SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

Seminarski rad iz predmeta:

Izvori napajanja elektorničkih uređaja

NiMH akumulatori

Student :Matija Mikolčid

JMBAG : 0036450132

Zagreb ,Studeni 2014.

Sadržaj 1.Uvod ..................................................................................................................................................... 3

2.Elektrokemija i konstrukcija ................................................................................................................. 4

2.1 Negativna elektroda ...................................................................................................................... 5

2.2 Pozitivna elektroda ....................................................................................................................... 6

2.3 Delija .............................................................................................................................................. 7

2.4 Elektrolit ........................................................................................................................................ 8

2.5 Konstrukcija akumulatora ............................................................................................................. 8

3.Karakteristike punjenja i pražnjenja .................................................................................................. 10

3.1 Karakteristike pražnjenja ............................................................................................................ 10

3.2 Karakteristike punjenja ............................................................................................................... 14

4.Zaključak ............................................................................................................................................ 16

5.Literatura ........................................................................................................................................... 17

1.Uvod

Nikal-metal hidirdna baterija ,skradeno NiMH , je vrsta punjive baterije (akumulatora).

Svoj životni ciklus počela je kao evolucija iz nikal-hidrogen akumulatora korištenog u

svemirskim aplikacijama. Zbog svojih iznimnih životnih ciklusa te razumne specifične

energije ,nikal-hidrogen akumulatori su bili atraktivni za takve aplikacije.

Međutim nikal-hidrogen akumulatori imaju slabu volumetrijsku efikasnost i zahtjevaju

spremnike stlačenog vodika i platine kao katalizatora.

NiMH akumulatori surezultat konfiguriranja akumulatora koristedi metal hidridnih

materijala za skladištenje vodika kao jednu od elektroda akumulatora. NiMH akumulatori su

u razvoju više od 30 godina ali su bili tek laboratorijska zanimljivost prije razvoja naprednih

metal hidridnih elektroda koje su bile sposobne puniti ili prazniti se u okolišu delije bez

kvara.

Danas su oni u biti proširenje od dokazano zapedačene nikal-kadmij baterijske tehnologije sa

zamjenom hidrogen apsorbirajude negativne elektrode u odnosu na elektrodu baziranu na

kadmiju. Dok ova zamjena povedava kapacitet akumulatora (mjeren u amper-satima) za

danu težinu i volumen te eliminira kadmij koji izaziva zabrinutost zbog svoje otrovnosti

,ostatak nikal-metal hidrid akumulatora je dosta sličan nikal-kadmij proizvodu.

2.Elektrokemija i konstrukcija

NiMH akumulator se naziva još alkalni akumulator zbog upotrebe kalij hidroksida (KOH) kao

elektrolita.Električki , NiMH akumulatori su vrlo slični nikal kadmij akumulatorima.

Elektrokemija NiMH akumulatora je uglavnom zastupljena slijededim kemijskim reakcijama

punjenja i pražnjenja :

Punjenje

Na negativnoj elektrodi , u prisutnosti slitine i sa narinutim naponom , voda u

elektrolitu se razgradi na vodikove atome , koji se apsorbiraju u slitinu , i na

hidroksilne ione kako je prikazano ispod.

𝑆𝑙𝑖𝑡𝑖𝑛𝑎 + 𝐻2𝑂 + 𝑒− ↔ 𝑆𝑙𝑖𝑡𝑖𝑛𝑎 𝐻 + 𝑂𝐻− (1),

Na pozitivnoj elektrodi ,reakcija je bazirana na oksidaciji nikal hidroksida isto

kao i kod nikl-kadmij para.

𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 + 𝑂𝐻− ↔ 𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2𝑂 + 𝑒−(2),

Pražnjenje

Na negativnoj elektrodi ,vodik se otpušta te kombinira sa hidroksilnim ionima

pretvarajudi se u vodu dok u istovrijeme daje elektron u krug.

𝑆𝑙𝑖𝑡𝑖𝑛𝑎 𝐻 + 𝑂𝐻− ↔ 𝑆𝑙𝑖𝑡𝑖𝑛𝑎 + 𝐻2𝑂 + 𝑒− (3),

Na pozitivnoj elektrodi ,nikal oksihidroksid je reduciran u svoje niže valentno

stanje , nikal hidroksid.

𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2𝑂 + 𝑒− ↔ 𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 + 𝑂𝐻− (4)

2.1 Negativna elektroda

Jednostavni koncept negativne elektrode NiMH akumulatora potječe iz istraživanja o

spremanju vodika za upotrebu kao alternativnog izvora energije u 1970-ima. Za određene

metalne slitine je opaženo da tvore hidride koji mogu pohraniti i otpustiti vodik u

volumenima i do 1000 puta vedim od vlastitog.

Pomnim izborom sastojaka i proporcija slitine ,termodinamika se može izbalansirati da

dopušta izvođenje procesa apsorpcije i otpuštanja na sobnim temperaturama. Opdeniti

rezultat je prikazan (slika 1.) gdje puno manji atom vodika je prikazan apsorbiran u

intersticije kristalne strukture slitine.

Metal hidridna elektroda ima 40% vedi teoretski kapacitet od kadmijske elektrode u nikal-

kadmijskom paru. Kao rezultat, nikal-metal hidridni akumulator ima 20% vedu specifičnu

energiju od ekvivalentnog nikal-kadmij akumulatora.

Slika1.Kristalna struktura elektrode

2.2 Pozitivna elektroda

Pozitivna elektroda NiMH akumulatora je nikal hidroksid. To je vrlo dobro razvijen materijal

za elektrode sa skoro 100 godina povijesti i razvoja bududi da je istog sastava kao i za NiCd

akumulatore. Alkalni akumulatori bazirani na niklu su atraktivni bududi da se nikal elektroda

može proizvesti s vrlo velikom površinom što vodi do velikih kapaciteta i velike gustode

struje. Elektrolit ne ulazi u reakciju elektrode tako da je provodljivost na visokom nivou

tijekom raspoloživog kapaciteta akumulatora.Dodatno nikal aktivni materijal je netopiv u

KOH elektrolitu što dovodi do produljenog vijeka trajanja i vede tolerancije.Balans između

pozitivne i negativne elektrode je namješten tako da je baterija uvijek pozitivno limitirana

kao što je prikazano u slici 2. To znači da negativna elektroda posjeduje vedi kapacitet od

pozitivne. Pozitivna de dosegnuti puni kapacitet prva kako se akumulator puni. Onda de

generirati kisik koji difundira do negativne elektrode gdje rekombinira. Ovakav

rekombinacijski ciklus kisika je efikasan način rukovanja slabim do umjerenim strujama

prepunjavanja.

Slika 2. Proces punjenja elektroda

2.3 Ćelija

Kompletna delija je predstavljena shematski na slici 3. Kombinirana reakcija cijele delije

može se napisati kao :

𝑀 + 𝑁𝑖(𝑂𝐻)2 + 𝐻2 ↔ 𝑀𝐻 + (𝑁𝑖𝑂𝑂𝐻 ∗ 𝐻2𝑂) (5)

Slika 3. NiMH ćelija

2.4 Elektrolit

Elektrolit ,koji je vodenasta otopina kalijevog hidroksida , ima vrlo visoku provodljivost i

obično ne ulazi u reakciju delije u nekom vedem obimu.

Elektrolitska koncentracija (i stoga glavna komponenta otpora delije) ostaje pretežno

konstantna preko cijelog raspona stanja punjenja ili pražnjenja.

20% do 40% otopine alkalnog hidroksida sadrži druge manje sastojke koji povedavaju

performance akumulatora.

2.5 Konstrukcija akumulatora

NiMH akumulatori imaju sličnu konstrukciju kao i cilindrične nikal-kadmij , Li-Ion i primarne

litijske baterije. Osnovne komponente od kojih se sastoji su pozitivna i negativna elektroda

izolirana separatorrima. Elektrode s umetnutim separatorima između su namotane zajedno i

ubačene u metalnu limenku koja je zapečadena nakon ubacivanja elektrolita.

