镍镉蓄电池的化学原理

镍镉蓄电池的化学原理
1、化学原理
Ni-Cd蓄电池使用氢氧化镍作为正极极板，氧化镉作为负极极板，结构类似于铅酸系统。

Ni-Cd系统的电解液是氢氧化钾。

NiOH正极通常由镍纤维混合石墨或镀镍塑料纤维组成，还加入了少量钡、钴化合物等其他材料来提高性能。

负极也常用镀镉塑料纤维组成。

如果负极不是带涂层的塑料，那么通常与铁或镍进行混合。

纤维结构增大了正极和负极的表面积，从而减少了相对昂贵的镍和镉的需求量。

电极总体放电反应如下：
2NiOOH+2H2O+Cd→2Ni（OH）2+Cd（OH）2
充电过程是该反应的逆向反应。

满充电池的电压为1.29V。

与铅酸蓄电池不同的是，铅酸蓄电池在充放电期间电解液比重发生可测量的变化，而Ni-Cd系统在蓄电池运行期间KOH电解液几乎没有变化。

一些蓄电池还在电解液中添加了LiOH，用于改善循环寿命和高温运行特性。

2、镍镉系统的特性
Ni-Cd蓄电池比铅酸蓄电池更稳定，可耐受冰点温度和高温，能够完全放电，并且受过充电的影响很小。

由于Ni-Cd蓄电池稳定的特性可使系统不使用充电控制器，在一些应用中Ni-Cd蓄电池可能是更好的选择。

如果该蓄电池准备用在难于维护的地点，那么蓄电池成本较高往往也是合理的。

最常见的工业Ni-Cd蓄电池是开口袋式极板类型。

这类蓄电池可
用在工业、军事和空间应用，上述特性对于这些应用十分重要，容量范围从小容量到超过1200A·h。

根据蓄电池是否按高、中或是低放电率设计，电极可有三种不同厚度。

蓄电池能量密度范围从袋式极板的20Wh/kg到塑料粘结极板的50Wh/kg以上。

不同于铅酸蓄电池在深放电条件下会损失容量，Ni-Cd系统在较宽温度范围内放电率最高可达到C，并且仍可向负荷提供90%以上的容量。

这主要归功于这种蓄电池内阻极低，而内阻取决于电池面积，可低于1mΩ。

如果Ni-Cd电池充电后搁置不用，在最初几天里电荷损失速率约为每天2%，但随后稳定在相对较低的损耗水平。

6个月内的典型总损耗约为20%，具体取决于蓄电池是高、中或低放电率，蓄电池放电率越高，在此期间电荷损失就越大。

电荷损失也依赖于温度，较高温度下损失率也越大，但是在-20℃的温度下几乎没有任何损失。

Ni-Cd蓄电池的使用寿命取决于如何使用，但是对放电深度的依赖性要低于铅酸蓄电池。

只要不在高温下长期使用，一块Ni-Cd蓄电池预期寿命至少为2000次循环。

因此，在特定应用和运行条件下，蓄电池可使用长达25年；而在频繁循环条件下，使用寿命减至8年。

所以Ni-Cd蓄电池使用寿命长于铅酸蓄电池两倍，这也是合理的。

Ni-Cd蓄电池充电方式可采用恒电流、恒电压或介于两者之间的方式。

这在光伏应用中特别有用，因为光伏阵列往往作为一个恒电流源，输出取决于当时的云覆盖情况。

如果镍镉蓄电池过充电，将出现
气体泄漏和电解液水分分解，从而需要更多的维护。

通常情况下，完成从满放到满充的充电过程要5～7h，每块蓄电池的充电电压为1.50～1.65V。

最高效率Ni-Cd蓄电池的安时充电效率接近85%。

目前已经出现密封式Ni-Cd蓄电池，但是成本还较高。

与开口式电池相比，其优势包括免维护运行、高放电率和高充电率，以及宽温度范围。

然而，现在这种蓄电池容量还比较小。

Ni-Cd蓄电池的缺点包括蓄电池荷电状态难于确定，镉的毒性使其在制造和退役期间产生了环境问题。

Ni-Cd蓄电池也比其他可充电蓄电池更昂贵。

随着电动汽车和混合动力汽车越来越流行，对高能量密度蓄电池的需求，可能导致镍镉技术被更低成本、更高能量密度的技术所取代。