باتری نیکل کادمیوم

آشنایی با باتری نیکل کادمیوم

باتری‌های نیکل-کادمیوم (NiCd) نوعی باتری قابل شارژ هستند که از نیکل هیدروکسید (NiO(OH)) به عنوان کاتد و کادمیوم (Cd) به عنوان آند استفاده می‌کنند. این باتری‌ها به دلیل توانایی در تحمل جریان‌های بالا و عمر چرخه طولانی، در گذشته کاربردهای فراوانی داشتند، اما به دلیل مشکلات زیست محیطی مرتبط با کادمیوم (که سمی است) استفاده از آنها به طور قابل توجهی کاهش یافته است.

در اینجا برخی از ویژگی‌های کلیدی باتری‌های نیکل-کادمیوم ذکر شده است:

• مزایا:

  • مقاومت بالا در برابر جریان‌های بالا: این باتری‌ها می‌توانند جریان‌های زیاد را تحمل کنند، که آن‌ها را برای کاربردهایی که نیاز به قدرت فوری و بالا دارند، مانند ابزارهای برقی، مناسب می‌سازد.
  • عمر طولانی چرخه: باتری‌های NiCd می‌توانند صدها یا حتی هزاران بار شارژ و دشارژ شوند.
  • مقاومت به دما: این باتری‌ها در محدوده دمایی وسیعی عملکرد قابل قبولی دارند.
  • خود تخلیه پایین: در مقایسه با برخی از انواع دیگر باتری‌های قابل شارژ، این باتری‌ها به آرامی تخلیه می‌شوند.

• معایب:

  • سمیت کادمیوم: کادمیوم یک فلز سمی است که می‌تواند برای محیط زیست و سلامتی مضر باشد. به همین دلیل، بازیافت صحیح این باتری‌ها بسیار مهم است.
  • اثر حافظه: این اثر به این معنی است که اگر باتری NiCd قبل از تخلیه کامل شارژ شود، ظرفیت آن ممکن است در دراز مدت کاهش یابد. این اثر در باتری‌های NiCd مدرن تا حد زیادی کاهش یافته است.
  • وولتاژ پایین‌تر نسبت به باتری‌های لیتیومی: در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی، ولتاژ خروجی باتری‌های NiCd پایین‌تر است.
  • هزینه نسبتا بالا: این باتری‌ها به طور نسبی گران‌تر از برخی از انواع دیگر باتری‌ها هستند.

به طور کلی، با وجود مزایای قبلی، به دلیل مشکلات زیست محیطی مرتبط با کادمیوم، باتری‌های نیکل کادمیوم جای خود را به باتری‌های قابل شارژ جدیدتری مانند باتری‌های نیکل-هیدرید فلزی (NiMH) و لیتیوم-یونی (Li-ion) داده‌اند که به طور وسیع‌تر استفاده می‌شوند. اگرچه هنوز هم در برخی از کاربردهای خاص از این باتری‌ها استفاده می‌شود.

ساختار باتری نیکل کادمیم

باتری نیکل کادمیوم یک نوع باتری قابل شارژ است که در آن از اکسید نیکل و کادمیوم استفاده شده و محلول هیدروکسید پتاسیم ۲۵ تا ۳۰ درصد حجم کل محلول الکترولیت را به خود اختصاص داده است. در باتری‌ها هر چه میزان دفعات دشارژ افزایش پیدا کند باعث کاهش طول عمر باتری می‌شود اما در باتری نیکل کادمیوم چرخه دشارژ نسبت به سایر باتری‌ها بسیار بیشتر است.

از نظر ساختاری، باتری نیکل کادمیوم مانند باتری‌های مبتنی بر اسید سرب کار می‌کند. این نوع باتری از سه لایه اساسی تشکیل شده است: اولین لایه از این باتری شامل یک لایه نیکل، سپس لایه جداکننده و در نهایت لایه کادمیوم است.

نیکل به عنوان یک جمع کننده الکترود مثبت و لایه کادمیوم به عنوان یک کلکتور لایه منفی عمل می‌کند. لایه جداکننده بین دو لایه از KOH یا NaOH تشکیل شده است. هدف آن، تهیه یون OH است.

