Никель-кадмий аккумуляторы: түрлері, қасиеттері және қолданылуы

Кіріспе

Қайта зарядталатын батареяның түрі

Никель-кадмий батареясы (Ni–Cd батареясы немесе NiCad батареясы) – электродтар ретінде никель оксиді гидроксиді мен металл кадмийді пайдаланатын қайта зарядталатын батареяның түрі. Ni–Cd аббревиатурасы никель (Ni) және кадмий (Cd) элементтерінің химиялық таңбаларынан алынған: NiCad аббревиатурасы SAFT Corporation компаниясының тіркелген тауарлық белгісі болып табылады, алайда бұл бренд атауы барлық Ni–Cd батареяларын сипаттау үшін жиі қолданылады. Сулы никель-кадмий батареялары 1899 жылы ойлап табылды. Ni–Cd батареясы разряд кезінде шамамен 1,2 вольт терминалдық кернеуге ие, ол разряд соңына дейін көбінесе өзгермейді. Ni–Cd элементінің максималды электр қозғалтқыш күші 1,3 В құрайды. Ni–Cd батареялары кең ауқымдағы өлшемдер мен сыйымдылықтарда жасалады – көміртекті-цинк құрғақ элементтерімен алмастырылатын портативті герметикалық түрлерінен бастап, күш беру резерві және қозғалтқыш қуаты үшін қолданылатын үлкен желдетілетін элементтерге дейін. Басқа қайта зарядталатын элементтермен салыстырғанда, олар жақсы циклдық өмірге және төмен температурада тиімді жұмыс істеуге, сондай-ақ лайықты сыйымдылыққа ие, бірақ олардың маңызды артықшылығы – жоғары разряд жылдамдықтарында (бір сағат немесе одан кем уақытта разрядтау) дерлік толық номиналды сыйымдылықты беру қабілеті. Дегенмен, материалдары қорғасын-қышқыл аккумуляторына қарағанда қымбат, ал элементтердің өзін-өзі разрядтау жылдамдығы жоғары. Мөрленген Ni–Cd элементтері бір кезде портативті электр құралдарында, фотоаппараттарда, фонарьларда, авариялық жарықтандыруда, хобби RC және портативті электрондық құрылғыларда кеңінен қолданылды. Никель-металл гидридті аккумуляторлардың артық сыйымдылығы және соңғы кездегі төмен бағасы Ni–Cd қолдануын көбінесе ығыстырды. Бұған қоса, улы металл кадмийді кәдеге шығарудың қоршаған ортаға тигізетін әсері олардың қолданылуын азайтуға үлкен үлес қосты. Еуропалық Одақта Ni–Cd батареяларын енді тек ауыстыру мақсатында немесе медициналық құралдар сияқты жаңа жабдықтардың белгілі бір түрлері үшін ғана беруге болады. Үлкен желдетілетін ылғал Ni–Cd батареялары авариялық жарықтандыруда, күш беру резервінде, үзіліссіз қуат көздерінде және басқа да қолдануларда қолданылады.

The nickel–cadmium battery (Ni–Cd battery or NiCad battery) is a type of rechargeable battery using nickel oxide hydroxide and metallic cadmium as electrodes. The abbreviation Ni–Cd is derived from the chemical symbols of nickel (Ni) and cadmium (Cd): the abbreviation NiCad is a registered trademark of SAFT Corporation, although this brand name is commonly used to describe all Ni–Cd batteries. Wet cell nickel–cadmium batteries were invented in 1899. A Ni–Cd battery has a terminal voltage during discharge of around 1.2 volts which decreases little until nearly the end of discharge. The maximum electromotive force offered by a Ni–Cd cell is 1.3V. Ni–Cd batteries are made in a wide range of sizes and capacities, from portable sealed types interchangeable with carbon–zinc dry cells, to large ventilated cells used for standby power and motive power. Compared with other types of rechargeable cells they offer good cycle life and performance at low temperatures with a fair capacity but their significant advantage is the ability to deliver practically their full rated capacity at high discharge rates (discharging in one hour or less). However, the materials are more costly than that of the lead–acid battery, and the cells have high self discharge rates. Sealed Ni–Cd cells were at one time widely used in portable power tools, photography equipment, flashlights, emergency lighting, hobby RC, and portable electronic devices. The superior capacity of nickel–metal hydride batteries, and recent lower cost, has largely supplanted Ni–Cd use. Further, the environmental impact of the disposal of the toxic metal cadmium has contributed considerably to the reduction in their use. Within the European Union, Ni–Cd batteries can now only be supplied for replacement purposes or for certain types of new equipment such as medical devices. Larger ventilated wet cell Ni–Cd batteries are used in emergency lighting, standby power, and uninterruptible power supplies and other applications.

