NiMH jest jedynym typem akumulatora, który nie zawiera metali ciężkich, zanieczyszczających otoczenie i dlatego jest znacznie korzystniejszy dla środowiska niż inne typy. Stosunek ciężaru do pojemności jest jego następną zaletą. Jest to również ogniwo o największej gęstości energii. Czas życia jest dobry przy pracy pełnymi cyklami ładowania i rozładowania, ale nie wypada korzystnie przy ładowaniu podtrzymującym. Nie dotyczy to jednak ogniw pastylkowych, które mają własności takie same jak ich odpowiedniki NiCd. Ładowanie wymaga bardziej precyzyjnej kontroli niż dla innych typów akumulatorów o których była wcześniej mowa. Podobnie jak w akumulatorach NiCd parametry ogniwa NiMH zależą od temperatury, dlatego powinna być bezwzględnie przestrzegana znamionowa temperatura pracy.
Żywotność akumulatorów NiMH
Ponieważ NiMH jest stosunkowo nowym typem akumulatorów, brak jest długoletnich obserwacji pozwalających na określenie czasu życia. Według informacji dostarczanych przez producentów sprzedających swoje akumulatory w Szwecji, czas życia nie powinien być krótszy niż dla akumulatorów NiCd, tzn. ok. 1000 cykli. Należy zwrócić uwagę, że liczba ta dotyczy idealnych warunków np. ładowania z 0,1 C w czasie 14 godzin i temperatury pokojowej przy każdym ładowaniu. Nie wzięto pod uwagę ewentualnego przeładowania, które może nastąpić i skrócić czas życia. Realna liczba cykli w normalnych warunkach eksploatacji wynosi prawdopodobnie ok. 500-800.
Rozładowanie akumulatora NiMH
Jak wspomniałem wcześniej, aktywne materiały w ogniwie NiMH mają mniej miejsca na rozszerzanie się wewnątrz ogniwa. Powoduje to zmniejszenie aktywności reakcji. Jest więc naturalne, że również maksymalny prąd rozładowania jest niższy niż w ogniwach NiCd. Zwykle nie zaleca się prądów rozładowania większych od 3 do 5 C. Nie ma natomiast żadnej różnicy między końcowym napięciem dla obu typów, które wynosi ok 1,0 V. Baterie NiMH mają wyższe prądy samorozładowania, ok 1,5% dziennie, w stosunku do 1,0% dla NiCd. Wynika z tego, że czas przechowywania w pełni naładowanego akumulatora NiMH jest krótszy niż odpowiednika typu NiCd.
Szybkie i podtrzymujące ładowanie akumulatorów NiHM
O ile akumulator NiCd można było ładować szybko w czasie 15 minut, to minimalny czas ładowania dla NiMH wynosi ok. 1 godziny. Wzrost temperatury, gdy ogniwo jest bliskie naładowania następuje dużo szybciej w NiMH. Występujące przy tym obniżenie napięcia jest jednak znacznie mniejsze, dlatego dokładność układów kontrolnych wyczuwających jego spadek musi być wyższa.Przy szybkim ładowaniu akumulatorów NiMH, zaleca się używanie conajmniej dwóch systemów zabezpieczeń (-DV, temperatura powierzchni >45 stopni Celsjusza, timer). Należy tu podkreślić, że czas życia akumulatorów NiMH wyraźnie się skraca przy przegrzaniu ogniwa niż NiCd. Zaletą ogniw NiMH jest, że nie podlegają “efektowi pamięciowemu”. Jest to zjawisko, które czasami występuje w ogniwach NiCd pracujących w układach, w których wykorzystuje się niewielką część pojemności. Gdy cykl niepełnego rozładowania i ładowania powtarza się następuje zmniejszenie maksymalnej pojemności. Zjawisku temu można zapobiec przeprowadzając kilka (3-4) cykli pełnego rozładowania i ładowania.
