Η μπαταρία νικελίου-καδμίου είναι πηγή τάσης DC. Λόγω των ιδιοτήτων και των πλεονεκτημάτων του, αναλαμβάνει μολύβδου οξέος -Βασικές μπαταρίες και κερδίζει δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια. Είναι μικρό, συμπαγές, ταξιδεύεται εύκολα από το ένα μέρος στο άλλο. Οι γενικές χρήσεις αυτής της μπαταρίας είναι παιχνίδια, αριθμομηχανές, μικρές Κινητήρες DC , κ.λπ. Αρχή είναι το ίδιο με τις μπαταρίες που βασίζονται σε συσσωρευτές μολύβδου. Ένα μέταλλο τυλίγεται με στρώματα καδμίου και διαχωριστή και διατηρείται σε redox έτσι ώστε η χημική αντίδραση να παράγει την τάση DC. Οι μπαταρίες είναι δημοφιλείς εδώ και πολύ και σε μια προσπάθεια αύξησης της απόδοσης της μπαταρίας χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερα χημικά στοιχεία. Αυτό καθιστά την κατασκευή συμπαγή.
Τι είναι η μπαταρία νικελίου-καδμίου;
Είναι μια συσκευή που παράγει τάση DC με βάση τη χημική αντίδραση μεταξύ των εμπλεκόμενων ουσιών. Σε μια μπαταρία νικελίου-καδμίου, το υλικό redox χρησιμοποιείται ως βάση και γύρω από αυτό, χρησιμοποιείται το στρώμα νικελίου και ένας διαχωριστής. Η τάση κυψέλης νικελίου-καδμίου είναι περίπου 1,2 V. Όταν συνδέεται σε σειρά γενικά 3 έως 4 στοιχεία συσκευάζονται μαζί για να πάρουν έξοδο 3,6 έως 4,8 V
Σχεδιασμός μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Θεωρία μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Η αρχή λειτουργίας μιας μπαταρίας νικελίου-καδμίου είναι η ίδια με άλλες μπαταρίες. Για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας, χρησιμοποιούνται νικέλιο και κάδμιο. Μια μπαταρία είναι η πηγή τάσης DC, ως εκ τούτου πρέπει να αποτελείται από δύο πιθανά σημεία, δηλαδή θετικά και αρνητικά ή επίσης ονομάζονται άνοδος και κάθοδο. Σε μια μπαταρία νικελίου-καδμίου, πρώτα, ένα στρώμα οξειδίου του νικελίου NiO2 διατηρείται γύρω από το redox.
Αυτό το στρώμα οξειδίου του νικελίου δρα ως στρώμα καθόδου. Πάνω από το στρώμα οξειδίου του νικελίου, διατηρείται ένα στρώμα KaOH, το οποίο δρα ως διαχωριστής. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό το διαχωριστικό στρώμα πρέπει να εμποτιστεί με νερό ή υγρό. Σκοπός του είναι να παρέχει τα απαιτούμενα αρνητικά ιόντα ΟΗ, για τη χημική αντίδραση. Πάνω από το διαχωριστικό στρώμα, τοποθετείται κάδμιο. Το στρώμα καδμίου δρα ως άνοδος της μπαταρίας νικελίου-καδμίου. ο Διάγραμμα μπαταρίας νικελίου-καδμίου φαίνεται παρακάτω.
Διάγραμμα μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Όπως φαίνεται, στο διάγραμμα, το νικέλιο δρα ως θετικό ηλεκτρόδιο συλλέκτης και το στρώμα καδμίου δρα ως αρνητικός συλλέκτης στρώματος. Το διαχωριστικό στρώμα μεταξύ των δύο στρωμάτων αποτελείται από KOH ή NaOH. Σκοπός του είναι να παρέχει ιόντα ΟΗ. Εκτός από αυτά, αποτελείται επίσης από μια βαλβίδα ασφαλείας, μια πλάκα στεγανοποίησης, έναν μονωτικό δακτύλιο, ένα μονωτικό παρέμβυσμα και μια εξωτερική θήκη.
Ο σκοπός του μονωτικού δακτυλίου είναι η παροχή μόνωσης μεταξύ των δύο στρωμάτων. Το μονωτικό παρέμβυσμα είναι το μέρος όπου ο δακτύλιος μόνωσης διατηρείται κοντά. Το διαχωριστικό στρώμα συνδέεται με αυτόν τον δακτύλιο. Η εξωτερική θήκη είναι να παρέχει προστασία στα εσωτερικά στρώματα από εξωτερικούς παράγοντες όπως ζημιές και λανθασμένη διαχείριση της μπαταρίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα στο κουρκούτι, είναι πάντα επικίνδυνο να δουλεύετε με την μπαταρία.
Η θήκη της μπαταρίας δεν ανοίγει ποτέ, καθώς όλα τα στρώματα είναι εκτεθειμένα και μπορεί να προκαλέσει βλάβη στο άτομο που χρησιμοποιεί. Ομοίως, όταν δεν χρησιμοποιείται, συνιστάται να αφαιρέσετε την μπαταρία από τη συσκευή.