بطور کلی باتری‌های نیکل-کادمیوم (NiCd) از ساختار ساده‌ای تشکیل شده‌اند و شامل اجزای زیر می‌شوند:

1. آند (منفی): از کادمیوم (Cd) ساخته شده است. در زمان عملکرد باتری، این قطب، الکترون‌ها را فراهم می‌کند.
2. کاتد (مثبت): از نیکل هیدروکسید (NiO(OH)) تشکیل شده است. این ماده در واکنش شیمیایی باتری شرکت می‌کند و انرژی را ذخیره یا آزاد می‌کند.
3. الکترولیت: معمولاً محلول قلیایی مانند هیدروکسید پتاسیم (KOH) است که بین آند و کاتد قرار دارد و به انتقال یون‌ها کمک می‌کند.
4. ساختار و جنس: باتری‌های NiCd معمولاً به شکل استوانه‌ای یا مستطیلی ساخته می‌شوند و یک عایق برای جلوگیری از اتصال کوتاه دارند.

هنگام شارژ، انرژی الکتریکی وارد باطری می‌شود و واکنش‌های شیمیایی در آند و کاتد رخ می‌دهد که باعث ذخیره انرژی می‌شود. در هنگام دشارژ، این فرآیند معکوس می‌شود و انرژی ذخیره‌شده به شکل الکتریسیته آزاد می‌گردد.

این باتری‌ها به دلیل مقاومت در برابر جریان‌های بالا و عمر چرخه طولانی، در گذشته کاربردهای فراوانی داشتند، اما به دلیل خطرات زیست‌محیطی ناشی از کادمیوم، استفاده از آنها کاهش یافته است.

مشخصات فنی باتری نیکل کادمیوم

باتری‌های نیکل کادمیوم دارای 3 نوع بلوک هستند که در ادامه به بررسی هر یک از آن‌ها خواهیم پرداخت.

بلوک‌های SBLE نوع (L)

که دارای مشخصه‌های زیر هستند:

• محدوده ظرفیت در نرخ C5 A: از 7.5Ah تا 1690Ah در 58 مرحله ظرفیت
• محدوده تخلیه معمولی: از یک ساعت تا 100 ساعت
• کار در دمای 20- تا 50+ درجه سانتی گراد
• طول عمر: طولانی بدون مشکل در حدود 20 سال یا بیشتر

همچنین این نوع بلوک برای کاربردهایی طراحی شده است که در آن باتری باید موارد زیر را تأمین کند:

• منبع قابل اعتماد انرژی در دوره های تخلیه نسبتا طولانی
• جریان نسبتاً کم در مقایسه با کل انرژی ذخیره شده
• تخلیه‌های معمولاً نادر

بلوک‌های SBM نوع (M)

ویژگی‌های بلوک نوع M به صورت زیر خواهد بود:

• محدوده ظرفیت در نرخ C5 A: از 11 Ah تا 1445 Ah در 68 مرحله ظرفیت
• محدوده تخلیه معمولی: از 15 دقیقه تا دو ساعت
• دمای 20- تا 50+ درجه سانتی گراد
• عمر طولانی بدون مشکل 20 سال یا بیشتر

این نوع باتری برای کاربردهایی طراحی شده است که باتری‌ها معمولاً به موارد زیر نیاز دارند:

• بارهای الکتریکی بین 30 دقیقه تا سه ساعت
• بارهای مخلوط شامل مخلوطی از نرخ تخلیه بالا و پایین
• تخلیه مکرر یا نادر

بلوک‌های SBH نوع (H)

از جمله ویژگی‌های بلوک نوع H می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ظرفیت با نرخ C5 A: از 8.3Ah تا 920Ah در 51 مرحله ظرفیت
• محدوده تخلیه معمولی: از یک ثانیه تا 30 دقیقه
• دمای 20- تا 50+ درجه سانتی گراد
• عمر طولانی بدون مشکل 20 سال یا بیشتر

این نوع باتری به گونه ای طراحی شده است که برای برنامه هایی که نیاز به موارد زیر دارند، مناسب باشد:

• جریان نسبتاً زیاد در دوره‌های کوتاه مدت، معمولاً کمتر از 30 دقیقه
• برنامه‌هایی با تخلیه‌های مکرر یا نادر

انواع باتری‌های نیکل کادمیوم

طبقه بندی باتری‌های نیکل کادمیوم فقط بر اساس اندازه و ولتاژ موجود انجام می‌شود.

بر اساس اندازه، این نوع باتری به اندازه‌های زیر تقسیم خواهند شد:

• AAA
• AA
• A
• Cs
• C
• D
• F

تمامی این سایزها دارای مشخصات ولتاژ خروجی متفاوتی هستند.

برخی از آن‌ها به شکل لوله استوانه ای و برخی از آن‌ها در جعبه بیرونی مستطیل شکل قرار دارند.

