یکی از انواع باتری های قابل شارژ به نام باتری نیکل کادمیوم است که الکترودهای آن، نیکل (III) اکسید و کادمیوم فلزی است. از مزیت های مهم این نوع باتری ها، کارایی بهتر و عملکرد آن حتی در مواقع دشارژ بالا هستند. در این باتری ها، میزان و سرعت دشارژ بستگی به اندازه و سایز آن ها دارد. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک ما را با باتری نیکل کادمیوم و ویژگی های آن آشنا می کند.
باتری نیکل کادمیوم
از پرکاربردترین باتری ها در صنعت UPS، نیکل کادمیوم است که حساسیت کمی در مقابل تغییرات دما دارد. به دلیل حساسیت کم باتری نیکل کادمیوم در برابر تغییرات دما، مناسب استفاده در دماهای پایین است. فعالیت این باتری ها در بازه دمایی ۲۰- تا ۶۰ درجه سانتی گراد است. اما اگر فراوان در دماهای بالا استفاده شود، عمر متوسط آن کم می شود.
همه این خواص باعث شده که استفاده از این باتری ها در پتروشیمی ها، مترو و قطار شهری، پالایشگاه ها، خطوط لوله، مخابرات، نفت، منطقه عملیاتی انتقال گاز و همچنین شرکت های خودروسازی گزینه خوبی باشد.
ساختار باتری نیکل کادمیوم
قطب مثبت باتری های نیکل کادمیوم از هیدرات نیکل و قطب منفی آن از به طور عمده از کادمیوم اسفنجی تشکیل شده است. الکترولیت باتری، هیدروکسید پتاسیم در آب بوده و در سنجش با کل محلول الکترولیت، غلظت هیدروکسید پتاسیم بین ۲۰ تا ۳۵ درصد است. دو صفحه هیدروکسید نیکل و کادمیوم فلزی در این باتری به صورت استوانه ای رول شده در اتصال با هم هستند. هیدروکسید نیکل به عنوان آند و کادمیوم به عنوان کاتد در این نوع باتری بوده و بار الکتریکی بین این دو تشکیل می شود.
خواص و ویژگی های باتری های نیکل کادمیوم
از ویژگی های باتری های نیکل کادمیوم داشتن طول عمر بالا است که قابلیت دشارژ بالا به تعداد دفعات زیاد تا حتی ۱۰۰۰ چرخه شارژ را دارد. این چرخه شارژ در مقایسه با باتری های دیگر بیشتر است ولی با شارژ تعداد دفعات بیشتر، طول عمر آن کم می شود. از ویژگی های دیگر این باتری، مقاومت بسیار بالای آن در برابر اثرات مکانیکی و الکترونیکی خراب کننده است. باتری های نیکل کادمیومم دارای مقاومت داخلی بسیار کمی بوده و میزان دشارژ خود به خودی در آن ها بسیار پایین است.
یکی دیگر از خواص این باتری، قدرت ذخیره سازی بالای انرژی در مقایسه با باتری های سیلد اسید در وزن برابر است و همچنین این باتری در مدت زمان کمتری و با سرعت بیشتری شارژ می شود.
ولتاژ سلول باتری های نیکل کادمیوم
در باتری های نیکل کادمیوم، ولتاژ سلول های آن برابر با ۱,۲ ولت بوده و چون این ولتاژ در مقایسه با ولتاژ سلول های آلکالاین (۱,۵ ولت) کمتر است، نمی توان به جای آن ها استفاده کرد. ولتاژ باتری های آلکالاین برابر با ۱,۵ ولت بوده که در هنگام تخلیه شدن ولتاژ آن برابر با ۰,۹ ولت می شود. در باتری های نیکل کادمیوم، افت فشار به میزان بسیار کمی است. این ویژگی سبب می شود که بتوان از این باتری ها در دستگاه هایی استفاده کرد که تحمل ولتاژ آن ها بین ۰,۹ تا ۱,۵ ولت است.