Тарих

Алғашқы Ni–Cd батареясын 1899 жылы швед ғалымы Вальдемар Юнгнер жасаған. Сол кездегі жалғыз тікелей бәсекелесі – қорғасын-қышқыл аккумуляторы болды, ол физикалық және химиялық тұрақтылығы жағынан нашар болды. Алғашқы прототиптерге енгізілген шағын өзгерістердің арқасында энергия тығыздығы жылдам түрде негізгі батареялардың шамамен жартысына дейін өсті, ал қорғасын-қышқыл аккумуляторларынан әлдеқайда жоғары болды. Юнгнер кадмийдің орнына әртүрлі мөлшерде темірді қолданумен тәжірибе жасады, бірақ темір қоспаларының қанағаттандырмайтынын анықтады. Юнгнердің жұмысы АҚШ-та көпшілікке белгісіз болды. Томас Эдисон 1902 жылы никель-кобальт кадмий батареясын патенттеді және Юнгнер өзінің батареясын жасағаннан екі жыл кейін АҚШ-қа никель-темір батареясын енгізген кезде батарея дизайнын бейімдеді. 1906 жылы Юнгнер Швецияның Оскаршамн қаласының жанында Ni–Cd батареяларын өндіруге арналған зауыт құрды. 1932 жылы белсенді материалдар кеуекті никельмен қапталған электродтың ішіне орналастырылды, ал он бес жылдан кейін герметикалық никель-кадмий батареясын жасау жұмыстары басталды. АҚШ-тағы алғашқы өндіріс 1946 жылы іске қосылды. Осыған дейін батареялар «қалталы» типте болды, олар никель және кадмий белсенді материалдарын қамтитын никельденген болат қалталардан жасалған. ХХ ғасырдың ортасында синтезделген Ni–Cd батареялары кеңінен танымал болды. Никель ұнтағын оның балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада жоғары қысыммен біріктіру арқылы синтезделген пластиналар жасалады. Осылайша алынған пластиналар жоғары кеуекті, көлемінің шамамен 80 пайызын құрайды. Оң және теріс пластиналар никель пластиналарын тиісінше никель және кадмий белсенді материалдарына батыру арқылы жасалады. Синтезделген пластиналар әдетте қалталы типке қарағанда әлдеқайда жұқа болады, нәтижесінде көлем бірлігіне шаққанда үлкен беттік ауданы мен жоғары тоқ күшіне ие болады. Батареядағы реактивті материалдың беттік ауданы неғұрлым көп болса, оның ішкі кедергісі соғұрлым төмен болады. 2000 жылдардан бері барлық тұтынушылық Ni–Cd батареялары «желелі орама» конфигурациясын қолданады.

Сипаттамалары

NiCd батареясының максималды разрядталу деңгейі көлеміне қарай өзгереді. Көбінесе қолданылатын АА көлемді элемент үшін максималды разряд деңгейі шамамен 1,8 амперді құрайды; ал D көлемді батарея үшін разряд деңгейі 3,5 амперге дейін жете алады. Ұшақ немесе қайық үлгілерін құрастырушылар көбінесе негізгі моторларды қуаттандыру үшін арнайы жасалған NiCd батареяларынан жүз амперге дейінгі токтарды алады. Қалыпты өлшемдегі батареялардан 5–6 минуттық жұмыс істеу оңай қол жетімді, сондықтан ішкі жану моторларымен салыстырылатын, бірақ қызмет ету мерзімі жағынан кем қуаттылық/салмақ көрсеткішіне қол жеткізіледі. Дегенмен, литий полимерлік (LiPo) және литий темір фосфаттық (LiFe) батареялары оларды көптеген жағдайларда ығыстырды, себебі олар тіпті жоғары энергия тығыздығын қамтамасыз етеді.

