باتری نیکل کادمیوم چیست؟

باتری نیکل کادمیوم، نوعی باتری قابل شارژ است که در آن از هیدروکسید نیکل اکسید و کادمیوم فلزی به عنوان الکترود استفاده می شود. این باطری ها با اصطلاح Ni-Cd نامگذاری می شوند که نشان دهنده نمادهای شیمیایی نیکل (Ni) و کادمیوم (Cd) است.

با توجه به اینکه اصطلاح انگلیسی NiCad روی این باطری ها درج می شده، در زبان فارسی به باتری نیکاد نیز شهرت یافته است.

تاریخچه باتری نیکل کادمیوم

اولین باطری NiCad توسط Waldemar Jungner سوئدی در سال 1899 میلادی ساخته شد.

ارنست والدمار یونگنر (زاده ۱۹ ژوئن ۱۸۶۹ – درگذشته ۳۰ اوت ۱۹۲۴) مخترع و مهندس سوئدی بود که در سال 1899 او باتری ذخیره الکتریکی نیکل-آهن (NiFe) ، باتری نیکل-کادمیوم (NiCd) و باتری قلیایی نقره-کادمیم (AgCd) قابل شارژ را اختراع کرد.

او همچنین به عنوان یک مخترع، دستگاه اعلام حریق را بر اساس رقت های مختلف فلزات ساخت. او همچنین روی تولید الکترولیتی کربنات سدیم کار کرد و یک دستگاه حفاری سنگ را به ثبت رساند.

در ابتدای راه باطری های نیکل کادمیوم، تنها رقیب اصلی آنها باتری سرب اسیدی بود که از نظر فیزیکی و شیمیایی مقاومت کمتری داشت.

دانشمندان مختلف در ادامه راه سعی کردند با تغییراتی در ساختار باطری های قابل شارژ به فرمولاسیون بهتری از لحاظ کارایی و مقاومت دست یابند، در همین مسیر توماس ادیسون در سال 1902 میلادی یک باتری نیکل-کادمیوم یا کبالت کادمیوم را ثبت اختراع کرد.

در سال 1932 مواد فعال باتری در داخل یک الکترود متخلخل با نیکل قرار گرفتند و پانزده سال بعد کار بر روی یک باتری نیکل-کادمیم مهر و موم شده آغاز شد.

آغاز تولید تجاری باطری نیکل کادمیوم

اولین تولید تجاری باتری نیکل کادمیوم در ایالات متحده امریکا در سال 1946 آغاز شد. تا این مرحله، باتری ها از بسته های فولادی با روکش نیکل حاوی مواد فعال نیکل و کادمیوم ساخته می شدند.

در اواسط قرن بیستم، باتری های Ni-Cd با صفحه متخلخل به طور فزاینده ای محبوب شدند. ذوب پودر نیکل در دمایی بسیار پایین تر از نقطه ذوب آن با استفاده از فشارهای بالا صفحات متخلخل را ایجاد می کند.

صفحاتی که به این ترتیب شکل می گیرند بسیار متخلخل هستند، حدود 80 درصد حجمی. صفحات مثبت و منفی با خیساندن صفحات نیکل به ترتیب در مواد فعال نیکل و کادمیوم تولید می شوند.

پس از دهه‌ها تحقیق و آزمایش، مهندسان و مخترعان دریافتند که هر چه سطح ماده واکنش پذیر در باتری بیشتر باشد، جریان‌های الکتریکی قوی‌تر است.

بنابراین، باتری‌های Ni-Cd اکنون شبیه یک «ژله رول» در داخل هستند، با صفحات آند متخلخل و کاتد که یک جداکننده را ساندویچ می‌کنند و در یک فرآیند شارژ با حداکثر توان خروجی قرار می‌گیرند.

از دهه 2000، تمام باتری های Ni-Cd مصرف کننده از پیکربندی ژله رول استفاده می کنند.

