиндр. Их разделяет сепаратор (2), увлажненный электролитом.

 

 

1 – отрицательный электрод; 2 – сепаратор; 3 – положительный электрод; 4 – изоляционный колпачок; 5 – уплотнительная прокладка; 6 – крышка аккумулятора; 7 – крышка клапана; 8 – предохранительный клапан; 9 – мостик положительный; 10 – мостик отрицательный; 11 – корпус аккумулятора.

 

Рис.1. Устройство герметичного НК аккумулятора с рулонными электродами

 

Аккумуляторы призматической формы(рис. 2).Положительные (9) и отрицательные (3) электроды размещены поочередно, а между ними расположен сепаратор (10). Блок электродов вставлен в металлический или пластмассовый корпус и закрыт герметизирующей крышкой, на которой как правило, устанавливается клапан (6) или датчик давления.

 

 

 

1 − изоляционная прокладка; 2 – изолятор; 3 − отрицательная пластина; 4 − корпус, соединенный с минусом; 5 − плюсовой вывод; 6 − самоуплотняющийся вентиляционный клапан; 7 – уплотнитель; 8 − плюсовой токосъемник; 9 − положительная пластина; 10 – сепаратор.

Рис.2. Устройство никель-кадмиевого призматического аккумулятора

 

Аккумуляторы таблеточной формы.Таблеточные элементы были разработаны в целях миниатюризации аккумуляторных батарей и удобства их сборки из таких элементов. Стоимость их производства невысока. Основной недостаток − раздувание при быстром заряде из-за отсутствия системы отвода газов. По этой причине время заряда таблеточных аккумуляторов составляет 10−16 часов.

В таблеточных аккумуляторах в основном используют ламельные электроды, которые располагаются параллельно крышке.

На рисунке 4 приведена схема таблеточного буртикового никель-кадмиевого аккумулятора [1].

 

 

1 − корпус; 2 –сепаратор; 3 –положительный электрод; 4 – отрицательный электрод; 5 − крышка; 6 – пружина; 7 – уплотнитель;

Рис. 3. Схема герметичного таблеточного двухэлектродного

никель-кадмиевого аккумулятора

 

Сепараторы.В негерметичных никель-кадмиевых аккумуляторах для дистанционного разделения электродов применяют эбонитовые продольные палочки, резиновые шнуры, полимерные сепараторы в виде продольных жилок и т.п., а также микропористые щелочестойкие сепараторы на основе поливинилхлорида, полиэтилена и пропиленового волокна в виде войлочных пластин.

В герметичных аккумуляторах в качестве сепараторов используются ткани и нетканые материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона. Могут быть использованы комбинации нескольких слоев сепараторов из различных материалов.

Конструкция электродов. Электроды по технологии изготовления подразделяются на ламельные и безламельные.

Устройство ламели показано на рисунке 4. Ламели (а) изготовлены из стальной перфорированной ленты толщиной 0,1 мм. Ламели для положительных электродов несколько толще, чем для отрицательных. Лента, используемая для изготовления положительных электродов, предварительно никелируется. Заполненные ламели собирают в виде пластин. В месте соприкосновения они соединяются друг с другом в замок (б), после чего пластины прессуют. При этом поверхность ламели гофрируется, что улучшает контакт массы с металлической оболочкой, и на ней продавливаются вертикальные канавки для эбонитовых палочек, помещаемых между электродами в качестве сепараторов. Жесткость пластине придают ребра, надетые с торцов и подвергнутые прессованию.

 

а

б

а – схема формирования ламели; б – соединение двух ламелей «в замок»

Рис. 4. Плоский ламель щелочного аккумулятора

 

Безламельные кадмиевые электроды выполняются в различных конструктивно-технологических вариантах. Металлокерамические (спеченные) электроды производятся в две технологические стадии: на токоотводящую никелевую основу (решетку, сетку, никелированную ламельную ленту) наносится порошок или паста из карбонильного никеля, которая затем спекается при температуре 800–900°С в водородной среде, образуя при этом пористую никелевую основу. На второй стадии полученные основы пропитываются в растворе хлорида кадмия до необходимого содержания активной массы.

Другая довольно распространенная группа безламельных кадмиевых электродов относится к типу пластифицированных. Активная масса в виде оксида кадмия смешивается с пластификаторами (поливиниловым спиртом, карбоксиметилцеллюлозой или другими термопластичными наполнителями), позволяющими связать между собой частицы оксида кадмия, затем проводятся напрессовка, намазка или прокатка на токоведущую основу и термообработка электрода. В активную массу электрода добавляют порообразователи и расширители в различных сочетаниях по отношению к оксиду кадмия. Одним из расширителей для активной массы является соляровое масло.

В цилиндрических аккумуляторах применяются спеченные положительные электроды, в паре с которыми могут использоваться как спеченные, так и намазанные или вальцованные отрицательные электроды. В дисковых аккумуляторах в основном используются ламельные электроды, хотя могут применяться прессованные и спеченные электроды. В качестве материала ламели используется никелевая сетка.