Кернеу

NiCd элементтерінің номиналдық кернеуі 1,2 вольт (В) құрайды. Бұл сілтілік және мырыш-көміртекті біріншілік элементтердің 1,5 В-тан төмен, сондықтан оларды барлық жағдайларда ауыстыруға болмайды. Дегенмен, сілтілік біріншілік элементтің 1,5 В – бастапқы кернеуі, орташа емес. Сілтілік және мырыш-көміртекті біріншілік элементтерден өзгеше, NiCd элементінің терминалдық кернеуі разрядталатын кезде аз ғана өзгереді. Көптеген электрондық құрылғылар біріншілік элементтермен жұмыс істеу үшін жасалған, олар бір элемент үшін 0,90–1,0 В дейін разрядтала алады, сондықтан NiCd элементінің салыстырмалы тұрақты 1,2 В жұмыс істеуге жеткілікті. Кейбір мамандар тұрақты кернеуді кемшілік деп есептейді, себебі батарея зарядының төмен екенін анықтау қиын. 9 В батареяларын ауыстыру үшін қолданылатын NiCd батареяларында көбінесе алты элемент болады, олардың терминалдық кернеуі 7,2 вольтқа тең. Көптеген қапшағай радиолары осы кернеуде жақсы жұмыс істейді, бірақ Varta сияқты кейбір өндірушілер аса маңызды жағдайлар үшін жеті элементі бар 8,4 вольттық батареялар жасады.

Төлемдеу

NiCd аккумуляторларын жасушаның жасалу жолына байланысты әртүрлі жылдамдықпен зарядтауға болады. Зарядтау жылдамдығы аккумулятордың зарядталу барысында тұрақты токпен берілетін ампер-сағат сыйымдылығының проценттік көрсеткішімен өлшенді. Зарядтау жылдамдығына қарамастан, зарядтау кезіндегі энергия жоғалтуларын ескере отырып, аккумулятордың нақты сыйымдылығынан артық энергиямен қамтамасыз ету қажет, сонымен қатар жылдам зарядтау тиімдірек болады. Мысалы, "түндегі" зарядтау 14-16 сағат бойы ампер-сағатының оннан бір бөлігіне (C/10) тең токпен қамтамасыз етуден тұрады; яғни 100 мАч аккумулятор 14 сағат бойы 10 мА ток алады, бұл жылдамдықпен зарядтау үшін 140 мАч қажет. Жылдам зарядтау режимінде, аккумулятордың номиналды сыйымдылығының 100% мөлшерінде 1 сағатта (1C) зарядтағанда, аккумулятор шамамен 80% зарядталады, сондықтан 100 мАч аккумуляторды зарядтау үшін 125 мАч қажет (яғни шамамен 1 сағат 15 минут). Кейбір арнайы аккумуляторларды 4C немесе 6C зарядтау жылдамдығымен 10-15 минут ішінде зарядтауға болады, бірақ мұндай жағдай сирек кездеседі. Бұған қоса, ішкі қысымның артуына байланысты жасушалардың қызып кетуі және газ шығару қаупі артады: жасушаның температураның өсу жылдамдығы оның ішкі кедергісімен және зарядтау жылдамдығының квадратымен анықталады. 4C жылдамдығымен жасушада бөлінетін жылу мөлшері 1C жылдамдығымен бөлінетін жылудан он алты есе артық. Жылдам зарядтаудың кемшілігі – аккумулятордың артық зарядталу қаупі, ол аккумуляторға зиян келтіруі мүмкін, сондай-ақ жасушаның шыдамдылық деңгейіне түсетін жоғары температура (бұл оның қызмет ету мерзімін қысқартуы мүмкін). Қолданылу кезіндегі қауіпсіз температура диапазоны -20 °C мен 45 °C аралығында болады. Зарядтау кезінде аккумулятордың температурасы әдетте төмен болады, шамамен қоршаған орта температурасына тең (зарядтау реакциясы энергияны сіңіреді), бірақ аккумулятор толық зарядталғанда температура 45-50 °C дейін көтеріледі. Кейбір аккумулятор зарядтағыштары осы температураның өсуін анықтап, зарядтауды тоқтатып, артық зарядталудың алдын алады. Жүктемеде немесе зарядталатын болмаған кезде NiCd аккумуляторы 20 °C температурада айына шамамен 10% өзін-өзі разрядтайды, ал жоғары температурада айына 20% дейін разрядталады. Ескерту: 2022 жылғы мәлімет бойынша, бұл сөйлем NiCad технологиясы енгізілген кезде және тіпті 50 жыл бұрын да дұрыс болды. Алайда, шамамен 40 жыл бұрын байқалған жақсартулар айына 5% разрядқа дейін төмендетті, ал қазіргі NiCad аккумуляторлары айына 1% немесе 2% ғана разрядталады. Осы разрядты өтеу үшін ток деңгейі осы разряд жылдамдығын теңестіруге жеткілікті мөлшерде ағып-төгілуді жүзеге асыруға болады, осылайша аккумуляторды толық зарядтауға болады. Дегенмен, егер аккумулятор ұзақ уақыт бойы пайдаланылмаса, оны сыйымдылығының 40% дейін разрядтау керек (кейбір өндірушілер толық разрядтауды және тіпті толық разрядталғаннан кейін қысқа тұйықталуды ұсынады) және салқын, құрғақ жерде сақтау керек.

