معرفی جامع و کامل باتری نیکل کادمیوم

باتری چیست؟

بر اساس تعریف ارائه شده استاندارد ملی ایران، باتری منبع تولید انرژی الکتریکی از طریق تبدیل انرژی شیمیایی می‌باشد. به دو یا چند سلول که در یک مدار ارتباط الکتریکی دارند، باتری گفته می‌شود.

تعریف باتری نیکل کادمیوم

باتری‌ نیکل–کادمیم (به انگلیسی: Nickel–cadmium battery) (مخفف انگلیسی: NiCd یا NiCad) به گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ گفته می‌شود که در آن از نیکل (III) اکسید و کادمیم به صورت فلز به عنوان الکترود استفاده شده است. مصرف عمده این نوع از باتری‌ها در لوازم الکترونیکی چون گوشی‌های تلفن یا صنایع گسترده است.

باتری چه زمانی اختراع شد؟

یکی از مهم ترین کشفیات در 400 سال گذشته توسط انسان ، الکتریسته بوده است و شگفت آور آن که الکتریسیته از اواخر قرن نوزدهم برای بشر سودمند شد.‌

باتری پارتی (اشکانی)

کشفیات اخیر باستان شناسی استفاده از الکتریسیته را در دوران باستان نمایان میسازد . این کشفیات نشان می‌دهند که ایرانیان در حدود 250 سال قبل از میلاد مسیح (حدود 2000 سال قبل از ولتا ) باتری را اختراع کرده بودند و احتمالا از آن برای آبکاری نمودن فلزات با نقره استفاده می‌کردند.

این باتری باستانی ،در واقع کوزه های سفالی بودند که درون آن‌ها میله آهنی که با استوانه‌ای مسی محصور شده است ، قرار گرفته و درب آن توسط قیر آب بندی شده است و زمانی که با سرکه به عنوان یک الکترولیت پر شود ولتاژی معادل 1/1 ولت DC تولید خواهد نمود .

باتری‌های عصر جدید

در سال 1800 ، الکساندر ولتا ، اولین باتری الکتریکی مدرن را اختراع نمود. ولتا نشان داد زمانی که فلزات و مواد شیمیایی با یکدیگر تماس پیدا کنند ، یک جریان الکتریکی تولید می‌گردد.

مرحله بعد تولید برق از طریق الکترولیز بود ، ولتا در سال 1800 فهمید که یک نیروی جریان پیوسته ممکن است در زمان استفاده از برخی مایعات به عنوان هادی جهت تسریع فعل و انفعال شیمیایی بین فلزات اتفاق بیفتد.
ولتا همچنین کشف نمود که ولتاژ با جمع کردن سلولهای ولتا، افزایش می‌یابد و این کشف به اختراع پیل ولتا منجر شد .
این پیل شامل صفحات متناوبی از مس و روی است که توسط صفحه های مقوایی نازک که در محلول نمکی غوطه‌ور اند، از هم جدا شده‌اند.

در سال 1802 ، دکتر ویلیام کروکشانک نوعی از باتری را طراحی کرد که می‌شد آن را به صورت انبوه تولید نمود. کروکشانک صفحات مربعی از مس را که انتهای آن ها لحیم شده بود را با صفحاتی در همان اندازه از روی به شکل متناوب درون یک جعبه چوبی بلند که با سیمان بسته شده بود، قرارداد. سپس صفحات فلزی را از درون شیارهایی بیرون آورده و جعبه را با الکترولیت ، آب نمک و یا آب اسید پر نمود.

در سال 1859 ، فیزیکدان فرانسوی گاستون پلانته اولین باتری‌های قابل شارژ را اختراع کرد. باتری‌های ثانویه تولید شده براساس اسید و سرب بودند ، یک فرآیند شیمیایی که هنوز نیز استفاده می‌شود.

در سال 1899 ، جانگنر سوئدی موفق به اختراع باتری نیکل کادمیوم گردید و در سال 1947 ، نویمان موفق به ساخت باتری نیکل کادمیوم سیلد شد. هم چنین تحقیقات در زمینه ساخت باتری‌های نیکل هیدرید فلزی در دهه 1970 آغاز شد اما به دلیل مشکلات ساخت , این نوع باتری عملا از سال های 1990 به صورت تجاری تولید گردید.‌

Parthian-Battery-min (1)
باتری پارتی (اشکانی)

در سال 1802 ، دکتر ویلیام کروکشانک نوعی از باتری را طراحی کرد که می‌شد آن را به صورت انبوه تولید نمود. کروکشانک صفحات مربعی از مس را که انتهای آن ها لحیم شده بود را با صفحاتی در همان اندازه از جنس روی به طور متناوب درون یک جعبه چوبی بلند که با سیمان بسته شده بود ، قرارداد . و صفحات فلزی را از درون شیارهایی بیرون آورده و جعبه را با الکترولیت ، آب نمک و یا آب اسید پر نمود .

