Никель-металлгидридные батареи

Никель-металлгидридные (NiMH) батареи представляют собой разновидность аккумуляторов, в которых анод изготовлен из сплава, способного поглощать водород (металлгидрид), а катод состоит из оксида никеля (NiOOH). Электрохимическая реакция основана на обратимом переносе протонов и электронов между анодом и катодом через электролит, чаще всего щелочной раствор гидроксида калия (KOH).

Анодная реакция (разряд):

MH + OH− → M + H2O + e−

Катодная реакция (разряд):

NiO(OH) + H2O + e− → Ni(OH)2 + OH−

Общая реакция при разряде:

MH + NiO(OH) → M + Ni(OH)2

Эта реакция полностью обратима при заряде аккумулятора. Потенциал одного элемента составляет примерно 1,2–1,3 В.

Материалы анода и катода

Анод: Изготавливается из сплавов на основе легированных редкоземельных и переходных металлов (например, LaNi₅, MmNi₅, где Mm — смешанный металл). Эти сплавы обладают высокой способностью абсорбировать водород, обеспечивая стабильный цикл заряд-разряд и длительный срок службы батареи.

Катод: Основной материал — гидроксид никеля (Ni(OH)₂), перерабатываемый в NiOOH при заряде. Физическая структура катода и степень пористости определяют скорость протекания электрохимических процессов и внутреннее сопротивление.

Электролит: Концентрированный щелочной раствор KOH обеспечивает высокую ионную проводимость. Его концентрация и температура существенно влияют на ёмкость и скорость заряда-разряда.

Характеристики и эксплуатационные свойства

  • Энергетическая плотность: NiMH батареи обеспечивают плотность энергии около 60–120 Вт·ч/кг, что превышает NiCd, но уступает литий-ионным батареям.
  • Цикл жизни: Количество циклов заряд-разряд достигает 500–1000 при условии соблюдения режима эксплуатации.
  • Саморазряд: NiMH аккумуляторы обладают более высоким саморазрядом по сравнению с литий-ионными; снижение температуры замедляет потерю заряда.
  • Рабочий температурный диапазон: От -20 °C до +60 °C, оптимальная температура для работы — 20–40 °C.
  • Экологическая безопасность: Отсутствие токсичных металлов кадмия делает NiMH более безопасными в утилизации по сравнению с NiCd.

Особенности зарядки и разрядки

Зарядка NiMH аккумуляторов должна контролироваться по напряжению и току, чтобы избежать перезаряда и деградации анодного сплава. Используются следующие методы:

  • Постоянный ток (CC): Зарядка осуществляется током, равным 0,1–1 C (где C — номинальная ёмкость), до достижения напряжения около 1,45–1,5 В на элемент.
  • Метод ΔV: Заряд прекращается при обнаружении падения напряжения после пика, что предотвращает перегрев и деградацию.
  • Импульсная зарядка: Применяется для ускоренной зарядки и снижения эффекта газовыделения.

Разрядка должна выполняться в пределах допустимого тока, обычно 0,2–1 C, чтобы предотвратить перегрев и снижение ёмкости.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

  • Высокая удельная ёмкость по сравнению с NiCd.
  • Экологическая безопасность и отсутствие токсичного кадмия.
  • Стабильное напряжение в течение разряда.
  • Хорошая переносимость кратковременных перегрузок по току.

Ограничения:

  • Высокий саморазряд, особенно при повышенных температурах.
  • Чувствительность к глубокому разряду и перезаряду.
  • Ограничение по рабочему температурному диапазону.
  • Низкая энергоэффективность при высоких токах разряда.

Современные тенденции развития

Разработка новых анодных сплавов с повышенной абсорбционной способностью и устойчивостью к коррозии позволяет увеличить циклическую долговечность и уменьшить саморазряд. Усовершенствование структуры катода и применение наноматериалов для улучшения пористости и электропроводности способствует увеличению мощности и скорости разряда. В последние годы активное внимание уделяется снижению веса элементов и повышению энергетической плотности для применения в гибридных автомобилях и портативной электронике.

Методы «умной зарядки», использование встроенных систем контроля температуры и напряжения позволяют продлить срок службы и повысить безопасность эксплуатации NiMH батарей в современных устройствах.

Оглавление