Ni–Cd batteries can be charged at several different rates, depending on how the cell was manufactured. The charge rate is measured based on the percentage of the amp hour capacity the battery is fed as a steady current over the duration of the charge. Regardless of the charge speed, more energy must be supplied to the battery than its actual capacity, to account for energy loss during charging, with faster charges being more efficient. For example, an "overnight" charge, might consist of supplying a current equal to one tenth the ampere hour rating (C/10) for 14–16 hours; that is, a 100 mAh battery takes 10 mA for 14 hours, for a total of 140 mAh to charge at this rate. At the rapid charge rate, done at 100% of the rated capacity of the battery in 1 hour (1C), the battery holds roughly 80% of the charge, so a 100 mAh battery takes 125 mAh to charge (that is, approximately 1 hour and fifteen minutes). Some specialized batteries can be charged in as little as 10–15 minutes at a 4C or 6C charge rate, but this is very uncommon. It also greatly increases the risk of the cells overheating and venting due to an internal over pressure condition: the cell's rate of temperature rise is governed by its internal resistance and the square of the charging rate. At a 4C rate, the amount of heat generated in the cell is sixteen times higher than the heat at the 1C rate. The downside to faster charging is the higher risk of overcharging, which can damage the battery. and the increased temperatures the cell has to endure (which potentially shortens its life). The safe temperature range when in use is between −20 °C and 45 °C. During charging, the battery temperature typically stays low, around the same as the ambient temperature (the charging reaction absorbs energy), but as the battery nears full charge the temperature will rise to 45–50 °C. Some battery chargers detect this temperature increase to cut off charging and prevent over charging. When not under load or charge, a Ni–Cd battery will self discharge approximately 10% per month at 20 °C, ranging up to 20% per month at higher temperatures. Note; year 2022, the preceding sentence was certainly true when NiCad was introduced and even 50 years ago. However continued improvements seen around 40 years ago lead to 5% per month and today the NiCad batteries have substantially lower self discharge, on the order of 1% or 2% per month. It is possible to perform a trickle charge at current levels just high enough to offset this discharge rate; to keep a battery fully charged. However, if the battery is going to be stored unused for a long period of time, it should be discharged down to at most 40% of capacity (some manufacturers recommend fully discharging and even short circuiting once fully discharged), and stored in a cool, dry environment.

Артық төлемақы

Жабық Ni–Cd элементтері қысымға төзімді ыдыстан тұрады, ол суға қайта біріктірілгенге дейін пайда болатын оттегі мен сутегі газдарын ішінде ұстауға арналған. Мұндай газдардың пайда болуы әдетте жылдам зарядтау және разрядтау кезінде, әсіресе артық зарядтау жағдайында болады. Егер қысым қауіпсіздік клапанының шегінен асып кетсе, су газ күйінде жоғалады. Ыдыс белгілі бір мөлшердегі электролитті сақтау үшін жасалғандықтан, бұл жоғалту элементтің сыйымдылығына және ток қабылдау мен беру қабілетіне тез әсер етеді. Артық зарядтаудың барлық жағдайларын анықтау зарядтау тізбесінен жоғары деңгейде күрделілік талап етеді және арзан зарядтағыш тіпті ең жақсы сапалы элементтерге де зиян келтіруі мүмкін.