Εξισώσεις μπαταρίας νικελίου καδμίου
Οι χημικές εξισώσεις που αντιπροσωπεύουν τη χημική αντίδραση μπορούν να δοθούν ως
Η πρώτη εξίσωση αντιπροσωπεύει την αντίδραση μεταξύ του νικελίου στρώσης καθόδου και του διαχωριστή. Δίνει έξοδο ιόντων ΟΗ οξειδίου του νικελίου. Η ανάγκη για το διαχωριστικό στρώμα όπως αναφέρθηκε προηγουμένως είναι η παροχή των ιόντων ΟΗ που απαιτούνται για τη χημική αντίδραση. Για την παροχή του Η20, το διαχωριστικό στρώμα εμποτίζεται με νερό για την αρχική αντίδραση. Αργότερα το H2O λαμβάνεται ως ένα από τα υποπροϊόντα.
Από την πλευρά της ανόδου, το στρώμα καδμίου συνδυάζεται επίσης με ιόντα ΟΗ που λαμβάνονται από το στρώμα διαχωριστών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οξείδιο καδμίου και ηλεκτρόνια. Μπορεί να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρόνια και στις δύο εξισώσεις ακυρώνονται. Επίσης, τα ιόντα OH ακυρώνονται. Η εξίσωση υπενθύμισης δίνεται από την τρίτη εξίσωση, όπου το νικέλιο συνδυάζεται με κάδμιο και νερό. Καταλήγει σε οξείδιο του νικελίου και οξείδιο του καδμίου.
Εύρος θερμοκρασίας μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Το εύρος θερμοκρασίας για την μπαταρία νικελίου είναι 0 έως 45 βαθμούς Κελσίου κατά τη φόρτιση και -20 έως 65 βαθμούς Κελσίου κατά την εκφόρτιση. Πέρα από αυτό το εύρος θερμοκρασίας, η μπαταρία δεν λειτουργεί και ακόμη και υπάρχουν πιθανότητες έκρηξης.
Τοξικότητα μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Η μπαταρία νικελίου-καδμίου είναι πολύ τοξική για το ανθρώπινο σώμα. Το κάδμιο είναι ένα βαρύ μέταλλο που θέτει πολλούς κινδύνους για το ανθρώπινο σώμα. Το κάδμιο έχει ακόμη φυσιολογική επίδραση στο σύστημα. Η μέση παρουσία καδμίου στο ανθρώπινο σώμα είναι περίπου 1 μικρογραμμάριο ανά λίτρο. Έχει άμεση επίδραση στο πεπτικό σύστημα. Ομοίως, το νικέλιο είναι επίσης δηλητηριώδες για το ανθρώπινο αναπνευστικό σύστημα.
Τάση μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Γενικά, κάθε τάση για μια μπαταρία νικελίου-καδμίου θα είναι περίπου 1,2 V. Ο αριθμός των κυττάρων συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα για να λάβετε την απαιτούμενη τάση. Εκτός από την τάση, η ειδική του ενέργεια είναι περίπου 50-60 Wh ανά Kg. Αυτό είναι αρκετά υψηλό από το νικέλιο-σίδηρο, αλλά σχετικά λιγότερο από τις μπαταρίες νικελίου-ψευδαργύρου και νικελίου-υδριδίου μετάλλου.
Η ειδική ισχύς είναι 200 W ανά kg. Αυτό είναι μέτρια υψηλό από το νικέλιο-σίδηρο αλλά είναι σχετικά μικρότερο από τις μπαταρίες νικελίου-ψευδαργύρου και νικελίου-υδριδίου μετάλλου. Για μπαταρίες νικελίου-μετάλλου, είναι περίπου 170-1000. Για μπαταρίες νικελίου-σιδήρου, είναι περίπου 100. Η ενεργειακή απόδοση είναι περίπου 70-75%. Αυτό είναι μέτρια υψηλό από το νικέλιο-σίδηρο αλλά είναι σχετικά μικρότερο από τις μπαταρίες νικελίου-ψευδαργύρου και νικελίου-υδριδίου μετάλλου. Για μπαταρίες νικελίου-μετάλλου, είναι περίπου 70-80%. Για μπαταρίες νικελίου-σιδήρου, είναι περίπου 60-70%.
Κατασκευή μπαταρίας νικελίου-καδμίου
Κατασκευαστική, η μπαταρία νικελίου-καδμίου είναι η ίδια με τις μπαταρίες μολύβδου. Αποτελείται από τρία βασικά στρώματα. Το πρώτο είναι ένα στρώμα νικελίου, μετά το στρώμα διαχωρισμού και το στρώμα καδμίου. Το νικέλιο δρα ως θετικός συλλέκτης ηλεκτροδίων και το στρώμα καδμίου δρα ως συλλέκτης αρνητικών στρώσεων.
