镍氢电池的化学原理及工艺流程

镍氢电池的化学原理及工艺流程镍氢电池的化学原理

镍氢电池采用Ni的氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液(主要为KOH)作为电解液.圆柱形和方形镍氢电池电化学原理和化学反应相同：

充电时，正极：Ni(OH)2– e-+OH-→NiOOH+H2O负极：MHn+ne-→M+n/2 H2

放电时，正极：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-

负极：M+n/2 H2→MHn+ne-。

镍氢电池的放电效率在低温会有显著的降低(如低于-15℃)，而在-20℃时，碱液达到起凝固点，电池充电速度也将大大降低。在低温充电低于0℃

会增大电池内压并可能使安全阀开启。为了有效充电，环境温度范围应在

5-30℃之间，一般充电效率会随温度的升高而升高，但当温度升到45℃以上，

高温下充电电池材料的性能会退化，电池的循环寿命也将大大缩短。

圆柱形Ni-MH电池只采用金属电池槽，一是因为电池槽本身与金属氢化物

负极连接在一起，可以作为负极极端；二是因为许多应用要求能够快速充电，

气体发生复合反应时，电池的内压很高，只有金属容器可以承受这种压力，而且不会发生太大的变形。最后金属电池槽聚砜密封环翻边与电池盖密封，

这种方法成本低，易于生产，而且可靠。

工艺流程：(以SC型为例

1.配方

1.1正极：氢氧化镍(

2.1.1和2.2.3)

氧化钴(可以形成导电网络，弥补氢氧化镍与金属集流体间较大的间距以及氢氧化镍本身电导率较低的不足)

添加剂

1.2负极：贮氢合金粉(3.1有具体讨论)

添加剂

1.3电解质：30%的KOH水溶液

17g/L的LiOH NaOH(为提高高温充电效率，将部分KOH替换为NaOH，但是会加重对金属氢化物活性物质的腐蚀，降低循环寿命)

2.正极制备

2.1烧结式

2.1.1调浆：纤维镍+导电剂CoO+CMC(2.5%)或MC+PVB造孔剂

2.1.2拉浆：将膏状物涂覆到基板(如冲孔镍带)

2.1.3烘干(挥发黏结剂)(75℃)

2.1.4在氮气/氢气环境下高温煅烧(880℃，烧结速度90m/h)

2.1.5化学浸渍或电化学浸渍(将NiOH沉积到烧结骨架中)

Ni(NO3)2浸渍密度1.62-1.65g/c㎡，含3%-5%Co(NO3)2

增重[(1.72-1.80)±0.007]g/cm2 2.1.6浸渍后的电极用电化学充/放电工艺进行预活化

2.1.7逆向水洗

2.1.8烘干(75℃)

2.1.9电极软化(成型厚0.58±0.05mm)

2.1.10极耳点焊

主要设计参数：

纤维镍骨架的强度和孔径

氢氧化镍活性物质的化学组成

活性物质的载入

有害物质(硝酸盐、碳酸盐等)的含量

2.2涂膏式

2.2.1泡沫镍基板制备

用电沉积或化学蒸汽沉积工艺。在聚氨酯泡沫上包覆一层镍，然后热处理，除去聚氨酯基体

2.2.2高密度球形氢氧化镍制备

采用沉积工艺制备，在氨水存在下，使金属盐(如硫酸镍)与氢氧化物(如NaOH)进行反应，镍源中还可添加钴和锌等添加剂来改善性能。通常组

成为Ni94Co3Zn3，Co的沉积是为了改善导电性，而且Co和Zn可以调整氧的电位，使微观结构更精细。振实密度(表征氢氧化镍干粉的填充效率)通常

为2.2g/c㎡ 2.2.3调浆：高密度球形氢氧化镍+导电剂CoO+黏结剂

2.2.4拉浆：用机械法将膏状物涂覆基板孔中

2.2.5轧压成型：通过物理法将含有平均粒径10μm的氢氧化镍膏状物载

入到泡沫骨架上(成型厚0.58±0.05mm)

2.3比较

2.3.1烧结式电极的倍率和功率性能最佳，但代价是质量比容量和体积比

容量的降低。烧结式生产工艺复杂、成本高，需投入较大资金在设施和设备上

2.3.2涂膏式电极易于生产、成本低，关键是泡沫镍基板和高密度球形氢

氧化镍，

2.3.3近期的研究使涂膏式电极进一步提高了电极的功率和高放电率性能，能达到烧结式电极的水平。

3.负极制备

3.1负极的活性物质可以是无定形AB5型(LaCePrNdNiCoMnAl)合金，或者

是无定形AB2(VTiZrNiCrCoMnAlSn)合金。

尽管AB5型合金的储氢能力(320 mAh/g)比AB2型(440 mAh/g)低很多，但

AB5型合金的使用却更为广泛，其优点是成本低，易于活化和成型，

电极生产工艺灵活，可高放电率放电。

金属氢化物活性物质不同的组成及结构能够满足特殊的设计要求。可以通

过调整活性物质的组成来改变比容量、比功率和/或循环寿命中的一个或几个参数。

典型的AB5型合金的组成为：

La5.7Ce8.0Pr0.8Nd2.3Ni59.2Co12.2Mn6.8Al5.2(原子百分数，%)

La10.5Ce4.3Pr0.5Nd1.3Ni60.1Co12.7Mn5.9Al4.7 AB5型合金的质量比容

量通常为290-320 mAh/g。

商品化的AB5型合金主要是CaCu5晶体机构

AB2型也有多种组成和加工工艺，常见组成有：

V18Ti15Zr18Ni29Cr5Co7Mn8 V5Ti9Zr26.7Ni38Cr5Mn16Sn0.3

V5Ti9Zr26.2Ni38Cr3.5Co1.5Mn15.6Al0.4Sn0.8 AB2合金的质量比容量为385-

450mAh/g。若合金中钒的含量增加，自放电率也会加大，因为钒的氧化物溶解时，伴随着一种特殊类型的氧化还原反应。

Co、Mn、Al、Sn的浓度对于改善活化和成型性能，延长寿命非常重要。

金属氢化物用作Ni/MH电池负极材料，还需满足一系列性能要求，包括储

氢能力、适中的金属-氢气键合强度、一定的催化活性和放电动力学，同时还要

具有抗氧化/腐蚀能力以保证一定的循环寿命。

国内一般采用的是铸态法的冷却方式，只有少数采用了甩带法的冷却方式，一般说来铸态方式冷却速度慢，活化快，但是寿命要差点，甩带方式则相反，

理论上说是甩带方式好于铸态方式。晶形，和粒径主要是影响到上粉，或

说是拉片，在合金粉直观的反映是松比和振实。一般来说振实高的更有利于做

高

容量的电池(同样的面积，上粉重量多，面密度大，不会影响要松紧度)。

电池厂家最应该测的一个是克容量(电池设计需要用到)，粒度组成(只要好

上粉/拉片就行)。

退火(也叫均匀化热处理，均质退火处理，简称均质化处理(Homogenization)，系利用在高温进行长时间加热，使金属内部的化学成分充

分扩散，因此又

称为『扩散退火』)。对贮氢合金的影响；1.消除合金结构应力；2，减少

组分偏析，使合金各个部分成分均匀；3，是倾斜的PCT曲线变平坦，降低合金平台压；

4，提高吸氢量，5，提高循环寿命。之所以退火就是因为合金在常规熔融

冷却后，会产生应力、成分不均一等，影响贮氢合金吸放氢性能以及电化学性能。