Ładowanie podtrzymujące
Ten typ ładowania można zalecać jedynie dla akumulatorów NiMH wykonanych w formie pastylkowej. W akumulatorach cylindrycznych oznacza to ładowanie ciągłe, co zawsze odbywa się kosztem żywotności. Dla ogniw pastylkowych natomiast nie ma większych różnic w stosunku do NiCd.
Ładowanie akumulatorów NiHM
Akumulatory NiMH posiadają wyższą pojemność w proporcji do objętości niż NiCd. Oznacza to istnienie większej ilości aktywnej substancji w tej samej objętości. Substancje te mają więc mniejszą objętość do rozszerzania się obudowie i spada szybkość reakcji Fizyko-chemicznych. Następstwem tego NiMH muszą być ładowane wolniej niż NiCd, a proces ładowania wymaga dokładniejszej kontroli w celu uniknięcia przeładowania. Oba typy akumulatorów mają napięcie ogniwa 1,2 V. Ładowanie normalne odbywa się w taki sam sposób, to znaczy prądem ładowania o wartości ok. 0,1 C w czasie 14-16 godzin. Oznacza to, że również współczynnik ładowania, jest taki sam dla obu typów tj. 1,4. Podobnie również wzrasta napięcie ogniwa, by w końcowej fazie ładowania osiągnąć 1,45-1,5 V. Przy ładowaniu prądem o wartości <0,2 C nie trzeba żadnej kontroli ładowania, poza pomiarem czasu.
Akumulatory NiHM (niklowo-metaliczno-wodorkowe)
Akumulatory NiHM znane są od połowy lat 70 -tych. Dopiero jednak dziś opinia publiczna żąda bardziej przyjaznych dla środowiska zamienników akumulatorów NiCd i w związku z tym producenci zaczęli prowadzić prace rozwojowe, szczególnie na potrzeby rynkowe. Tocząca się ostatnio dyskusja na temat ochrony środowiska, często dotyczyła szkodliwości działania akumulatorów NiCd i możliwości zastąpienia ich przez akumulatory NiMH. Faktycznie ten typ akumulatorów ma pewne zalety w stosunku do akumulatorów NiCd, ale również liczne wady. W wielu dzisiejszych urządzeniach elektronicznych będzie można zastąpić szkodliwe akumulatory NiCd, ale w wielu innych zastosowaniach, gdzie wykorzystuje się charakterystyczne ich własności, trzeba będzie jeszcze z tym poczekać.
W poniższym opisie chcemy przede wszystkim porównać akumulatory NiMH z NiCd, aby wykazać podobieństwa i różnice między nimi i wyraźnie podkreślić specyfikę akumulatorów NiMH, po to by móc korzystać z nich w możliwie długim czasie.
Zasada działania ogniwa opiera się na magazynowaniu gazowego wodoru w stopie metalu (wcześniej nazywano to ogniwo niklowo-wodorowym). Płytka niklowa stanowi elektrodę dodatnią , a elektrodą ujemną jest specjalny stop metali ziem rzadkich, niklu, manganu, magnezu, aluminium i kobaltu. Żaden z producentów nie chce dzisiaj ujawnić jego składu procentowego, gdyż decyduje on o własnościach akumulatora. Separator wykonuje się poliamidu lub polietylenu. Elektrolit jest zasadowy. Przy ładowaniu i rozładowywaniu wodór przemieszcza się między elektrodami. Zdolność pochłaniania wodoru przez stop decyduje o pojemności akumulatora. Największym problemem, który wymaga aktualnego rozwiązania jest to, że wzrost pojemności powoduje zmniejszenie szybkości reakcji fizyko-chemicznej procesów ładowania, co z kolei ogranicza prąd rozładowania i czas ładowania. Akumulatory NiMH, podobnie jak NiCd, wyposażone są w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega powstawaniu nadmiernego ciśnienia w ogniwie.
