Исследования в области никель-металлгидридных батарей начались в 1970-х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объём никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжёлого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объём батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.

Начиная с 1980-х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная ёмкость (на 40%, по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке ("дружественность" природной среде), а также весьма длительный срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.

Преимущества NiMH-аккумуляторов

• БОльшая ёмкость - на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
• Намного меньшая выраженность эффекта "памяти", по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами - циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
• Простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
• Экологически безопасны - возможна переработка

Недостатки NiMH-аккумуляторов

• Ограниченное время жизни батареи - обычно около 500-700 циклов полного заряда/разряда (хотя, в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства, могут быть различия в разы)
• Эффект памяти - NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
• Относительно малый срок хранения батарей - обычно не более 3-х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляет процесс старения батарей
• Высокий саморазряд батарей
• Ограниченная мощностная ёмкость - при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей
• Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи плохо переносят перезаряд
• Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30° по Цельсию)

Конструкция NiMH-аккумуляторов и АКБ

Современные никель-металлгидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчётное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов - кадмиевый электрод, у никель-металлгидридных - электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.

В современных никель-металлгидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.

Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) - компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.

Никель-металлгидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дёшевы, имеют большую ёмкость и лучшие мощностные показатели.

В процессе циклирования происходит колебание объёма отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счёт поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объёма возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлгидридного аккумулятора необходимо произвести несколько "тренировочных" циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и ёмкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона - увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению ёмкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлгидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.

Отрицательный электрод имеет избыточную ёмкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается ёмкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная ёмкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнёт выделяться большое количество водорода, что приведёт к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, "выкипанию" электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное устройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлгидридной батареей большой ёмкости.

Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счёт появления больших пор в материале сепаратора и образования электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путём нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.

При заряде никель-металлгидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путём точечной сварки перемычек, а не пайки.

Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и ёмкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная ёмкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.

Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлгидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлгидридных аккумуляторов.

Дмитрий СПИЦЫН,
dig.by