Условное обозначение никель-кадмиевых аккумуляторов приведено в Приложении (с. 217).

 

stydopedia.ru

Характеристики НК аккумуляторов

Электрические характеристики определяются назначением и режимами заряда и разряда батарей определенного типа. Наиболее высокие удельные характеристики имеют цилиндрические рулонные конструкции аккумуляторов, наиболее низкие – дисковые конструкции.

Никель-кадмиевый аккумулятор непосредственно после заряда имеет ЭДС, равную 1,45 В. При разряде свежезаряженного аккумулятора его напряжение вначале быстро снижается до 1,32–1,35 В, а затем изменяется медленно. В первый период в реакции токообразования участвует NiO2, присутствующий в небольшом количестве на поверхности частиц активного вещества.

Разрядные характеристики НК аккумуляторов при различных токах разряда представлены на рисунке 5.

 

 

1 – 1С; 2 –0,5С; 3 – 0,2С; 4 –0,1С

Рис. 5. Разрядные характеристики НК аккумуляторов при различных токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С.

 

На рисунке 6 показаны зарядная и разрядная характеристики НК герметичного и негерметичного аккумуляторов, из которых видно, что при заряде негерметичного аккумулятора водород выделяется спустя 80% емкости, а в герметичном – процесса выделения водорода не происходит.

 

 

1 – разрядная кривая; 2 – зарядная кривая герметичного аккумулятора;

3 – зарядная кривая негерметичного аккумулятора

Рис. 6. Зарядные и разрядная характеристики НК герметичного и негерметичного аккумуляторов

 

На рисунке 7 показаны разрядные характеристики НК аккумуляторов при различной температуре окружающей среды при токе разряда 0,2С.

 

 

Рис. 7. Разрядные характеристики НК аккумуляторов при различной температуре окружающей среды при токе разряда 0,2С

 

Никель-кадмиевые батареи отличаются от свинцовых более низким саморазрядом. Вместе с тем, степень саморазряда никель-кадмиевых батарей существенно зависит от температуры окружающей среды.

Срок службы НК аккумуляторов зависит от режима эксплуатации. Если батарея работает в режиме циклирования, то срок службы зависит от глубины разряда при циклировании. Чем меньше глубина разряда, тем больше циклов заряда/разряда выдерживает батарея.

Различие в сроке службы аккумуляторов объясняется поведением положительного электрода при циклировании. Срок службы металлокерамического электрода ограничен коррозией никелевой металлокерамической основы, которая теряет прочность в процессе циклирования и перестает удерживать в порах активную массу уже на 700–800 циклах. Емкость ламельного электрода ограничена несколькими факторами: вымыванием активной массы из ламелей в процессе заряда из-за газовыделения; деградацией зерен гидроксида никеля в процессе циклирования и карбонизацией токопроводящей добавки графита, которая приводит к повышению внутреннего сопротивления положительного электрода, а следовательно, к уменьшению степени заряжаемости электрода. Средний срок службы ламельного электрода составляет 1000–1200 циклов.

НК аккумуляторы в режиме постоянного подзаряда могут оставаться работоспособными 10–30 лет. Следует учесть, что при каждом повышении температуры на 10°С сверх нормальной температуры эксплуатации (25°С) срок службы НК батареи снижается на 20%.

Заряд. Эффективность заряда НК батареи зависит от степени заряда и от температуры. Как правило, при степени заряда до 80% эффективность заряда остается высокой, а затем заметно снижается. Поэтому циклирование никель-кадмиевой батареи более эффективно и по энергии, и по сроку службы при глубине заряда до 80 %. При этом снижается (или в ряде случаев исключается) газовыделение, а, следовательно, и расход воды в электролите. Срок службы батареи при этом существенно увеличивается.

Способы заряда герметичных аккумуляторов.Заряд герметичных аккумуляторов обычно производится при постоянном токе, при этом сообщается количество электричества, составляющее 105–110% номинальной емкости. Нормированный ток заряда обычно составляет (0,1–0,3)Сном. Для герметичных аккумуляторов кроме контроля времени заряда также применяется контроль конечного напряжения заряда, внутреннего давления (при помощи сигнализаторов давления), и полученной емкости (при помощи электронных счетчиков ампер-часов). В некоторых случаях применяются датчики максимального напряжения, срабатывание которых зависит от температуры и (или) тока заряда. Зарядные устройства могут снабжаться термореле, которые выдают сигнал на отключение заряда при повышении температуры до заданного значения.

Для герметичных аккумуляторов следует избегать условий, при которых напряжение заряда достигает значения 1,6 В, так как это способствует выделению водорода. Цилиндрические аккумуляторы допускают заряд при коротком режиме номинированным током 0,4Сном в течение 3 ч, при этом разрядная емкость снижается на 10%.

При заряде аккумуляторов от источника с постоянным напряжением (около 1,6 В и ниже) может возникнуть явление, получившее название «тепловой разгон» (1.5, с. 45).

 

stydopedia.ru