Podsumowanie informacji o akumulatorach niklowo – kadmowych
Waga jest ich dużą zaletą, szczególnie jeżeli przeliczy się ją w stosunku do pojemności. Czas życia, a przede wszystkim podatność na pracę cykliczną są dla tych akumulatorów bardzo dobre. Ładowanie wymaga ścisłego przestrzegania parametrów procesu, o ile chce się ładować szybko z dużym prądem bez zmniejszenia czasu życia akumulatora. Warunek ten nie jest specjalnie kłopotliwy. Parametry ogniwa NiCd są zależne od temperatury, ponieważ rezystancja wewnętrzna wzrasta ze spadkiem temperatury. Praca przy wysokiej temperaturze otoczenia jest możliwa, jeżeli używa się akumulatorów wykonanych specjalnie do tego celu. Stosuje się je np. w urządzeniach oświetlenia awaryjnego.
Akumulatory NiCd zawierają silnie szkodliwy kadm, którego stężenie należy w przyrodzie ograniczać. Obecnie nie istnieje alternatywa dla tego typu akumulatora. W Szwecji jest więc ściśle przestrzegane aby wszystkie wyeksploatowane akumulatory NiCd były zwracane ich dostawcom lub sprzedawcom.
Żywotność akumulatorów niklowo–kadmowych
Najczęściej podawanym parametrem ogniw NiCd jest ilość cykli ładowania i rozładowania, który osiąga wartość 1000. Wartość ta zależy jednak w dużym stopniu od sposobu ich eksploatacji. Gdy następuje przeładowanie ogniwa, o czym wspomniano wcześniej, rośnie jego temperatura wewnętrzna przyśpieszająca degradację materiałów składowych. Podobnie dzieje się przy silnym wyładowaniu. Gdy akumulator składający się z wielu ogniw jest rozładowany, istniejące różnice pojemności mogą spowodować, że niektóre ogniwa osiągną napięcie końcowe wcześniej przed innymi. To spowoduje, że część ogniw będzie nie w pełni naładowana, a część przeładowana, co w konsekwencji skróci czas życia całego akumulatora. Przy silnym rozładowaniu, kiedy napięcie ogniwa spada aż do 0,2 V, zdarza się, że może nastąpić odwrócenie polaryzacji. Ogniwa NiCd mają optymalne warunki gdy są rozładowane do 1,0 V przed wtórnym ładowaniem. W ten sposób unika się różnic pojemności poszczególnych ogniw i osiąga najlepsze funkcjonowanie akumulatora.
Akumulatory niklowo–kadmowe – Rozładowanie
Ogniwo NiCd znosi dobrze duże pobory prądu. Można je obciążać przez bardzo krótkie okresy prądem aż do 100 C. Przy rozładowaniu ciągłym maksymalny pobór prądu nie powinien przekraczać 8-10 C w czasie 4-5 minut. Ogniwo NiCd charakteryzuje się również stałym napięciem (1,2 V) w czasie całego okresu rozładowywania. Za napięcie końcowe (gdy ogniwo jest wyładowane) przyjmuje się wartość 1,0 V. Wadą akumulatorów niklowo – kadmowych jest duży prąd samorozładowania, ok 1% na dobę. Efektem tego jest niska sprawność przy ładowaniu podtrzymującym.
Akumulatory niklowo–kadmowe – Ładowanie podtrzymujące (buforowe)
Jest to metoda najczęściej stosowana dla ogniw wysoko-temperaturowych i ogniw pastylkowych. Oznacza to, że akumulator jest stale ładowany, tak aby mógł być w każdej chwili wykorzystany przy zaniku napięcia, np. jako zasilanie rezerwowe komputera. Ogniwa cylindryczne NiCd powinny być wówczas ładowane prądem 0,03-0,05 C, zaś ogniwa pastylkowe 0,01 C. Prąd ładowania podtrzymującego ogniwa cylindryczne o pojemności 800 mAh powinien wynosić 24-40 mA.