Nikal-metal hidridni akumulatori su tipično zapečadeni dizajni sa metalnim tijelom i

vrhovima koji su električni izolirani jedni od drugih. Tijelo služi kao negativan kontakt dok je

vrh pozitivan kontakt. Završni dizajn može koristiti plastični izolacijski omotač oko tijela koji

pruža električnu izolaciju između delija u tipičnim baterijskim aplikacijama. NiMH

akumulatori sadrže sigurnosni ventil na vrhu s mogudnošdu ponovnog zapečadivanja,

prikazano na slici 4. , akumulatori su napravljeni tako da rekombinacijski ciklus s kisikom

opisan netom prije je sposoban rekombinirati plinove nastale tijekom prepunjavanja unutar

normalnih radnih uvjeta , te tako održavajudi ravnotežu tlaka unutar akumulatora. Međutim

, u slučaju dugotrajnog prepunjavanja ili nekompatibilnog punjača mogude je da kisik i vodik

budu generirani brže negoli se mogu rekombinirati. U takvim slučajevima sigurnosni ventil

se otvara i smanjuje pritisak i spriječava puknude akumulatora. Ventil se zapčati ponovno

kada tlak oslabi. Curenje plina kroz ventil može ponijeti elektrolit , koji može formirati

kristale ili hrđu kada je izvan limenke.

Slika 4.Sigurnosni ventil

3.Karakteristike punjenja i pražnjenja

3.1 Karakteristike pražnjenja

Ponašanje NiMH akumulatora tokom ciklusa pražnjenja je generalno dobro prilagođeno

potrebama današnjih elektroničkih proizvoda , posebice onima koji zahtjevaju stabilan

napon za duže periode rada , ili velike struje pražnjenja.

Glavni parameter od interesa akumulatora za proizvodnog dizajnera je obično dostupno

vrijeme izvođenja pod specifičnim uvjetima. Vrlo je bitno poznavati u kakvim uvjetima je

ono dobiveno da bi se mogle odredite performance pri nekim drugim uvjetima.

Standardna mjera za akumulatore , često skradeno C , je kapacitet dobiven iz novog , ali

temeljito pripremljenog akumulatora podvrgnutog konstantnom strujom pražnjenja na

sobnoj temperature nakon što je optimalno napunjena. Mnogi paramteri punjenja i

pražnjenja su normalizirani sa C-om kako performance akumulatora unutar familije

akumulatora različitih veličina i kapaciteta su često identične uspoređujudi se na bazi C-a.

NiMH akumulatori imaju relativno mali unutarnji otpor (IR) zbog svoje namotajne

konstrukcije , povedanih kontakata i velike površine elektroda. Mali IR omoguduje

akumulatoru izvrsne performanse. IR svježeg , potpuno napunjenog NiMH akumulatora je

tipično manji od 50 mΩ. Tijekom pražnjenja , IR de ostati relativno konstantan sve do pred

kraj životnog vijeka kada de naglo porasti.Graf na slici 5. Pokazuje izračunat IR tijekom

pražnjenja strujom od 750 mA sa 10 mA pulsom svakih 6 min. IR NiMH akumulatora de se

povedati sa starenjem i upotrebom.

Slika 5. Unutarnji otpor NiMH-a

Profil napona prilikom pražnjenja , uz dodatak tranzijentnih efekata opisanih gore , je pod

utjecajem okolišnih uvjeta , poglavito temperature pražnjenja i brzinom pražnjenja.

Međutim , u vedini uvjeta naponska krivulja ima ravni plato poželjan za elektroničke

aplikacije.

Tipični profil pražnjenja za akumulator ispražnjen kroz 5h (strujom 0.2C) je prikazan slikom

6. Inicijalni pad od napona otvorenog kruga koji iznosi otprilike 1.4 V na 1.2 V se događa

naglo.

Slika 6. Krivulja pražnejnja

Slično litijskim AA primarnim baterijama , nikal-metal hidridni akumulatori pokazuju

“koljeno” na kraju pražnjenja gdje napon brzo opadne.

Glavni okolišni utjecaji na lokaciju i oblik profila napona su temperature pražnjenja i brzina

pražnjenja. Kako je pokazano slikom 7. , male varijacije sobne temperature (± 10°C) ne

utječu primjetno na oblik krivulje , ali vedi temperaturni hod , poglavito niže temperature ,

de smanjiti radni napon pri tome održavajudi generalni oblik profila napona.

Efekti brzine pražnjenja na profil napona su prikazani slikom 8. Nema značajnog efekta na

oblik krivulja pražnjenja za struje pražnjenja ispod 1C , za struje iznad 1C , oba i početni i

završni prijelazi potroše vede udio trajanja pražnjenja.