Желдетілетін батареялар

Ауалы элемент (ылғал элемент, су басқан элемент) Ni–Cd батареялары үлкен сыйымдылық және жоғары разряд жылдамдығы қажет болғанда қолданылады. Көбінесе Ni–Cd батареялары герметикалық типте болады, яғни зарядтау газы әдетте қайта біріктіріледі және батарея қатты зарядталмаса немесе ақау пайда болмаса, газ шығармайды. Құрғақ Ni–Cd элементтерінен айырмашылығы, ауалы элементтерде газ шығару клапаны немесе төмен қысымды босату клапаны болады, ол артық зарядталғанда немесе жылдам разрядталғанда түзілген оттегі мен сутегі газдарын шығарады. Батарея қысымға төтеп беретін ыдыс болмағандықтан, ол қауіпсіз, салмағы жеңіл және құрылысы қарапайым әрі экономикалық. Бұл батареяның шамадан тыс зарядталуынан, разрядталуынан немесе тіпті кері зарядталуынан зақымдануын болдырмайды. Олар авиацияда, теміржол және қалалық көліктерде, телекоммуникациялар үшін резервтік қуат беруде, резервтік турбиналардың қозғалтқыштарын іске қосуда және т.б. қолданылады. Ауалы Ni–Cd батареяларын пайдалану басқа типтегі батареялармен салыстырғанда өлшемдерін, салмағын және техникалық қызмет көрсету жиілігін азайтады. Ауалы Ni–Cd батареялары ұзақ қызмет етеді (түріне қарай 20 жылға дейін немесе одан да көп) және экстремалды температурада жұмыс істейді (-40 °C-тан 70 °C-қа дейін). Болаттан жасалған батареялық қорапта қажетті кернеуді алу үшін (әр элемент үшін 1,2 В номиналды) тізбектей жалғанған элементтер орналасқан. Элементтер әдетте жеңіл және берік полиамидтан (нейлоннан) жасалады, әр электрод үшін бірнеше никель-кадмий пластиналары біріктіріледі. Электродтар арасындағы оқшаулағыш және газ өткізбейтін қабат ретінде силиконды резеңкеден жасалған бөлгіш немесе қаптама қолданылады. Элементтер калий гидроксидінің (KOH) 30% сулы ерітіндісімен толтырылады. Электролиттің тығыздығы батареяның разрядталған немесе толық зарядталған екенін көрсетпейді, бірақ судың булануына байланысты өзгереді. Элементтің жоғарғы жағында артық электролит үшін және қысымды босату клапаны үшін орын қарастырылған. Үлкен никельделген мыс бұрандалары мен қалың байланыстырушы тізбектері батареяның эквиваленттік тізбектік кедергісінің ең төменгі деңгейін қамтамасыз етеді. Газдардың шығуы батареяның жоғары жылдамдықпен разрядталатынын немесе номиналды жылдамдықтан жоғары жылдамдықпен зарядталатынын білдіреді. Сондай-ақ, ауа шығару кезінде жоғалған электролитті тұрақты техникалық қызмет көрсету арқылы мерзімді түрде ауыстыру қажет. Зарядтау-разрядтау циклдары мен батарея түріне байланысты техникалық қызмет көрсету аралығы бірнеше айдан бір жылға дейін болуы мүмкін. Ауалы элементтің кернеуі зарядтау соңында тез өседі, бұл өте қарапайым зарядтау схемасын пайдалануға мүмкіндік береді. Әдетте батарея 1 CA жылдамдығымен тұрақты токпен зарядталады, барлық элементтер кем дегенде 1,55 В-қа жеткенге дейін. Содан кейін барлық элементтер 1,55 В-қа жеткенге дейін 0,1 CA жылдамдығымен тағы бір зарядтау циклі жүргізіледі. Зарядтау теңестіру немесе толықтыру арқылы аяқталады, әдетте 0,1 CA жылдамдығымен кемінде 4 сағатқа дейін. Артық зарядтаудың мақсаты электродтарда жиналған газдардың (сутегі – теріс электродта, оттегі – оң электродта) мүмкіндігінше көп бөлігін шығару, ал бұл газдардың бір бөлігі суды құрау үшін қайта біріктіріліп, электролит деңгейін ең жоғары деңгейге көтереді, содан кейін электролит деңгейін реттеуге болады. Артық зарядтау немесе толықтыру кезінде элементтердің кернеуі 1,6 В-тан асып, содан кейін баяу төмендеуі мүмкін. Ешбір элемент 1,71 В-тан (құрғақ элемент) жоғары немесе 1,55 В-тан (газ кедергісі бұзылған) төмен болмауы тиіс. Ұшақта жүзуші батареялық электр жүйесімен жабдықталған жағдайда, реттегіш кернеу батареяны тұрақты потенциалмен зарядтау үшін орнатылады (әдетте 14 немесе 28 В). Егер кернеу тым жоғары болса, электролиттің жылдам жоғалуына себеп болады. Бұзылған зарядтау реттегіші заряд кернеуінің осы мәннен жоғары көтерілуіне мүмкіндік беруі мүмкін, бұл электролиттің қайнауымен бірге шамадан тыс зарядталуға әкеледі.