در سال 1859 ، فیزیکدان فرانسوی گاستون پلانته اولین باتری‌های قابل شارژ را اختراع نمود . باتری‌های ثانویه تولید شده بر اساس اسید و سرب بودند ، یک فرآیند شیمیایی که هنوز نیز استفاده می‌گردد .

در سال 1899 ، جانگنر سوئدی موفق به اختراع باتری نیکل کادمیوم شده و در سال 1947 ، نویمان موفق به ساخت باتری نیکل کادمیوم سیلد می‌گردد. هم چنین تحقیقات در زمینه ساخت باتری‌های نیکل هیدرید فلزی در دهه 1970 آغاز شد اما به دلیل مشکلات ساخت , این نوع باتری عملا از سال های 1990 به صورت تجاری تولید گردید.‌

تعاریف باتری

تعاریف ارائه شده در زیر بر اساس استاندارد ملی ایران و برای باتری نیکل کادمیوم می‌باشند:

  • باتری:

منبع تولید انرژی الکتریکی از تبدیل انرژی شیمیایی

  • باتری و سلول :
    به دو یا چند سلول که در یک مدار ارتباط الکتریکی دارند ، باتری اطلاق می‌‌گردد.
  • سلول ثانویه :
    سلول مولد ولتاژی است که پس از دشارژ ، قادر است از طریق عبور جریان در خلاف جهت دشارژ به شرایط ابتدایی خود (حالت شارژ) برگردد.
  • منفذ :
    رها شدن گاز در اثر افزايش فشار داخلی سلول يا باتری، كه در طراحي جهت پيشگيری از انفجار در نظر گرفته شده است.
  • سلول منفذ دار :
    سلولی است که در آن در شرایط کار عادی ، محصولات حاصل از الکترولیز آزادانه در هوا پراکنده می‌شوند.
  • سلول با دریچه تنظیم :
    سلولی است که در آن در شرایط کار عادی محصولات حاصل از الکترولیز درون یک محفظه آب بندی شده ، نگهداری می‌شوند. هر سلول یا واحد به یک سوپاپ آزاد سازی فشار مجهز است.
  • سلول ساکن :

سلولی است که در یک مکان ثابت نصب شده است و معمولا در طول عمر خود از مکانی به مکان دیگر حرکت داده نمی‌شود.