Το διαχωριστικό στρώμα μεταξύ των δύο στρωμάτων αποτελείται από KOH ή NaOH. Σκοπός του είναι να παρέχει ιόντα ΟΗ. Εκτός από αυτά, αποτελείται επίσης από μια βαλβίδα ασφαλείας, μια πλάκα στεγανοποίησης, έναν μονωτικό δακτύλιο, ένα μονωτικό παρέμβυσμα και μια εξωτερική θήκη. Ο σκοπός του μονωτικού δακτυλίου είναι η παροχή μόνωσης μεταξύ των δύο στρωμάτων. Το μονωτικό παρέμβυσμα είναι το μέρος όπου ο δακτύλιος μόνωσης διατηρείται κοντά. Το διαχωριστικό στρώμα συνδέεται με αυτόν τον δακτύλιο.
Η εξωτερική θήκη είναι να παρέχει προστασία στα εσωτερικά στρώματα από εξωτερικούς παράγοντες όπως ζημιές και λανθασμένη διαχείριση της μπαταρίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα στο κουρκούτι, είναι πάντα επικίνδυνο να δουλεύετε με την μπαταρία. Τα στρώματα μαζί με το διαχωριστικό στρώμα σχηματίζουν την απαιτούμενη χημική αντίδραση και σχηματίζουν τη διαφορά δυναμικού.
Λειτουργεί με μπαταρία νικελίου καδμίου
Η λειτουργία της μπαταρίας νικελίου-καδμίου βασίζεται στη χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα μεταξύ των στρωμάτων. Η μπαταρία που είναι πηγή τάσης DC αποτελείται από δύο θύρες, δηλαδή άνοδο και κάθοδο. Κατά την παραγωγή της μπαταρίας, πρώτα το στρώμα καδμίου διατηρείται στο redox. Το στρώμα καδμίου λειτουργεί ως τερματικό καθόδου. Το κάδμιο είναι ένα από τα βαριά υλικά και έχει καλές αγώγιμες ιδιότητες. Πάνω από το στρώμα καδμίου, διατηρούνται τα διαχωριστικά στρώματα.
Ο σκοπός του διαχωριστικού στρώματος είναι να παρέχει τα απαιτούμενα ιόντα ΟΗ για το χημική αντίδραση . Τα ιόντα ΟΗ απαιτούνται για την αντίδραση μεταξύ του νικελίου στρώσης καθόδου και του διαχωριστή. Δίνει έξοδο ιόντων ΟΗ οξειδίου του νικελίου. Η ανάγκη για το διαχωριστικό στρώμα όπως αναφέρθηκε προηγουμένως είναι η παροχή των ιόντων ΟΗ που απαιτούνται για τη χημική αντίδραση. Για την παροχή του Η20, το διαχωριστικό στρώμα εμποτίζεται με νερό για την αρχική αντίδραση.
Αργότερα το H2O λαμβάνεται ως ένα από τα υποπροϊόντα. Από την πλευρά της ανόδου, το στρώμα καδμίου συνδυάζεται επίσης με ιόντα ΟΗ που λαμβάνονται από το στρώμα διαχωριστών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οξείδιο καδμίου και ηλεκτρόνια. Μπορεί να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρόνια και στις δύο εξισώσεις ακυρώνονται. Επίσης, τα ιόντα OH ακυρώνονται. Η εξίσωση υπενθύμισης δίνεται από την τρίτη εξίσωση, όπου το νικέλιο συνδυάζεται με κάδμιο και νερό. Καταλήγει σε οξείδιο του νικελίου και οξείδιο του καδμίου. Η χημική αντίδραση ακολουθείται από τη ροή ηλεκτρονίων που προκαλεί τη διαφορά δυναμικού μεταξύ δύο ακροδεκτών.
Τύποι μπαταριών νικελίου καδμίου
Η ταξινόμηση της μπαταρίας νικελίου-καδμίου γίνεται μόνο βάσει του μεγέθους και της διαθέσιμης τάσης. Με βάση το μέγεθος μπορεί να είναι μεγέθους AAA, AA, A, Cs, C, D ή F. Όλα αυτά τα μεγέθη έρχονται με διαφορετικές προδιαγραφές τάσης εξόδου. Μερικά από αυτά έχουν κυλινδρικό σχήμα σωλήνα και μερικά από αυτά σε ορθογώνια εξωτερική θήκη σε σχήμα κουτιού.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Τα πλεονεκτήματα της μπαταρίας νικελίου καδμίου είναι
- Παρέχει υψηλή απόδοση ρεύματος
- Αντέχει την υπερφόρτιση
- Αντέχει έως και 500 κύκλους φόρτισης
Τα μειονεκτήματα της μπαταρίας νικελίου καδμίου είναι
- Το κάδμιο δεν είναι φιλικό προς το περιβάλλον υλικό
- Λιγότερη ανοχή στη θερμοκρασία σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες.
Εφαρμογές μπαταρίας νικελίου καδμίου
Διαθέτει διάφορες εφαρμογές όπως παιχνίδια, μικρούς κινητήρες DC, αριθμομηχανές, ανεμιστήρες, υπολογιστές κ.λπ.
Ως εκ τούτου, έχουμε δει τις εφαρμογές, τη λειτουργία και τις λεπτομέρειες του μπαταρία νικελίου-καδμίου . Πρέπει να δούμε τι άλλο υλικό μπορεί να συνδυαστεί με νικέλιο, καθώς το κάδμιο έχει επικίνδυνα αποτελέσματα.