سرعت شارژ باتری نیکاد
سرعت شارژ سلول های باتری های نیکل کادمیوم با توجه به ساختار آن متفاوت خواهد بود. در باتری ها، جریان شارژ با ظرفیت نامی باتری که بین ۰,۱ ساعت نامی تا ۴ برابر آمپر ساعت است، متناسب است. دمای باتری با جریان بالای شارژ باتری بالاتر می رود. با این که شارژ باتری نیکاد فرایندی گرماگیر است، دمای آن نزدیک به شارژ کامل، تا نزدیک ۴۵ تا ۵۰ درجه سانتی گراد بالا می رود. این یکی از راه های تشخیص شارژ کامل در باتری ها بوده و در این دما می توان شارژ را متوقف کرد.
در کل دماهای متفاوت نشان دهنده درصدهای مختلف شارژ این باتری هاست. به طوری که دمای ۲۰ درجه سانتی گراد نشان دهنده شارژ ۲۰ درصدی باتری است. در صورت استفاده نکردن از این باتری ها با مدت زیاد، بهتر است که شارژ آن را نزدیک ۴۰ درصد نگه دارید.
دشارژ در باتری های نیکل کادمیوم
سایز باتری های نیکاد تعیین کننده سرعت دشارژ آن هاست. سرعت دشارژ در سایز AA این باتری ها، ۱,۸ و میزان این سرعت در باتری های سایز D برابر با ۳,۵ آمپر است. مثالی از کاربرد این باتری ها با توجه به سرعت دشارژ آن ها در هواپیما و یا یک قایق است. در این وسایل برای این که موتور به حرکت در آید، ۵ تا ۶ دقیقه زمان لازم است تا ۱۰۰ آمپر جریان لازم تامین شود. برای این منظور از باتری های کوچک استفاده می شود.
شارژ بیش از حد باتری نیکل کادمیوم
مخزنی در سلول های نیکاد وجود دارد که در فشار بالا قرار دارند. این مخزن شامل گازهای اکسیژن و هیدروژن قبل از ترکیب با آب است. وقتی شرایط در این باتری به صورت اور شارژ است، این گازها به طور معمول در هنگام شارژ و دشارژ تولید می شود. اما در صورت بالا بودن فشار بیش از حد معمول، با عملکرد دریچه اطمینان، بخار آب کم می شود.
کم شدن بخار آب، می تواند در میزان توانایی و ظرفیت سلول های مورد نظر در گرفتن و ارسال جریان اثر بگذارد. زیرا مجراهای باتری ها برای مقدار دقیق الکترولیت طراحی شده اند. برای این که تشخیص داده شود که در باتری های نیکل کادمیوم، حالت اور شارژ رخ داده است، باید شارژ مناسب و باکیفیتی انتخاب شود. زیرا این شرایط را شارژر شناسایی می کند. در صورت به کار بردن شارژرهای ارزان و بی کیفیت، باتری ها آسیب می بینند.
مشکل اثر حافظه در باتری نیکل کادمیوم
یکی از مشکلاتی که در باتری های نیکل کادمیوم وجود دارد، اثر حافظه است. وقتی باتری مذکور، ۱۰۰ بار در یک درصد مشخصی شارژ و دشارژ شود، آن نقطه شارژ در حافظه باتری مانده و در صورت رسیدن شارژ به این نقطه، به طور یک دفعه، ولتاژ کم می شود. کم شدن ولتاژ طوری است که گویی شارژ در باتری تخلیه شده است. علت تخلیه باتری تا آخر در این نوع از باتری ها قبل از این که شارژ شوند، همین است.
باتری مورد بحث در این مقاله می تواند قبل از این که ظرفیت آن نابود شود، توانایی چرخه مرتب تا ۱۰۰۰ را دارد. اما اثر حافظه در باتری ها را نمی توان به عنوان کم شدن ظرفیت آن دانست، چون دستگاه هایی که از این باتری ها استفاده می کنند، قابلیت تحمل این کاهش ولتاژ را دارند. با خالی کردن باتری در هر ماه یکبار به طور کامل، اثر حافظه در آن حذف می شود.
طول عمر باتری های نیکل کادمیوم
در باتری های نیکاد با زیاد شدن تعداد دفعات دشارژ آن، از عمر باتری ها کاسته می شود. همچنین این باتری ها به عمق دشارژ حساس هستند طوری که طول عمر آن ها در میزان دشارژ کمتر، بیشتر می شود. باتری نیکل کادمیوم با دشارژی ۳۰ درصد در مقایسه با باتری که تا ۸۰ درصد دشارژ می شود، عمر بیشتری دارد. باتری های نیکل کادمیوم گران تر از باتری های سرب اسیدی هستند. اما این باتری ها چون می توانند تعداد دفعات زیادی دشارژ کرد، از نظر اقتصادی به صرفه تر هستند.