ساختار ژله رول باتری نیکل کادمیوم

ساختار باطری های نیکل کادمیوم

در دو طرف باتری Ni-Cd یک الکترود قرار دارد، نقطه ای که الکتریسیته وارد و خارج می شود. باتری های Ni-Cd از ماده فعالی به نام هیدروکسید نیکل در ترمینال مثبت و کادمیوم فلزی در ترمینال منفی استفاده می کنند که داخل یک محلول الکترولیت قلیایی مایع، (معمولاً هیدروکسید پتاسیم) قرار می گیرند.

ساختار باطری نیکل کادمیوم

کادمیوم یک عنصر بسیار سمی است که باید به درستی دفع شود. در ایالات متحده امریکا، مراکز بازیافت باطری مخصوص باطری های NiCad وجود دارد.

در حالی که باتری‌های Ni-Cd مدرن حاوی کادمیوم بدون نشت هستند، اما باز هم اتحادیه اروپا مدل‌های باتری Ni-Cd قابل حمل را در سال 2008 ممنوع کرد.

تولید باتری های نیکل کادمیوم به دلیل خطرات زیست محیطی که کادمیوم دارد بسیار محدود شده و جای خود را به باتری های لیتیومی و نیکل هیدریدی داده است.

تفاوت باتری های قابل شارژ Ni-Cd با باتری های قلیایی معمولی

سلول های Ni-Cd در اندازه های مشابه با انواع قلیایی AAA تا زیر C و D و همچنین در بسته های ترکیبی چند سلولی که معادل یک باتری 9 ولتی هستند موجود است.

آنها می توانند آمپرهای مشابه را پمپ کنند و ظرفیت میلی آمپر ساعت قابل مقایسه با سایر باتری های قلیایی دارند.

در طول سال‌ها، از آنها در تلفن‌های قابل حمل خانگی، اسباب‌بازی‌های خودرو، چراغ قوه، ابزار برقی و تجهیزات عکاسی استفاده شده است.

باتری های Ni-Cd چندین تفاوت مهم با انواع باتری های قلیایی معمولی دارند، از جمله:

• قابل شارژ هستند
• جریان پایدار دارند
• شارژ و دشارژ سریع دارند
• می تواند در دماهای شدید عملکرد خوبی داشته باشد
• طول عمر بیشتری دارند

قابل شارژ بودن

باتری‌های Ni-Cd را می توان دوباره شارژ کرد، در حالی که بیشتر باتری‌های قلیایی دیگر باید پس از اتمام دور ریخته شوند.

برای شارژ مجدد، کافی است آنها را در یک شارژر باتری قرار دهید تا در یک چرخه شارژ شوند و آماده استفاده هستند.

با این حال، اگر آنها را بیش از حد شارژ کنید، ممکن است آسیب ببینند، بنابراین توصیه می شود پس از رسیدن به 100٪ آنها را از شارژر باتری خارج کنید.

جریان پایدار تر

اکثر باتری های قلیایی دارای ولتاژ سلولی حدود 2 ولت هستند، در حالی که سلول های باتری Ni-Cd 1.2 ولت خروجی دارند.

در حالی که ممکن است چیز بدی به نظر برسد، باتری‌های Ni-Cd می‌توانند آن 1.2 ولت را از هر سلول باتری با قدرت کامل خارج کنند تا زمانی که باتری کاملاً تمام شود.

در حالی که باتری‌های دیگر به آرامی با خروجی کمتر و کمتر در طول شارژ کار می‌کنند، در نتیجه باتری‌های Ni-Cd می‌توانند ولتاژ ثابتی را در طول عمر هر چرخه ارائه دهند.

اگر از دستگاه های پرمصرف برقی مثل مته که باطری خور باشند استفاده کنید، تفاوت را احساس خواهید کرد، در دفعات اول از هر دو مدل باطری که استفاده کنید همه چیز خوب به نظر می رسد، اما پس از 7-8 بار استفاده اگر باطری قلیایی داشته باشید کاهش سرعت دستگاه را به وضوح مشاهده خواهید کرد.

باتری های Ni-Cd می توانند چنین توان خروجی بالایی را ارائه دهند زیرا مقاومت داخلی بسیار کمی دارند.