  • صفحه :
    واحدی است که به تنهایی یا به طور گروهی در الکترولیت غوطه ور شده ، به گونه ای که کل یا قسمتی از یکی از الکترودهای سلول را تشکیل می‌دهد.
  • جداکننده :
    ساختار عایقی است که برای جدا سازی صفحات با قطبیت های مخالف استفاده می‌شود.
  • الکترولیت :
    ماده ای مایع یا جامد حاوی یون‌های متحرک است که موجب هدایت یونی فاز می‌گردد.
  • سلول یا باتری خشک :
    به یک سلول یا باتری آماده کاربری دارای الکترولیت غیر قابل ریزش اطلاق می‌گردد.
  • عمل شارژ :
    عبور دادن جریان الکتریکی از سلول است به گونه ای که منجر به تغییر شرایط شیمیایی آن گردد و سلول را قادر به تامین الکتریسیته برای مدار خارجی نماید.
  • دشارژ :
    اتصال سلول به یک مدار خارجی است ، به گونه ای که جریان در خلاف جهت شارژ در سلول عبور نماید.
  • ولتاژ مدار باز :
    به اختلاف پتانسیل موجود بین قطب های باتری در حالت مدار باز ، ولتاژ مدار باز اطلاق می‌گردد.
  • ولتاژ مدار بسته :
    به اختلاف پتانسیل موجود بین قطب های باتری در لحظه عبور جریان از مدار اطلاق می‌گردد.
  • ولتاژ نامی:
    ولتاژ در حالت مدار باز تعیین شده یک سلول .
    ولتاژ نامي يک باتري شامل n سری سلول برابر است با حاصل ضرب ولتاژ نامی يک سلول در n .
    ولتاژ نامي‌ تک سلول‌ نيكل‌ – كادميوم‌، 2/1 ولت‌ می‌باشد.
  • ظرفيت‌ نامی:
    مقدار الکتریسیته ای است که با نرخ خاصی از دشارژ، در شرایط مشخص ولتاژ و دما از سلول تخلیه شود و بر حسب آمپر ساعت و یا وات ساعت بیان می‌شود.ظرفیت نامی برای یک سلول نیکل کادمیوم منفذ دار، مقدار الكتريسيته‌ 5C اعلام‌ شده‌ توسط‌ سازنده‌ برحسب‌ آمپر ساعت‌ (Ah) است‌ كه‌ يک تک سلول‌ می‌تواند در تخليه‌ اسمی با جریان‌ A5C 2/0 و در مدت 5 ساعت تا رسيدن‌ به‌ ولتاژ نهایی 0/1 ولت‌ در دمای 20 درجه‌ سلسيوس‌ بعد ازشارژ و نگهداری،‌ تحت‌ شرايط‌ مشخص‌ شده‌، آزاد نماید.
  • ولتاژ نهایی دشارژ :
    ولتاژ پایانی عبارت است از ولتاژی که در حین آزمون تخلیه و در حالت مدار بسته به عنوان پایین ترین حد ولتاژ و پایان تخلیه در نظر گرفته می‌شود.
  • مقاومت‌ داخلی مؤثر اسمی:
    مقاومت‌ مؤثر اسمی Re اعلام‌ شده‌ توسط‌ سازنده‌ برحسب‌ اهم‌ و در دمای 20 درجه‌ سلسيوس‌، مقدار مقاومت‌ درون‌ سلول‌ است‌.
    يادآوری – مقاومت‌ داخلی مؤثر، ارتباط‌ خطی تقريبی بين‌ جريان‌ تخليه‌ حالت‌ پايدار و ولتاژ متوسط‌ ترمينال‌ سلول‌ را تعريف‌ می‌كند
  • زمان انبارش :
    مدت زمان نگهداری و یا انبارداری در شرایط تعیین شده ، تا در پایان آن باتری هنوز قابلیت ارائه مشخصات تعیین شده را دارد.
  • بقای شارژ (بقای ظرفيت) :
    درصدی از ظرفيت اسمی كه يک سلول يا باتری بعد از انبارش در دمای مشخص و برای مدت زمان معين بدون گذراندن شارژ مجدد تحويل می‌دهد.
  • عمق دشارژ :
    عبارت است از نسبت ظرفيت مورد استفاده در مدت زمان دشارژ به ظرفيت اسمی
  • دشارژ عمیق :
    تخلیه 90% ظرفیت سلول بر حسب آمپر ساعت.
  • نشت :
    عبارت است از گريز غيرمجاز الكتروليت، گاز و يا ديگر مواد از سلول يا باتری.
  • سیکل :
    توالی شارژ و دشارژ در یک باتری ثانویه 
نمای داخلی از باتری نیکل کادمیوم

باتری‌های نیکل کادمیوم

در ادامه بیشتر به مشخصات باتری‌های نیکل کادمیوم با تکنولوژی صفحه پاکتی خواهیم پرداخت. باتری نیکل کادمیوم بهترین نوع باتری موجود در بازار امروز برای کارکرد در شرایط سخت می‌باشد.

باتری نیکل کادمیوم، دارای ویژگی های منحصر به فردی می باشد که باعث می شود در کاربردها و محیط های غیر قابل کارکرد برای سایر باتری‌ها، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین تعجب آور نیست که باتری نیکل کادمیوم به اولین انتخاب برای کاربرانی تبدیل شده است که به دنبال یک سیستم قابل اعتماد با عمر طولانی و نگهداری کم می‌باشند.