Slika 7. Promjena srednjeg napona sa temperaturom

Slika 8. Krivulje za razne struje pražnjenja

Temperatura akumulatora te struja pražnjenja dramatično utječu, kako i na profil napona ,

tako i na dostpuni kapacitet tijekom ciklusa pražnjenja. Kapacitet je također uvjetovan

povijesti akumulatora (povijest punjenja/pražnjejna/pohrane). Primarni efekti temperature

akumulatora na kapacitet pražnjenja , pretpostavljajudi advekatno punjenje , su izraženiji na

nižim temperaturama (<0°C) kako je prikazano slikom 9. Upotreba nikal-metal hidridnih

akumulatora u hladnim okolnostima može prouzročiti snažno slabljenje kapaciteta od onih

vrijednosti na sobnoj temperaturi.

Slika 9. Kapacitet pražnjejna u ovisnosti o temperature

3.2 Karakteristike punjenja

Propisno punjenje nikal-metal hidridnih akumulatora je ključan faktor za dobre performanse

i dulji vijek trajanja. Generalno NiMH akumulatori su osjetljiviji na uvjete punjenja nego

nikal-kadmij akumulatori. Nedovoljno punjenje može uzrokovati slabi rad dok prepunjenje

uzrokuje uzrokuje gubitak životnih ciklusa. NiMH akumulatori rade na egzotermnom

procesu , baziranom na punjenju vodika i rekombinaciji kisika.

Slikom 10. je prikazano tipično ponašanje NiMh akumulatora punjenog strujom 1C. Krivulje

pokazuju zašto je bitna kontorla punjenja te ilustriraju neke korištene karakteristike baterija

u određivanju kada je potrebno imati dobru kontrolu punjenja.

Slika 10. Karakteristike punjenja

Napon naglo poraste tijekom inicijalnog punjenja , zatim raste postepeno tokom punjenja

dok se do kraja ne napuni. Tada kad akumulator dosegne puni kapacitet , napon dosegne

svoj maksimum te polako počne padati. Kako je proces punjenja egzoterman , toplina se

oslobađa tijekom punjenja što vidimo na pozitivnom nagibu temperaturne karakteristike.

Kada akumulator dosegne točku prepunjavanja gdje vedina dobivene električne energije se

pretvara u toplinu , temperatura akumulatora naglo počinje rast. Tlak u akumulatoru, koji

malo raste tijekom procesa punjenja , također naglo poraste u prepunjavanju kako se velike

količine plina proizvode , više nego što se mogu rekombinirati.

Preporuča se puniti umjerenom stopom (2-3 h) te na kraju dozirati akumulator strujom

punjenja manjom od 0.025 C , na taj način se smanjuju nengativni efekti prepunjavanja.

Esencijalno sve baterije se postepeno prazne tijekom vremena bezobzira bile one u upotrebi

ili ne. Taj gubitak kapaciteta se događa tipično zbog sporih parazitnih reakcija koje se

događaju unutar same baterije. Taj gubitak je funkcija kemije unutar baterije te okolišne

temperature u kojoj se nalazi baterija.

NiMH akumulatori de se samoprazniti zbog sporih unutarnjih elektrokemijskih reakcija koje

se kontinuirano odvijaju unutar samog akumulatora. NiMH akumulatori tipično de zadržati

otprilike 50% do 80% svojeg kapaciteta nakon 6 mjeseci skladištenja. Na slici 11. vidimo

postotak zadržanog kapaciteta u ovisnosti o vanjskoj temperaturi.

Slika 11. Zadržan kapacitet u ovisnosti o temperaturi

4.Zaključak

NiMH akumulatori su svestrano rješenje za mnoge različite aplikacije zbog svojeg

dugotrajnog životnog vijeka , materijala koji ne predstavljaju opasnost po okoliš , velike

snage i energije , te sigurne upotrebe.Značajni napredak je postignut od ranih dana NiMH

tehnologije do danas.

5.Literatura

http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93metal_hydride_battery

http://www.cobasys.com/pdf/tutorial/InsideNimhBattery/inside_nimh_ba

ttery_technology.html

http://www.radio-electronics.com/info/power-management/battery-

technology/nimh-nickel-metal-hydride.php

http://www.mpoweruk.com/nimh.htm

http://data.energizer.com/PDFs/nickelmetalhydride_appman.pdf

http://145.253.206.136/bosch/ew-

wissen/content/subjects/1500_questions_and_answers/battery_technolog

y/nickel_metal_hydride_storage_batteries/52/index_eng.html