第5章 镍氢电池设计与制造工艺.
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。
镍氢储能电池制备工艺 项目指南
镍氢储能电池制备工艺项目指南下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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镍氢电池设计与制造工艺
MH NiOOH M Ni(OH )2
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理（过放电）
2 H O 2 e H 2 OH 氢氧化镍电极（正极） 2 2
吸氢电极（负极）
H 2 2OH 2e 2H 2O
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
正极
焊点：（约4～8个) 正极物质：球镍+亚钴+PTFE
正极基体：发泡镍（约1.6--1.7mm厚)，或冲孔镀镍 （0.06--0.08mm厚） 正极集流体：镍带（约0.1mm厚）
钢带
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
结构
由氢氧化镍正极，储氢合金 负极，隔膜纸，电解液，钢壳 ，顶盖，密封圈等组成。在圆 柱形电池中，正负极用隔膜纸 分开卷绕在一起，然后密封在 钢壳中的。在方形电池中，正 负极由隔膜纸分开后叠成层状 密封在钢壳中。
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
结构
正极: 活性物质（Ni（OH）2) 、溶剂、粘结剂、基体 。
剂、溶剂、导电剂、基体
、导电剂
粘合
负极： 活性物质（储氢合金粉)、 隔膜：PP+PE 电解液：KOH+LiOH 外壳：钢壳、盖帽、极耳
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
第五章 镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池_精品文档
二、镍氢电池类型 高压镍氢电池；低压镍氢电池
(-)Pt,H2KOH或NaOH NiOOH(+)
镍氢电池充电特性
第二阶段 经过一定时间后（C点），电解液中开始产生气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减小，所以电池的内阻抗增加，电池电压开始较快上升。这是接近充足电的信号。
镍氢电池充电特性
第三阶段 充足电后，充入电池的电流不是转换为电池的贮能，而是在正极板上产生氧气。氧气是由于电解液电解而产生的。在氢氧化钾和水组成的电解液中，氢氧离子变成氧、水和自由电子，反应式为 4OH―→O2↑+2H2O+4e― 虽然电解液产生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合，但是电池的温度仍显著升高。此外由于充电电流用来产生氧气，所以电池内的压力也升高。 由于从大量的氢氧离子中很容易分解出氧气，所以电池内的温度急剧上升，这样就使电池电压下降。因此电池电压曲线出现峰值（D点）。
3 镍氢电池的充放电特性
镍氢电池不同温度下的放电曲线
镍氢电池不同温度充电曲线
由图看出，环境温度越高，充电电压越低.
镍氢电池不同电流充电特性
由图看出，在较高电流充电后期必然出现充电电压下降和温度上升的现象，由此可以作为快速充电的控制方法，即用—ΔV和t控制；电流越大，充电电压越高.
镍氢电池IEC容量测试方法
镍氢电池开路电压：1.2V
镍氢各型号电池尺寸(圆柱型)与容量
系列
光身直径
标准高度(mm)
尖头高度(mm)
镍氢电池制作实验报告
方形765mAh镍氢电池的制备与性能表征一、引言（一）实验背景化学电源也就是通常所说的电池，是一类能够把化学能转化为电能的便携式移动电源系统，现已广泛应用在人们日常的生产和生活中。
电池的种类和型号(包括圆柱状、方形、扣式等)很多，其中，对于常用的电池体系来说，通常根据电池能否重复充电使用，把它们分为一次（或原）电池和二次（或可充电）电池两大类，前者主要有锌锰电池和锂电池，后者有铅酸、镍氢、锂离子和镍镉电池等。
除此之外，近年来得到快速发展的燃料电池和电化学电容器（也称超级电容器）通常也被归入电池范畴，但由于它们所具有的特殊的工作方式，这些电化学储能系统需特殊对待。
在这些电池的制备和使用方法上，有很多形似的地方，因此通过熟悉一种电池可以达到了解其它电池的目的。
本实验即通过制备一种扣式可充电的镍氢电池，并通过测试电池的性能，以此使同学们在电池制备及其性能表征等方面得到训练。
镍氢电池在20世纪90年代初实现了商业化。
与传统中在便携式用电器中广泛使用的镍镉电池相比，两者可具有相同的外形和很接近的充放电电压，因此使这两种电池在使用中具有交换性。
特别是，镍氢电池使用了贮氢合金作为负极活性物质，不但提高了电池的充放电容量，而且也消除了电池制备和寿命终结后可能产生的镉污染，因此这种电池被称为可替换镍镉电池的“绿色”电池而得到快速发展。
根据这种电池在原材料供应、性能特点等方面所具有的优势，十多年来它在小容量电池市场方面得到快速发展外，也有望作为动力电源在混合动力汽车和电动工具中得到应用。
（二）实验要求1、通过制备一种方形镍氢电池，了解化学电源的工作原理和制备方法。
2、通过对制备电池性能的测试，掌握表征电池性能的实验技术。
二、实验部分（一）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。
镍氢电池设计与制造工艺
镉电池小很多，因此，目前镍镉电池已逐渐被镍氢电池取代。
B
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镍氢电池应用
民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具 、动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。
电动工具
矿灯
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镍氢电池应用
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
正极
焊点：（约4～8个)