از این رو، شرکت تجهیز امید پویش با اخذ نمایندگی رسمی شرکت تایهنگ (TAIHANG) چین، تولید کننده برتر باتری نیکل کادمیوم صنعتی؛ امکانی فراهم آورده است تا این تجهیز برای کارفرمایان و کمپانی های کوچک و بزرگ صنعتی در دسترس قرار بگیرد. جهت مشاوره در خصوص باتری های شرکت تایهنگ و ثبت سفارش می‌توانید اینجا کلیک کنید

دسته بندی باتری نیکل کادمیوم بر اساس ساختمان

  • باتری نیکل کادمیوم صفحه پاکتی منفذ دار
  • باتری نیکل کادمیوم صفحه سینترد منفذ دار
  • باتری نیکل کادمیوم سیلد

دسته بندی باتری نیکل کادمیوم بر اساس سرعت تخلیه

  • سرعت تخلیه کم Low Discharge Rate
  • سرعت تخلیه متوسط Medium Discharge Rat
  • سرعت تخلیه بالا High Discharge Rate
  • سرعت تخلیه بسیار بالا Extra High Discharge Rate

در دسته بندی باتری بر اساس سرعت تخلیه ، در 3 ردیف اول، از تکنولوژی صفحه پاکتی استفاده شده و ردیف 4 دارای تکنولوژی صفحه سینترد می‌باشد.

فرآیند شیمیایی باتری های نیکل کادمیوم

در باتری های نیکل کادمیوم ، هیدروکسید نیکل به عنوان مواد فعال صفحات مثبت ، و هیدروکسید کادمیوم برای صفحه منفی استفاده می‌شود.
الکترولیت محلول آبی از هیدروکسید پتاسیم به همراه مقادیر کمی از هیدروکسید لیتیم برای بهبود طول عمر و چرخه عملکرد در درجه حرارت بالا، می‌باشد.
واکنش شارژ و تخلیه باتری نیکل کادمیوم بر اساس روش زیر می‌باشد :

در طول تخلیه هیدروکسید نیکل سه ظرفیتی به هیدروکسید نیکل دو ظرفیتی کاهش می‌یابد، و کادمیوم درصفحه منفی به هیدروکسید کادمیم تبدیل می‌شود.
در زمان شارژ، واکنش معکوس گشته و ولتاژ سلول افزایش می‌یابد.

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

2 NiOOH + 2H2O + Cd

ساختار سلول در باتری های نیکل کادمیوم صفحه پاکتی

مواد فعال مثبت و منفی به ترتيب در نوارهای استيل پرفراژ شده و به صورت پاكتی پرس می‌شوند كه الكترود های مثبت و منفی را تشكيل مي‌دهد. بين الكترود های مثبت و منفی جدا كننده‌ای از جنس مواد نارسانا قراردارد. نگهدارنده های الكترودها و ترمینال‌ها محكم در محفظه‌ای پلاستيكی نصب شده‌اند.

روی درب سلول يک سوراخ برای پر كردن الكتروليت وجود دارد، اين سوراخ مجهز به دريچه گاز (Gas plug) پلاستيكی می‌‌باشد كه می‌توان هر زمان نياز به پر كردن مجدد الكتروليت بود، آن را باز نمود. اين درپوش می‌تواند گاز توليد شده داخل باتری نیکل کادمیوم را رها سازد و مانع ورود گرد و غبار و آلودگی به داخل باتری شود .

كاربرد های انواع باتری نیکل کادمیوم صفحه پاکتی

باتری‌های نيكل كادميومی صفحه پاكتی را بر اساس كاركردشان (جريان های تخليه متفاوت ) به سه دسته زیر تقسیم می‌نمایند :

با نرخ تخلیه کم L (Low Discharge Rate)
نوع L برای کاربردهایی طراحی شده است که باتری جهت تامین یک منبع قابل اطمینان از انرژی با زمان تخلیه های نسبتا طولانی (بیش از 3 ساعت) و یکنواخت مورد نیاز است و به طور معمول تخلیه کم اتفاق می‌افتد.
ماکزیمم جریان مجاز در باتری مدل L تا مقدار A 5C 0.5 می‌باشد (برای مثال برای یک باتری 100Ah مقدار جریان مجاز آن نهایتا تا A5C 0.5 یعنی 0.5 *100A = 50 A می‌باشد).
با نرخ تخلیه متوسط M (Medium Discharge Rate )
نوع M برای کاربردهایی طراحی شده است که در آن زمان تخلیه بین 30 دقیقه تا 5 ساعت بوده و یا مجموعه ای از بارها با سرعت های تخلیه بالا و کم وجود دارند.
در باتری نیکل کادمیوم تخلیه می‌تواند به صورت مکرر یا کم اتفاق بیافتد و ماکزیمم جریان مجاز عبوری تا A5C 3.5 می‌باشد.