سازندگان باتری نیکل کادمیوم تفاوت ولتاژ 1.2 تا 2 را با افزودن سلول های تک اضافی به بسته باتری Ni-Cd محاسبه می کنند. این کار می‌تواند ولتاژ را مانند باتری‌های سنتی کند، اما به باتری اجازه می‌دهد تا همچنان برق ثابتی را در طول شارژ خود تولید کند.

شارژ و دشارژ سریع

طراحی مقاومت داخلی پایین همچنین به باتری‌های Ni-Cd اجازه می‌دهد تا انرژی زیادی را به سرعت تخلیه کنند و همچنین به سرعت شارژ شوند.

عملکرد مناسب در دماهای مختلف

از آنجایی که مقاومت باتری نیکل کادمیوم پایین است، این باطری ها بیش از حد گرم نمی شوند. این ویژگی امکان استفاده از آنها را در بسیاری از محیط هایی با محدوده دمایی بسیار بالا یا بسیار پایین فراهم می کند.

طول عمر

باتری های Ni-Cd می توانند چندین دهه دوام بیاورند. تا زمانی که در اثر شارژ بیش از حد از بین نروند، می توانید انتظار داشته باشید که سال ها به کار خود ادامه دهند. شارژ بیش از حد می تواند دریچه باتری را فلج کند و باعث خشک شدن سلول ها شود.

اثر حافظه در باتری نیکل کادمیوم چیست؟

برای اینکه باتری‌های Ni-Cd خود را در شرایط خوب نگه دارید، توصیه می‌شود آن‌ها را در حالت خالی در جای خشک و خنک نگهداری کنید.

پس از یک یا دو سال، ایده خوبی است که آنها را در چندین چرخه شارژ و دشارژ اجرا کنید تا آنها را بازسازی کنید. دلیل مفید بودن تخلیه کامل آنها قبل از شارژ، مقابله با پدیده مرموز به نام “اثر حافظه” است. اثر حافظه منحصر به باتری های Ni-Cd است.

هنگامی که به طور منظم یک باتری Ni-Cd را پس از استفاده اندکی از آن شارژ می کنید، به نظر می رسد باتری “به یاد می آورد” که پس از اتمام آن مقدار مشخصی از شارژ، با برق بیشتری تغذیه می شود.

اتفاقی که می افتد این است که وقتی سعی می کنید از ظرفیت بیشتری فراتر از سطح شارژ معمولی استفاده کنید، تنبل می شود و از کار می افتد. تقریباً مانند این است که یک کودک سرسخت قبل از اتمام تکالیفش آب نبات بیشتری می خواهد.

بنابراین، برای مقابله با این اتفاق آزاردهنده که باعث کاهش عمر باتری می شود، توصیه می شود به طور منظم باتری Ni-Cd خود را قبل از ذخیره سازی خالی کنید و قبل از استفاده آن را به طور کامل شارژ کنید.

مهمترین کاربردهای باطری نیکل کادمیوم

به طور معمول، باتری‌های Ni-Cd زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که به ظرفیت‌های زیاد و میزان دشارژ بالا نیاز باشد، که آن‌ها را برای استفاده در اتومبیل‌های RC، تجهیزات عکاسی و ابزارهای برق خانگی که به سرعت نیاز به انرژی زیادی دارند، مناسب می‌سازد.

این روزها سرعت شارژ مشابه و ظرفیت باتری بالاتر در همان اندازه توسط باتری های نیکل متال هیدرید (NiMH) ارائه می شود. به همین دلیل است که اکنون تعداد بیشتری از آنها را در باتری های ابزارهای برقی و حتی کنترل از راه دور می بینید.

چراغ‌های خورشیدی

کاربرد باطری Ni Cd در چراغ خورشیدی

چراغ های مسیر خورشیدی که توسط خورشید و باتری های Ni-Cd تغذیه می شوند. منبع تصویر:Review Geek

اگر چراغ‌های خورشیدی یا چراغ‌های مسیر باغ دارید، باتری‌های Ni-Cd یک گزینه عالی برای استفاده هستند.

دلیل آن این است که باتری‌های NiMH پس از اینکه در اواسط روز تحت نور مستقیم خورشید قرار می‌گیرند و در اواخر بعد از ظهر بیکار می‌مانند، شارژ خود را به میزان قابل توجهی بیشتر از باتری‌های NiMH نگه می‌دارند.

