华南师范大学方形镍氢电池的制作与测试实验报告

华南师范大学实验报

告

学生姓名学号

专业新能源材料与器件年级、班级2014

课程名称化学与物理电源基础实验实验项目方形镍氢电池的制作与测试实验类型□√验证□设计□综合实验时间2016年4月26日

实验指导老师赵瑞瑞实验评分

1. 【实验目的】

1. 熟悉、掌握镍氢电池的结构及充放电原理；

2. 熟悉、掌握镍氢电池制造的一般工艺步骤及其工艺方法；

3. 熟悉、掌握镍氢电池的电池充放电性能测试方法。

2. 【实验原理】

镍氢电池的正极活性物质为Ni(OH) 2 ，负极为贮氢合金，正负电极用隔膜分开，根据不同使用条件的要求，采用KOH 并加入LiOH 或NaOH 的电解液。电池充电时，正极中Ni(OH) 2被氧化为NiOOH，而负极则通过电解水生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。放电时，正极中的NiOOH 被还原为Ni(OH) 2 ，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。电极反应如下：(“⇀”表示充电；“↽”表示放电)

正极：Ni(OH) 2+ OH-⇌NiOOH + H2 O + e-

负极：M + xH 2 O + xe- ⇌MHx + xOH-

实际应用中镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，但在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此如何消除这些气体关系到电池的密封问题。这可以通过优化电池设计得到解决，主要为采用用正极限制电池容量和电解液加入量的方法，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。其中，电解液的加入量以使电池处于一定的贫液状态，主要是为了正极析出的气体能构迁移到负极表面被反应掉，以利于实现氧在电池内部的循环和负极尽量不析出氢气。把正负电极的容量之比一般控制在1:1.3-1:1.4 之间，这样电池在充电末期和过充电时，正极析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为H 2 O，负极则因有较多的剩余容量而不容易析出氢气，从而保证电池具有合适的充电内压和电解液损耗率，最终保证电池的高循环寿命。充放电过程中，镍氢电池正负电极上发生的反应：(“⇀”表示充电；“↽”表示放电)

正极：Ni(OH) 2+ OH- ⇌NiOOH + H2 O + e-

过充电时: 4OH-- 4e- →2H2 0 + O 2

负极：M + xH 2 O + xe-⇌MH x + xOH-

过充电时：2H 2 O + O 2 + 4e-→4OH-

电池：xNi(OH) 2+ M ⇌NiOOH + MH x

正极活性物质用量,根据法拉第定律,其理论用量:Mo(g) = 3600MQ/ nF ,其中M- 摩

尔质量,n ——电极反应过程中得失电子数,Q ——所设计电池容量A·h 数,F—法拉第常数,96487C ,实际过程中要考虑利用率等因素,比计算值多10% —20%. 负极活性物质用量应考虑电池充电后期产生过量气体的影响,必须过量20%—50%。根据充放电时正负电极的反应不难看出，影响电池性能的因素是很多的，其中正负电极活性物质在反应过程中的稳定性能和反应活性，以及影响活性物质充分发挥作用的其它因素，包括制备电极时的辅助添加剂和粘结剂，组装电池时所使用的电解液、隔膜和密封材料

等，都对电池的性能具有很大的影响。

3. 【仪器与试剂】

1 3.1 实验仪器与工具

点焊机（焊接泡沫镍与镍条）；

压片机（压缩极板）；

烘箱（烘干电极板）；

计算机控制充放电仪器（测试电池盒性能，绘制伏安曲线图）；

有机玻璃（电池壳材料）；

锯子（切割有机玻璃）；

砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；

环氧树脂+固化剂（粘结剂）；

钻孔器（在电池壳上打孔）

2 3.2 实验试剂

（实验控制负极容量：正极容量=1.5:1）

氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量220mAh/g，本实验取200mAh/g，正极材料中活性物质占比90%）；

贮氢合金粉（负极活性物质, 放电比容量280mAh/g，本实验取200mAh/g，正极材料中活性物质占比95%）；

隔膜(PE 隔膜，作用：隔开正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道)；

60％（PTFE + CMC）粘结剂（在正极和负极粉总质量各占比5%）；

CoO 粉（提高极板导电性和物质反应可逆性）；

Ni 粉（提高极板导电性）；

8mol·L-1 KOH 混合电解液（98%KOH+2%LiOH）。

4. 【实验步骤】

根据电池的外壳尺寸和对性能的要求，确定正负极板和隔膜的尺寸以及活性物质的装填量，然后制备正负极板、裁制隔膜并配制电解液，再把正负极板与隔膜卷绕或折叠在一起放入电池壳中，加入适量的电解液后封口，最后把电池化成后检测性能。具体步骤如下：

4 .1 正负极板和隔膜的裁剪

4.1.1 根据电池比容量，裁剪正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm 共5 片，其中中级两片，负极3片，分别用电焊机焊接镍条，称量泡沫镍的质量，记录数据。

4.1.2 再根据泡沫镍的大小，剪出比泡沫镍略大的隔膜。

4 4 2 .2 正负极板的制备

4.2.1 正极板的制备

按Ni(OH) 2 90%与CoO5%和Ni5%的比例计算所需的质量，根据粉添加剂总质量，按5%比例计算所要添加粘结剂（PTFE + CMC，60％）质量。称取 5.487g Ni(OH) 2 固体粉末与0.3044 g CoO 和0.3011g 的Ni 粉添加剂混合均匀，再加入约1.5g 的粘结剂PTFE (0.5g)+ CMC （1g）

和适量的去离子水调制成浆，然后均匀涂覆在2 片泡沫镍上。

4.2.2 负极板的制备

按贮氢合金粉95%，Ni 粉5%的比例计算所需的质量，再根据以上总重量，按5%比例计算所要添加粘结剂（PTFE + CMC，60％）质量。称取5.032g 贮氢合金粉与和0.2507g Ni

粉混合，再加入约1.5g 的粘结剂PTFE(0.4656g)+ CMC(1.0663g）和适量的水调制成浆，然后涂覆到3 片泡沫镍。

4.2.3 烘干

把制备好的极板做好编号，置于烧杯中，于烘箱中约85℃烘干、一周后，取出用保鲜

膜包住并用压片机进行压片，称量，减去泡沫镍的质量，计算得到正负极的放电比容量。