正极物质：球镍+亚钴+PTFE
正极基体：发泡镍（约1.6--1.7mm厚)，或冲孔镀镍 （0.06--0.08mm厚）
正极集流体：镍带（约0.1mm厚）
B
钢带
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3.8
B
348 482 536 965 1018
330 420 350 500 500
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
负极
负极基体：铜网、钢网（约
0.22~0.32mm厚)
负极物质：MH+HPMC+SBR
钢带（约0.04~0.08mm厚)
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
缺点:
1. 价格高于镍镉电池，负极材料为稀土合金材料； 2. 自放电速度大。
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
特性
① 电压 = 1.2V ② 能量∕重量 = 60-120 Wh/kg（瓦特小时/千克） ③ 能量∕体积 = 140-300 Wh/L（瓦特小时/升）即
镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池设计与制造工艺引言镍氢电池作为一种新型的绿色环保电池，具有高能量密度、长寿命、低自放电率等优点，在电动车辆、储能系统等领域有着广泛的应用前景。
本文将介绍镍氢电池的设计原理，并详细探讨其制造工艺。
镍氢电池设计原理镍氢电池是以氢化镍和氧化镍为正负极材料，通过化学反应释放和储存电能的电池。
其电池反应方程式如下：正极反应：Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e-负极反应：MH + H2O + e- → M + OH- + H2O整体反应方程式：Ni(OH)2 + MH → NiOOH + M镍氢电池的设计目标是实现正极和负极之间的电荷转移，在正负极材料之间建立电化学反应，从而产生电能。
设计时需要考虑正负极材料的选择、电解质的配方、电池壳体的结构和密封性等因素，以确保电池的性能和安全性。
镍氢电池制造工艺步骤镍氢电池的制造过程包括正负极材料的制备、电池组装和封装等步骤。
以下将详细介绍制造工艺的每个步骤。
1. 正负极材料的制备正极材料一般采用氧化镍（Ni(OH)2），负极材料采用金属氢化物（MH），如钛镍合金。
首先，将合适比例的化学品溶解在适当的溶剂中，通过搅拌和加热反应，使化学物质充分混合。
然后，将混合物进行过滤、洗涤和干燥，得到所需的正负极材料。
2. 电解质的配制电解质是镍氢电池中起重要作用的液体介质，通常由钾氢氧化物（KOH）或锂氢氧化物（LiOH）溶解在水中制备而成。
配制电解质时，需要精确控制其浓度和酸碱度，以满足电池的要求。
3. 电池组装电池组装是将正负极材料、电解质和其他辅助材料按照一定的顺序组装在一起的过程。
首先，在电池壳体中放入负极材料，再在负极材料上涂覆一层聚丙烯膜以防止短路。
然后，将正极材料与导电片连接，并放置在负极材料上。
最后，将电解质注入电池壳体中，确保正负极材料和电解质的充分接触。
4. 封装封装是保护电池内部结构，并防止电解质泄漏的重要步骤。
将电池组装好的壳体进行密封，在密封过程中可以采用焊接、螺纹连接或其他方式，确保电池的完整性和稳定性。
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。
第5章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
优点:
1. 2. 3. 4. 5. 能量密度高，是镍镉电他的1.5倍； 电池电压为1．2v—1．3v，与镍镉电池相当； 无记忆效应，循环寿命长 ； 可大电流放电，承受过充电、过放电能力强 ； 无污染，绿色环保电池 。
缺点:
1. 价格高于镍镉电池，负极材料为稀土合金材料； 2. 自放电速度大。
MH NiOOH M Ni(OH ) 2
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理（过放电）
2 H O 2 e H 2 OH 氢氧化镍电极（正极） 2 2
吸氢电极（负极）
H 2 2OH 2e 2 H 2 O
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
特性
① 电压 = 1.2V ② 能量∕重量 = 60-120 Wh/kg（瓦特小时/千克） ③ 能量∕体积 = 140-300 Wh/L（瓦特小时/升）即 504-1188kJ/kg（千焦耳/千克） ④ 功率∕重量 = 250-1000 W/kg ⑤ 自放电率 = 一般为每月 2-30%，见温度而定， 低自放电型号为每年10-30% ⑥ 充放电效率 = 66% ⑦ 充放电循环次数 = 500 -1800次
镍氢各型号电池尺寸(圆柱型)与容量
系列 AAAA AAA 光身直径 8.2 10.0 10.1 13.9 标准高度 (mm) 40.0 43.0 43.0 49.0 44.5-0.5 尖头高度(mm) 容量范围(mAh) 300以下 700以下 1000以下 1500以下
AA A SC C D F
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理
()MHx KOH (6M ) NiOOH()
氢氧化镍电极（正极）：NiOOH H 2O e Ni (OH )2 OH
吸氢电极（负极）：
电池池总反应：
MH OH e M H 2O
镍氢各型号电池尺寸(圆柱型)与容量
系列 AAAA AAA 光身直径 8.2 10.0 10.1 13.9 标准高度 (mm) 40.0 43.0 43.0 49.0 44.5-0.5 尖头高度(mm) 容量范围(mAh) 300以下 700以下 1000以下 1500以下
AA A SC C D F
14.1
16.5 22.0 25.2 32.2 32.2
50.0
50.0 43.0 49.0 60.0 90.0
50.5-0.5
2500以下
2500以下 3500以下
50.0-0.5 61.5-0.5
4500以下 9000以下 13000以下
电池高度可以根据客户的要求进行设计，直径一般不能更改。