با نرخ تخلیه بالا H (High Discharge Rate )
نوع H برای کاربردهای طراحی شده است که در آن جریان نسبتا زیاد با دوره های کوتاه مورد نیاز می‌باشد و معمولا طول دوره کمتر از 30 دقیقه طول خواهد کشید(عموما برای استارت).
در این نوع باتری تخلیه می‌‌تواند به صورت مکرر یا کم اتفاق بیافتد و ماکزیمم جریان مجاز عبوری تا A5C 7.0 می‌باشد.

ویژگی‌های باتری های Ni-Cad

  • طول عمر و زمان کارکرد بسیار بالایی دارند(دارای بیش از 2000 چرخه‌ی شارژ و دشارژ هستند).
  • دوام و استقامت بسیار زیاد در برابر تنش‌های الکتریکی و مکانیکی که UPS را در محیط‌ تهدید می‌نماید.
  • میزان دشارژ شدن خودکار آن‌ها نیست به سایر باتری ها کمتر است.
  • مقاومت داخلی آن ها بسیار اندک می‌باشد.

برتری باتری نیکل کادمیوم در برابر دیگر باتری‌ها

  • از استقامت بالایی برخوردار هستند.
  • نگهداری از این نوع باتری ها آسان‌تر است.
  • عمر مفید باتری نیکل کادمیوم نسبت به سایر باتری ها بیشتر می‌باشد.
  • فضای بسیار کمی را اشغال می‌کنند.
  • این باتری ها سبک هستند و حمل و نقل آسان تری دارند.

اجتناب از “اثر حافظه” در باتری نیکل کادمیوم

برای اینکه باتری‌های نیکل کادمیوم خود را در شرایط خوب نگه دارید، توصیه می‌شود آن‌ها را در حالت خالی و در جای خشک و خنک نگهداری کنید. پس از یک یا دو سال، بهتر است آن‌ها را چندین بار شارژ و دشارژ کنید تا بازسازی شوند. دلیل مفید بودن تخلیه کامل آنها قبل از شارژ، مقابله با پدیده مرموزی به نام “اثر حافظه” است که منحصرا در باتری‌های نیکل کادمیوم اتفاق می‌افتد.

وقتی که شما مرتبا یک باتری نیکل کادمیوم را بعد از کمی استفاده شارژ می‌کنید، به نظر می‌رسد باتری “به یاد می آورد” که بعد از اتمام مقدار مشخصی از شارژ، با برق بیشتری تغذیه می‌شود. در نتیجه وقتی سعی می‌کنید از ظرفیت بیشتری فراتر از سطح شارژ معمولی استفاده کنید، باتری تنبلی می‌کند و از کار می‌افتد. تقریباً مانند این است که یک کودک سرسخت قبل از اتمام تکالیف خود، آب نبات بیشتری را طلب کند.

برای مقابله با این حالت آزاردهنده باتری، توصیه می‌شود به طور منظم باتری نیکل کادمیوم خود را قبل از کنار گذاشتن کاملا خالی کرده و قبل از استفاده، آن را به طور کامل شارژ کنید.

زنده کردن باتری‌های مرده نیکل کادمیوم

حتی اگر باتری‌های نیکل کادمیوم از کار افتاده به نظر برسند و بعد از سال‌ها بی استفاده ماندن شارژ نداشته باشند، می‌شود با انجام بعضی «چرخه‌های عمیق» آن را مجددا احیا کرد و به زندگی برگرداند.

این باتری‌ها در ابتدا با ظرفیت تحلیل رفته برمی‌گردند، اما هرچه شارژ و دشارژ کامل‌تری انجام بدهید، دوباره مثل باتری‌های نو شروع به کار می‌کنند. برای فرآیند چرخه عمیق به ایجاد یک شوک از جانب یک باتری بزرگتر، به کمک چند سیم، احتیاج است.

خرید باتری نیکل کادمیوم

خرید باتری نیکل کادمیوم با تاپکو اصلا دشوار نیست. برای این کار، کافی است تنها  اطلاعات اولیه در مورد سایز باتری مورد نظرتان، ظرفیت و ولتاژ آن داشته باشید و از طریق یکی از راه های فرم تماس با تاپکو، تلفن یا ایمیل با کارشناسان و مشاوران ما ارتباط برقرار نمایید تا به درستی مورد بررسی و راهنمای قرار بگیرید و سفارش ایده آل برای خود یا کسب و کارتان را ثبت نمایید.