BLOG

Baterie i akumulatory są dziś nieodzownym elementem naszego codziennego życia — zasilają zegarki, piloty, telefony, a także skomplikowane urządzenia przemysłowe. Wśród różnych typów ogniw chemicznych szczególne miejsce zajmują baterie i akumulatory niklowo–kadmowe (NiCd), które przez dziesięciolecia stanowiły podstawę przenośnego zasilania. Choć obecnie są stopniowo wypierane przez nowsze technologie, takie jak NiMH czy Li-ion, ich budowa i zasada działania nadal budzą zainteresowanie ze względu na prostotę, trwałość i odporność na trudne warunki pracy.

Budowa ogniwa niklowo–kadmowego

Pojedyncze ogniwo NiCd składa się z dwóch elektrod:

• anody (ujemnej elektrody) wykonanej z kadmu (Cd),

• katody (dodatniej elektrody) wykonanej z tlenku niklu(III) (NiO(OH)),

• oraz elektrolitu będącego wodnym roztworem wodorotlenku potasu (KOH), który przewodzi jony, ale nie bierze bezpośredniego udziału w reakcji redoks.

Całość zamknięta jest w metalowej lub plastikowej obudowie, często z separatorami z włókien nylonowych lub polipropylenowych, które zapobiegają zwarciom między elektrodami.

Zasada działania

Podczas rozładowania

W czasie pracy akumulatora, czyli rozładowania, zachodzą reakcje elektrochemiczne:

Na anodzie (Cd):

$$\text{Cd}+2O{H}^{-}\to Cd(OH{)}_2+2e^{-}$$

Na katodzie (NiO(OH)):

$$2NiO(OH)+2H_{2}O+2e^{-}\to 2Ni(OH{)}_2+2O{H}^{-}$$

Sumarycznie proces rozładowania można zapisać jako:

$$Cd+2NiO(OH)+2H_{2}O\to Cd(OH{)}_2+2Ni(OH{)}_2$$

Podczas tego procesu elektrony przepływają przez zewnętrzny obwód, zasilając podłączone urządzenie.

Podczas ładowania

Podczas ładowania zachodzi proces odwrotny — z użyciem energii elektrycznej:

$$Cd(OH{)}_2+2Ni(OH{)}_2\to Cd+2NiO(OH)+2H_{2}O$$

Dzięki odwracalności reakcji akumulator można wielokrotnie ładować i rozładowywać.

Właściwości i charakterystyka

Zalety

1. Wysoka trwałość – mogą wytrzymać od 1000 do nawet 2000 cykli ładowania.

2. Odporność na niskie temperatury – zachowują sprawność nawet w ujemnych temperaturach.

3. Stałe napięcie pracy – ok. 1,2 V na ogniwo, utrzymywane niemal do końca rozładowania.

4. Duży prąd rozładowania – dobrze sprawdzają się w urządzeniach wymagających wysokiej mocy chwilowej (np. elektronarzędziach).

Wady

1. Efekt pamięciowy – jeśli ogniwo jest często doładowywane przed pełnym rozładowaniem, „zapamiętuje” niższą pojemność.

2. Toksyczność kadmu – kadm jest metalem ciężkim, silnie trującym dla środowiska.

3. Niższa gęstość energii – w porównaniu z nowoczesnymi ogniwami litowo-jonowymi.

Zastosowania

Przez wiele lat akumulatory NiCd były używane w:

• radiotelefonach i krótkofalówkach,

• aparatach fotograficznych,

• laptopach starszej generacji,

• elektronarzędziach,

• systemach awaryjnego zasilania (UPS).

Obecnie ich zastosowanie jest ograniczane przepisami unijnymi, które nakazują eliminację kadmu z produktów konsumenckich. Nadal jednak znajdują zastosowanie w sprzęcie wojskowym, lotnictwie czy kolejnictwie, gdzie liczy się niezawodność i odporność, a nie niska masa.

Recykling i wpływ na środowisko

Ze względu na zawartość toksycznego kadmu, akumulatory NiCd nie mogą być wyrzucane do odpadów komunalnych. Muszą być zbierane i przetwarzane w wyspecjalizowanych zakładach recyklingu. Proces odzysku pozwala nie tylko na bezpieczne unieszkodliwienie kadmu, ale też na odzyskanie cennego niklu i innych metali.

W Unii Europejskiej obowiązuje dyrektywa 2006/66/WE, która nakłada obowiązek zbierania i przetwarzania zużytych baterii i akumulatorów oraz ogranicza stosowanie kadmu w nowych produktach.

Porównanie z innymi technologiami

Przyszłość technologii NiCd

Choć rozwój technologii litowych niemal całkowicie wyparł akumulatory NiCd z rynku konsumenckiego, to wciąż istnieją niszowe obszary, w których ta technologia pozostaje niezastąpiona. Dzięki swojej odporności na przeładowanie, dużemu zakresowi temperatur pracy i niskiej rezystancji wewnętrznej, NiCd jest nadal stosowany tam, gdzie niezawodność ma absolutny priorytet.

Podsumowanie

Baterie i akumulatory niklowo–kadmowe stanowią ważny etap w historii rozwoju technologii magazynowania energii. Ich zasada działania opiera się na prostych, ale skutecznych reakcjach redoks między kadmem a tlenkiem niklu. Choć mają swoje wady — zwłaszcza toksyczność i efekt pamięciowy — to przez dziesięciolecia były filarem mobilnej elektroniki i przemysłu. Dziś ustępują miejsca nowocześniejszym i bardziej ekologicznym rozwiązaniom, lecz wciąż pozostają przykładem trwałej, solidnej technologii elektrochemicznej.