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
第五章 镍氢电池设计与制造工艺
彭文杰
冶金与环境学院
中南大学 2013年
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
目录
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点 5.2 镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺
5.3 镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池应用
动力电池
《化学电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池型号尺寸
通常有A、AA、AAA、AAAA、AAAAA、SC、D、F等， 民用电池5号为AA电池，7号为AAA电池，1号为D 电池，2号为C电池。
AA大，AAA小
D型电池
SC电池
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《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池
氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活 性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。
镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多
30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍 氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。
MH NiOOH M Ni(OH )2
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理（过放电）
2 H O 2 e H 2 OH 氢氧化镍电极（正极） 2 2
吸氢电极（负极）
H 2 2OH 2e 2H 2O
过放电时，电池总反应的净结果为零，由于在正极上产生的 氢气会在负极上新化合，同样也保持了电池体系的稳定。
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理（过充电）
OH 4e 2H 2 O O2 氢氧化镍电极（正极）
吸氢电极（负极）
H 2 O O2 4e 4OH
氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受
能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体 的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。
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镍氢电池
镍氢电池的设计源於镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上， 有极大的进展。其主要的改变，在以储氢合金取代负极原来使用之镉， 因此镍氢电池说是材料革新的典型代表。 1982 年美国 OVONIC 公司请求储氢合金用於电极制造之专利 ,使 得此一材料受到重视,继之为 1985 年荷兰飞利浦公司突破了储氢合金 在充放电过程中容量衰减的问题，终使镍氢电池脱颖而出。目前在日 本有 8 家以上镍氢电池制造厂，德国，美国，香港，台湾亦有镍氢电 池生产,市场反应良好。而且镍氢电池所造成之污染，会比含有镉之镍 镉电池小很多，因此，目前镍镉电池已逐渐被镍氢电池取代。
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
镍氢电池应用
民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具 、动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。
电动工具
矿灯
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镍氢电池应用
应急灯
网标灯
民用电信产品
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
《化学电源设计与制造工艺学》-第五章 镍氢电池设计与制造工艺
发明人
Stanford Ovshinsky
Stanford Ovshinsky 可能并不是家喻户晓的名字，但确是改变历史的人， 他发明的镍金属氢化物电池已经改变了我们的生活。在他50年的工作生 涯中，共为美国提供了400多项技术专利，涵盖镍 Stanford Ovshinsky 氢电池，氢燃料电池，和薄膜太阳能电池等各方面。 1960年，斯坦福和他的妻子艾丽斯成立了能量转化设备公司（ECD），专 门致力于开发能源相关的东西，而所有的产品都被关于Ovonics的标签。 当然，在斯坦福所有的发明中，最优秀的莫过于镍氢反应电池。这是一 款可用于为混合型汽车充电的便携电池，同时它也非常地环保。通用EV1 汽车就采用了这种电池。
5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点 工作原理
电解质 主要为KOH作电解液（电解质7moL/L KOH+15g/L LiOH） 充电时 正极反应：Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e负极反应：M + H2O + e- → MH + OH总反应：M + Ni(OH)2 → MH + NiOOH 放电时 正极：NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH负极：MH + OH- → M + H2O + e总反应：MH + NiOOH → M + Ni(OH)2 以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。 最常用储氢合金为LaNi5。