همچنین، آنها در طول عصر ولتاژ کمتری به چراغ‌های شما وارد نمی‌کنند – تا زمانی که خورشید در روز بعد طلوع کند، همچنان همان مقدار انرژی را ساطع می‌کنند. و از آنجایی که آنها نسبت به سایر انواع باتری عمر طولانی تری دارند، می توانید در طول سالیان متمادی روی عملکرد ثابت آنها حساب کنید.

تولید کنندگان روشنایی خورشیدی اصرار دارند که از باتری های قابل شارژ Ni-Cd استفاده کنند، زیرا آنها برای محصولات خود بهترین هستند. در واقع، شارژرهایی که معمولاً در هر چراغ تعبیه می‌شوند، فقط سلول‌های Ni-Cd را شارژ می‌کنند.

اسباب بازی

در بسیاری از ماشین های اسباب بازی و دیگر اسباب بازی های کنترل از راه دور از این باطری ها استفاده می شود.

باتری شارژی اسباب بازی های Rc

مصارف صنعتی برای باتری های نیکل کادمیوم

باطری Ni Cd در هواپیما

باتری Ni-Cd در هواپیماهای بوئینگ و ایرباس استفاده می شوند. منبع تصویر: Aerocontact

انرژی پشتیبان بحرانی: از آنجایی که باتری‌های Ni-Cd صنعتی می‌توانند در شرایط و دماهای مختلف 100% برق قابل اطمینان را تولید کنند، برای مدت طولانی دوام می‌آورند و می‌توانند از طریق تهویه مجدد دوباره روشن شوند در تجهیزات حمل و نقل مختلف کاربرد دارند.

باتری های Ni-Cd در مقابل باتری های NiMH

در عین حال که باتری Ni-Cd مزایای بسیاری دارد، اما یک نوع باتری قابل شارژ جدیدتر، نیکل متال هیدرید (NiMH) کمی بیش از 300 درصد ظرفیت یک باتری Ni-Cd در همان اندازه را ارائه می دهد.

به همین دلیل، باتری‌های NiMH اکنون بیشتر در دستگاه هایی که نیاز به خروجی باتری با تخلیه بالا دارند، مانند تجهیزات عکاسی، چراغ قوه، روشنایی اضطراری، ابزارهای برقی قابل حمل و اسباب‌بازی‌ها استفاده می‌شوند.

باتری‌های NiMH همچنین «اثر حافظه» آزاردهنده‌ای ندارند، به این معنی که بدون توجه به الگوی شارژ جزئی که معمولاً استفاده می‌شود، به‌طور مداوم در چرخه‌های شارژ و دشارژ کار می‌کنند.

با این حال، NiMH در طول زمان سریع‌تر از باتری‌های Ni-Cd تجزیه می‌شود و در صورت تخلیه سریع‌تر پیر می‌شوند. به همین دلیل است که توصیه می‌شود قبل از ذخیره‌سازی آنها کاملاً شارژ شوند.

جمع بندی

باتری های Ni-Cd برای ابزارهای برقی، اسباب بازی ها، چراغ قوه ها و دوربین ها تا زمانی که باتری های NiMH ساخته شدند بسیار محبوب بودند.

باتری‌های Ni-Cd هنوز هم برای کاربردهای کم تخلیه، مانند روشنایی مسیر خورشیدی و چراغ‌های کریسمس خورشیدی ایده‌آل هستند.

از آنجایی که باتری‌های Ni-Cd برای مدت طولانی دوام می‌آورند و انرژی ثابتی را در طول عمر شارژ می‌دهند، همچنان برای کاربردهای پشتیبان‌گیری حیاتی صنعتی استفاده می‌شوند.

باتری های NiMH سه برابر باتری های Ni-Cd ظرفیت دارند و سازگارتر با محیط زیست هستند.

باتری‌های لیتیوم یونی برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی خانگی بسیار مناسب‌تر از باتری‌های Ni-Cd یا NiMH هستند.

سوالات متداول