کاربرد باتری نیکل کادمیوم

به طور کلی، باطری‌های نیکل کادمیم (NiCd) به دلیل ویژگی‌هایی مانند طول عمر بالا، قابلیت شارژ و دشارژ مکرر و توانایی ارائه جریان بالا، در گذشته کاربردهای گسترده‌ای داشتند. برخی از این کاربردها عبارتند از:

• ابزارهای برقی: مانند دریل‌ها، پیچ‌گوشتی‌ها و سایر ابزارهای دستی که نیاز به منبع تغذیه قابل حمل دارند.
• تجهیزات اضطراری: مانند چراغ‌های اضطراری و سیستم‌های پشتیبان برق.
• دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل: مانند رادیوها، دوربین‌ها و سایر دستگاه‌های مشابه.
• اسباب‌بازی‌ها و مدل‌ها: به دلیل قابلیت تامین جریان بالا و عمر طولانی.
• هواپیماها: در سیستم‌های باتری هواپیما برای استارت موتور و تامین برق اضطراری.

باتری نیکل کادمیوم یو پی اس

یو پی اس یک دستگاه ذخیره انرژی الکتریکی و تأمین آن در مواقع نیاز به حساب می‌آید که در ساختار خود شامل یک باتری است. در حالت عادی که ولتاژ برق سراسری به صورت مناسب وجود دارد باتری موجود در UPS با استفاده از جریان برق شارژ می‌شود. در صورت بروز قطعی در برق یا افت ولتاژ، UPS به صورت خودکار منبع تغذیه دستگاه‌ها و تجهیزات متصل را از برق شهری به باتری تغییر می‌دهد. این کار در UPS به صورت آنی انجام می‌شود و این فرایند تنها در زمان یک یا دو هزارم ثانیه اتفاق می‌افتد. این سرعت بالا در شیفت جریان انرژی باعث می‌شود که دستگاه‌های الکتریکی مختلف متوجه قطع جریان الکتریکی نشوند و بدون وارد شدن آسیب به فعالیت خود ادامه‌ دهند. باتری نیکل کادمیوم یکی از کاربردی‌ترین انواع باتری یو پی اس به حساب می‌آید که در این دستگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

از مهم‌ترین ویژگی‌های باتری‌های نیکل کادمیوم یو پی اس می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• از طول عمر و زمان کارکرد بسیار بالا، بیش از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ برخوردار هستند.
• در برابر تنش‌های مکانیکی و الکتریکی مقاومت و دوام بسیار بالایی دارند
• میزان دشارژ خودبخودی در این باتری‌ها کم است
• میزان مقاومت داخلی در این باتری‌ها اندک است

از مهم‌ترین مزایای باتری نیکل کادمیوم UPS نسبت به سایر انواع باتری می‌توان موارد زیر را نام برد:

• استقامت بیشتر
• نگهداری آسان‌تر
• عمر موثر بیشتر
• اشغال فضای کمتر
• وزن کمتر

اگر قصد خرید باتری یو پی اس دارید، از مهم‌ترین معایب باتری نیکل کادمیوم UPS نسبت به سایر انواع باتری می‌توان موارد زیر را نام برد:

• ولتاژ کمتر هر یک از سلول‌ها
• افت ولتاژ در حالت دشارژ
• مصرف شارژ بیشتر
• راندمان ۶۵ تا ۷۰ درصد
• مصرف بالاتر آب مقطر
• نیاز به تعویض الکترود در بازه‌های زمانی چند ساله
• قیمت بیشتر
• حساسیت بیشتر نسبت به دماهای زیاد

جمع بندی

باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium Battery) که به صورت مخفف نیکاد نیز گفته می‌شود در دسته باتری‌های قابل شارژ قرار می‌گیرند که در ساختار آن از نیکل 3 اکسید و کادمیوم به صورت فلز استفاده شده است که نقش الکترود در باتری را بر عهده دارد. این نوع باتری‌ها در مقایسه با سایر باتری‌های قابل شارژ دارای چرخه کار بهتری هستند که تحویل ظرفیت نامی حتی در نرخ دشارژ بالا مهم‌ترین مزیت این نوع باتری به حساب می‌آید.

اما با توجه به مسائل زیست‌محیطی مربوط به کادمیوم، استفاده از این باتری‌ها در بسیاری از کاربردها با باطری‌های جایگزین مانند نیکل-متال هیدرید (NiMH) و لیتیوم-یون (Li-ion) جایگزین شده است.