شارژ این باتری ها با کنترل سطح ولتاز و دمای آن انجام می شود. اما دشارژ آن ها به جهت صدمه پذیر بودن آن از اتصال کوتاه راحت انجام می شود. اما اگر این باتری ها شارژ کامل هستند نباید به مدت طولانی انبار شوند.
مزایا و معایب باتری های نیکاد نسبت به سایر باتری ها
از مزیت های باتری های نیکاد همان طور که در بالا نیز گفته شد، راحتی نگهداری و طول عمر بالای آن است. همچنین این باتری ها مقاومت بالایی داشته و فضای کمتری را اشغال می کنند. وزن باتری های نیکل کادمیوم کم بوده و این از مزایای مهم این نوع باتری هاست. اما این باتری با وجود داشتن مزایا، دارای معایبی نیز هستند. به عنوان مثال در باتری های نیکاد، سلول ها دارای ولتاژ کمی هستند. در حالت دشارژ، افت ولتاژ داشته و بازده آن بین ۶۰ تا ۷۵ درصد است. مصرف آب مقطر در این باتری ها زیاد بوده و نیاز به عوض کردن الکترولیت های خود در هر چند سال یکبار دارد. این باتری ها گران تر بوده و نسبت به دماهای بالا حساس هستند.
کاربرد باتری نیکاد
باتری های نیکل کادمیوم می تواند به صورت یک یا چند سلولی بسته بندی شود. از این نوع باتری ها در سایزهای کوچک برای وسایل الکترونیکی و اسباب بازی ها استفاده می شود. همچنین این باتری ها در تلفن های همراه و بی سیم، کامپیوترها، اسباب بازی ها، روشنایی های اضطراری و … به کار برده می شود. اما از سایزهای بزرگ این باتری ها در خودروهای الکترونیکی، سیستم های برق اضطراری ups، استارتر هواپیماها و همچنین قایق ها به کار گرفته می شود. در صنایع نفت، پتروشیمی، ناوگان حمل و نقل راه آهن و همچنین مترو نیز از این باتری ها استفاده می شود.
اصول نگهداری باتری نیکل کادمیوم
بیشتر از ۲۵ سال می توان طول عمر باتری های نیکل کادمیوم را با عوض کردن الکترولیت های مربوط و همچنین احیای باتری ها را زیاد کرد. با نگهداری اصولی و سرویس های دوره ای منظم می توان عمر باتری ها را تا این مدت نگه داشت. کیفیت ساخت باتری ها، چگونه شارژ کردن و دشارژ کردن آن ها، تعویض الکترولیت ها و نکات دیگر در بالا بردن عمر این باتری ها مهم است.
نگهداری این باتری ها باید بین دمای ۲۰- تا ۴۵ درجه سانتی گراد بوده و در یک محیط خشک، خنک، تمیز و غیر خورنده باشد. اگر مدت زمان طولانی آن ها را انبار کنیم، ممکن است سریع تخلیه شده و الکترولیت آن غیرفعال شود.
قیمت باتری نیکاد
همان طور که اشاره شد، مزایای زیادی برای باتریهای نیکل کادمیوم وجود دارد اما در مقایسه با باتری های سربی اسیدی ۲ تا ۴ برابر گران تر هستند. عواملی چون کیفیت، نوع آلیاژ و نوع تکنولوژی که برای ساخت این باتری ها استفاده شده بر قیمت آن ها تاثیر گذار باشد.
اثرات زیست محیطی باتری نیکاد
۶ تا ۱۸ درصد کادمیوم در باتری های نیکاد وجود دارد. چون این عنصر، فلزی سمی و سنگین است، برای دفع این باتری ها باید نکات ایمنی خاصی را رعایت کرد. کادمیوم وقتی دفن و یا سوزانده می شود، آلودگی زیادی را تولید می کند. به جهت همین تلاش های بسیاری در حال انجام است که این باتری ها دوباره بازیافت شوند تا میزان آلودگی کمتری را به محیط زیست وارد کنند.