Vented cell (wet cell, flooded cell) Ni–Cd batteries are used when large capacities and high discharge rates are required. Conventional Ni–Cd batteries are of the sealed type, which means that charge gas is normally recombined and they release no gas unless severely overcharged or a fault develops. Unlike typical Ni–Cd cells, which are sealed, vented cells have a vent or low pressure release valve that releases any generated oxygen and hydrogen gases when overcharged or discharged rapidly. Since the battery is not a pressure vessel, it is safer, weighs less, and has a simpler and more economical structure. This also means the battery is not normally damaged by excessive rates of overcharge, discharge or even negative charge. They are used in aviation, rail and mass transit, backup power for telecoms, engine starting for backup turbines etc. Using vented cell Ni–Cd batteries results in reduction in size, weight and maintenance requirements over other types of batteries. Vented cell Ni–Cd batteries have long lives (up to 20 years or more, depending on type) and operate at extreme temperatures (from −40 to 70 °C). A steel battery box contains the cells connected in series to gain the desired voltage (1.2 V per cell nominal). Cells are usually made of a light and durable polyamide (nylon), with multiple nickel–cadmium plates welded together for each electrode inside. A separator or liner made of silicone rubber acts as an insulator and a gas barrier between the electrodes. Cells are flooded with an electrolyte of 30% aqueous solution of potassium hydroxide (KOH). The specific gravity of the electrolyte does not indicate if the battery is discharged or fully charged but changes mainly with evaporation of water. The top of the cell contains a space for excess electrolyte and a pressure release vent. Large nickel plated copper studs and thick interconnecting links assure minimum equivalent series resistance for the battery. The venting of gases means that the battery is either being discharged at a high rate or recharged at a higher than nominal rate. This also means the electrolyte lost during venting must be periodically replaced through routine maintenance. Depending on the charge–discharge cycles and type of battery this can mean a maintenance period of anything from a few months to a year. Vented cell voltage rises rapidly at the end of charge allowing for very simple charger circuitry to be used. Typically a battery is constant current charged at 1 CA rate until all the cells have reached at least 1.55V. Another charge cycle follows at 0.1 CA rate, again until all cells have reached 1.55V. The charge is finished with an equalizing or top up charge, typically for not less than 4 hours at 0.1 CA rate. The purpose of the over charge is to expel as much (if not all) of the gases collected on the electrodes, hydrogen on the negative and oxygen on the positive, and some of these gases recombine to form water which in turn will raise the electrolyte level to its highest level after which it is safe to adjust the electrolyte levels. During the over charge or top up charge, the cell voltages will go beyond 1.6 V and then slowly start to drop. No cell should rise above 1.71V (dry cell) or drop below 1.55V (gas barrier broken). In an aircraft installation with a floating battery electrical system the regulator voltage is set to charge the battery at constant potential charge (typically 14 or 28V). If this voltage is set too high it will result in rapid electrolyte loss. A failed charge regulator may allow the charge voltage to rise well above this value, causing a massive overcharge with boiling over of the electrolyte.

Қолданбалар

Жапсырылған Ni–Cd элементтері жеке-жеке қолданылуы немесе екі немесе одан көп элементтерден құралған аккумулятор жиынтықтарына біріктірілуі мүмкін. Кішкентай элементтер портативті электроника және ойыншықтар үшін (мысалы, күн энергиясымен жұмыс істейтін бақша шамдары) қолданылады, көбінесе бастапқы элементтердің өлшемдерінде жасалған элементтер пайдаланылады. Ni–Cd аккумуляторларын бастапқы элементтердің орнына қолданғанда, төмен терминалдық кернеу және кішкентай ампер-сағат сыйымдылығы бастапқы элементтермен салыстырғанда тиімділікті төмендетуі мүмкін. Шағын түймелі элементтер кейде фотоаппараттарда, қолға ұсталатын шамдарда (қайта зарядталатын фонарь немесе шам), компьютер жадының күту режимінде, ойыншықтарда және түрлі жаңалықтарда қолданылады. Арнайы Ni–Cd аккумуляторлары сымсыз телефондарда, авариялық жарықтандыруда және басқа да қолдануларда қолданылады. Салыстырмалы түрде төмен ішкі кедергісіне байланысты, олар үлкен импульстік тоқтарды беруге қабілетті. Бұл оларды қашықтан басқарылатын электрлі модельді ұшақтар, қайықтар мен көліктерге, сондай-ақ сымсыз электр құралдары мен камераның сыртқы жарықтандыру құрылғыларына қолайлы таңдау жасайды. Ірі, сұйықтықпен толтырылған элементтер ұшақтарды іске қосуға, электрлік көліктерде және резервтік қуат көзі ретінде қолданылады.

