Κύτταρο Νικελίου-Καδμίου (Κυψέλη NiCd)

Η μπαταρία νικελίου-καδμίου, συχνά γνωστή ως μπαταρία «NiCad», είναι μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία που χρησιμοποιεί μεταλλικό κάδμιο μαζί με υδροξείδιο του νικελίου ως ηλεκτρόδια του στοιχείου. Η μπαταρία NiCad έχει ποικίλους ρυθμούς εκφόρτισης ανάλογα με το μέγεθος της μπαταρίας. Παιχνίδια, αριθμομηχανές, μικροσκοπικοί κινητήρες συνεχούς ρεύματος και άλλες συσκευές χρησιμοποιούν συνήθως αυτήν την μπαταρία. Λειτουργεί με την ίδια αρχή με τις μπαταρίες συσσωρευτών μολύβδου. Ένα μέταλλο τυλίγεται με στρώματα καδμίου και διαχωρισμού και διατηρείται σε οξειδοαναγωγή έτσι ώστε η χημική αντίδραση να δημιουργεί την τάση συνεχούς ρεύματος. Οι μπαταρίες είναι από καιρό δημοφιλείς και όλο και περισσότερα χημικά εξαρτήματα χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας.

Κατασκευή κυττάρου νικελίου-καδμίου (κύτταρο NiCd)

Ακολουθεί μια λεπτομερής ανάλυση της σύνθεσης ενός κυττάρου νικελίου-καδμίου:

• Αποτελείται από τρία κύρια στρώματα:
  • Το στρώμα νούμερο ένα είναι κατασκευασμένο από νικέλιο και χρησιμεύει ως θετικός τερματικός συλλέκτης.
  • Το δεύτερο στρώμα λειτουργεί ως διαχωριστικό και παρέχει τροφοδοσία ιόντων ΟΗ. Αποτελείται από υδροξείδιο του καλίου ή υδροξείδιο του νατρίου.
  • Το τρίτο στρώμα είναι κατασκευασμένο από κάδμιο, το οποίο λειτουργεί ως συλλέκτης στρώματος αρνητικού ηλεκτροδίου.
• Διαθέτει επίσης μονωτικό δακτύλιο που λειτουργεί ως μονωτικό. Το εξωτερικό του περίβλημα προστατεύει το εσωτερικό από τη φθορά της μπαταρίας και την κατάχρηση.

Λειτουργία κυττάρου νικελίου-καδμίου (κύτταρο NiCd)

Η χημική αλληλεπίδραση μέσα στα στρώματα της μπαταρίας βρίσκεται στο επίκεντρο της λειτουργίας της μπαταρίας νικελίου-καδμίου. Η καταιγίδα, μια πηγή τάσης συνεχούς ρεύματος, έχει θετικές και αρνητικές θύρες. Το στρώμα του καδμίου διατηρείται στην οξειδοαναγωγή αρχικά κατά την κατασκευή της μπαταρίας.

Το στρώμα καδμίου παίζει το ρόλο του αρνητικού τερματικού. Το κάδμιο είναι ένα βαρύ μέταλλο με ισχυρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα στρώματα που ονομάζονται διαχωριστές τοποθετούνται πάνω από το στρώμα καδμίου.

Ο ρόλος του διαχωριστικού στρώματος είναι να παρέχει τα απαραίτητα ιόντα ΟΗ που απαιτούνται για τη χημική διαδικασία. Η αλληλεπίδραση εντός του αρνητικού στρώματος και του διαχωριστή απαιτεί ιόντα ΟΗ. Παράγει οξείδιο των ιόντων ΟΗ του νικελίου ως έξοδο. Το στρώμα διαχωρισμού είναι απαραίτητο για την παροχή των ιόντων ΟΗ που απαιτούνται για τη χημική αντίδραση. Το διαχωριστικό στρώμα εμποτίζεται σε νερό για να παρέχει H2O για την πρώτη αντίδραση.

Αργότερα, ως ένα από τα υποπροϊόντα, λαμβάνεται H2O. Το στρώμα καδμίου αναμιγνύεται επίσης με ιόντα ΟΗ που προέρχονται από το στρώμα διαχωριστή στην πλευρά της ανόδου. Ως αποτέλεσμα, παράγονται οξείδιο του καδμίου και ηλεκτρόνια. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρόνια και στις δύο εξισώσεις ακυρώνονται. Τα ιόντα ΟΗ είναι επίσης ισορροπημένα.

Η τρίτη εξίσωση, στην οποία το νικέλιο αναμιγνύεται με κάδμιο και νερό, παρέχει την εξίσωση υπενθύμισης. Παράγει οξείδιο του νικελίου και οξείδιο του καδμίου ως υποπροϊόν. Η χημική αντίδραση ακολουθείται από ροή ηλεκτρονίων, η οποία οδηγεί σε διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο τερματικών.

Πλεονεκτήματα των κυττάρων νικελίου-καδμίου (κύτταρο NiCd)

Αυτά τα κύτταρα έχουν ερευνηθεί καλά για μεγάλο χρονικό διάστημα και η ενεργειακή τους πυκνότητα είναι ήδη μέτρια. Το NiCd χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπου η παρατεταμένη διάρκεια ζωής, ο υψηλός ρυθμός εκφόρτισης και το χαμηλό κόστος είναι κρίσιμα. Τα αμφίδρομα ραδιόφωνα, ο βιοϊατρικός εξοπλισμός, οι επαγγελματικές βιντεοκάμερες και τα ηλεκτρικά εργαλεία είναι από τις πιο κοινές χρήσεις.

Ας δούμε μερικά ακόμη πλεονεκτήματα για να κατανοήσουμε τη σημασία του κυττάρου νικελίου-καδμίου.

• Μακροπρόθεσμα, αυτή η επαναφορτιζόμενη μπαταρία έχει περισσότερους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης από τις κανονικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.
• Ανέχεται μακροχρόνιες βαθιές εκκενώσεις
• Το ποσοστό αυτοεκφόρτισης είναι χαμηλότερο από αυτό των μπαταριών νικελίου-υδριδίου μετάλλου (NiMH) (20 τοις εκατό ανά μήνα έναντι 30 τοις εκατό ανά μήνα)
• Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, είναι ελαφρύτερες και πιο συμπαγείς. Όταν το μέγεθος και το βάρος είναι κρίσιμα, όπως στα αεροπλάνα, προτιμάται το NiCd.

Συμπέρασμα

Οι πρώτες εμπορικά προσβάσιμες μπαταρίες NiCd κυκλοφόρησαν στις αρχές του 1900, αφού εφευρέθηκαν στη Σουηδία από τον Waldemar Junger το 1899. Έκτοτε, οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου έχουν παίξει τεράστιο ρόλο στην τεχνολογική πρόοδο.

Το NiCd είναι μια αρχαία τεχνολογία. Οι νεότερες χημείες το έχουν καταστήσει πρακτικά άχρηστο σε όλες εκτός από λίγες βιομηχανικές εφαρμογές χαμηλού κόστους. Σε αυτό το άρθρο, μελετήσαμε τη λειτουργία, την κατασκευή και τα πλεονεκτήματα της κυψέλης νικελίου-καδμίου (κυψέλη NiCd). Βρείτε παρακάτω σημαντικές ερωτήσεις για τα κύτταρα νικελίου-καδμίου και τις λύσεις τους.