Танымалдық

20-ғасырдың екінші жартысындағы батарея өндіру технологияларының жетістіктері батареяларды өндіруді үлкен дәрежеде арзандатты. Батареямен жұмыс істейтін құрылғылардың қанағаттанушылығы жалпы түрде артты. 2000 жылы жылына шамамен 1,5 миллиард Ni–Cd батареясы өндірілді. 1990 жылдардың ортасына дейін Ni–Cd аккумуляторлары үй электроникасындағы қайта зарядталатын аккумуляторлар нарығының басым бөлігін құрады. Бір кезде Ni–Cd батареялары ЕО-да барлық портативті қосалқы (қайта зарядталатын) батареялар сатылымының 8%-ын, Ұлыбританияда 9,2%-ын (кәдеге жіберу), ал Швейцарияда барлық портативті батареялар сатылымының 1,3%-ын құрады. ЕО-да 2006 жылғы Батарея директивасы портативті құрылғыларға арналған Ni–Cd батареяларын тұтынушыларға сатуды шектеді.

Қолжетімділік

NiCd элементтері сілтілік батареялармен бірдей өлшемдерде, AAA-дан D-ға дейін, сондай-ақ бірнеше көп элементті өлшемдерде қол жетімді, оның ішінде 9 вольт батареяға баламасы да бар. Толық зарядталған бір NiCd элементі, жүктеме болмағанда, 1,25 пен 1,35 вольт арасындағы потенциалдар айырмасын сақтайды, бұл айырма батарея разрядталатын кезде салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады. Сілтілік батарея толық разрядталған кезде кернеуі 0,9 вольтқа дейін төмендеуі мүмкін болғандықтан, NiCd элементтері мен сілтілік элементтер көптеген қолданулар үшін әдетте алмастырыла келеді. Жеке элементтерден өзге, 300 элементке дейін (номиналды 360 вольт, жүктеме болмағандағы нақты кернеу 380 мен 420 вольт арасында) элементтері бар аккумуляторлар да бар. Бұл көп элементті конструкция көбінесе автомобиль және ауыр өнеркәсіптік қолдануларда қолданылады. Портативті қолданулар үшін элементтердің саны әдетте 18 элементтен (24 В) аспайды. Өнеркәсіптік өлшемдегі аккумуляторлар 12,5 Аж-дан бірнеше жүз Аж-ға дейін сыйымдылықта қол жетімді.

Естелік эффектісі

Никель-кадмийлік аккумуляторлар егер олар жүздеген рет бірдей деңгейге дейін разрядталып, қайта зарядталса, "жад әсерінен" зардап шегуі мүмкін. Бұл әсердің көрінетін белгісі – аккумулятор өз разрядталу циклының қай жерінде қайта зарядтау басталғанын "есінде сақтап", кейін пайдаланғанда сол жерде күрт кернеудің төмендеуіне ұшырайды, тіпті аккумулятор разрядталғандай көрінеді. Аккумулятордың сыйымдылығы едәуір төмендемейді. Никель-кадмийлік аккумуляторлармен жұмыс істеуге арналған кейбір электрондық құрылғылар кернеудің қалыпқа келуіне дейін осы төмендеген кернеуге төтеп бере алады. Дегенмен, егер құрылғы кернеудің төмендеу кезеңінде жұмыс істей алмаса, аккумулятордан жеткілікті энергия алмайды және іс жүзінде аккумулятор қалыптыдан ертерек "өлі" болып көрінеді. Осы "жад әсері" туралы әңгіме орбитадағы спутниктерден бастау алғанына дәлелдер бар, онда олар бірнеше жыл бойы Жер айналымының әрбір циклында ұқсас разрядталып, зарядталған. Осы уақыттан кейін аккумуляторлардың сыйымдылығы айтарлықтай төмендегені анықталды, бірақ олар әлі де қолдануға жарамды болды. Мұндай дәл қайталанатын зарядтауды (мысалы, 1000 зарядтау/разрядтау циклында 2%-дан аз ауытқумен) жеке адамдар тұрмыстық электр құралдарын пайдалана отырып қайталай алмайды. "Жад әсерін" сипаттаған алғашқы мақаланы GE ғалымдары Флорида штатының Гейнсвилл қаласындағы Аккумуляторлар Бизнесі бөлімінде жазған, бірақ кейіннен олар оны қайтарып алды, алайда салдары болды. Аккумулятор мыңдаған зарядтау-разрядтау циклдерін шыдай алады. Сонымен қатар, аккумуляторды айына бір рет толық разрядтау арқылы "жад әсерін" азайтуға болады. Осылайша аккумулятор зарядтау циклының белгілі бір нүктесін "есінде сақтамайды". "Жад әсеріне" ұқсас белгілері бар әсер – кернеудің төмендеуі немесе "жанама" аккумулятор әсері. Бұл әсер қайта-қайта зарядтаудан туындайды; белгісі – аккумулятор толық зарядталғандай көрінеді, бірақ қысқа ғана уақыт жұмыс істегеннен кейін тез разрядталады. Сирек жағдайларда, жоғалған сыйымдылықтың көп бөлігін бірнеше терең разрядтау циклдары арқылы қалпына келтіруге болады, бұл мүмкіндік көбінесе автоматты аккумулятор зарядтағыштарында қарастырылған. Алайда, бұл процесс аккумулятордың қызмет ету мерзімін қысқартуы мүмкін. Егер никель-кадмийлік аккумуляторды дұрыс күтсе, оның сыйымдылығы бастапқы сыйымдылығының жартысынан төмендемейінше, 1000 цикл немесе одан да көп уақытқа созылуы мүмкін. Көптеген үй зарядтағыштары өздерін "ақылды зарядтағыштар" деп жариялайды, олар аккумуляторды зақымдамай өшіріледі, бірақ бұл жиі кездесетін мәселе болып көрінеді.

Ni–Cd batteries may suffer from a "memory effect" if they are discharged and recharged to the same state of charge hundreds of times. The apparent symptom is that the battery "remembers" the point in its discharge cycle where recharging began and during subsequent use suffers a sudden drop in voltage at that point, as if the battery had been discharged. The capacity of the battery is not actually reduced substantially. Some electronics designed to be powered by Ni–Cd batteries are able to withstand this reduced voltage long enough for the voltage to return to normal. However, if the device is unable to operate through this period of decreased voltage, it will be unable to get enough energy out of the battery, and for all practical purposes, the battery appears "dead" earlier than normal. There is evidence that the memory effect story originated from orbiting satellites, where they were similarly charging and discharging with every orbit around the Earth over a period of several years. After this time, it was found that the capacities of the batteries had declined significantly, but were still fit for use. It is unlikely that this precise repetitive charging (for example, 1,000 charges/discharges with less than 2% variability) could ever be reproduced by individuals using electrical goods. The original paper describing the memory effect was written by GE scientists at their Battery Business Department in Gainesville, Florida, and later retracted by them, but the damage was done. The battery survives thousands of charges/discharges cycles. Also it is possible to lower the memory effect by discharging the battery completely about once a month. This way apparently the battery does not "remember" the point in its charge cycle. An effect with similar symptoms to the memory effect is the so called voltage depression or lazy battery effect. This results from repeated overcharging; the symptom is that the battery appears to be fully charged but discharges quickly after only a brief period of operation. In rare cases, much of the lost capacity can be recovered by a few deep discharge cycles, a function often provided by automatic battery chargers. However, this process may reduce the shelf life of the battery. If treated well, a Ni–Cd battery can last for 1,000 cycles or more before its capacity drops below half its original capacity. Many home chargers claim to be "smart chargers" which will shut down and not damage the battery, but this seems to be a common problem.

Қоршаған ортаға әсері

Никель-кадмий аккумуляторларында 6%-дан (өнеркәсіптік аккумуляторлар үшін) 18%-ға дейін (саудалық аккумуляторлар үшін) кадмий болады, ол улы ауыр металл екендігіне байланысты, аккумуляторларды жою кезінде ерекше сақтық қажет. АҚШ-та аккумуляторларды қайта өңдеуге кеткен болжамды құн (қызмет мерзімі бітіп, дұрыс жою үшін қолданылады) аккумулятор сатып алу бағасына енгізіледі. «Аккумуляторлар директивасы» (2006/66/EC) бойынша, Еуропалық Одақта тұтынушыларға арналған никель-кадмий аккумуляторларын сатуға тыйым салынды, медициналық қолданудан басқа; дабыл жүйелері; авариялық жарықтандыру; және портативті электр құралдары үшін рұхсат етілген. Соңғы санатқа 2016 жылдан бастап толық тыйым салынды. Осы ЕО директивасына сәйкес, қолданылған өнеркәсіптік никель-кадмий аккумуляторларын өндірушілер арнайы мекемелерде қайта өңдеу үшін жинауы тиіс.