第6章 2012氢镍电池
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
氢原子在合金中的扩散步骤为控制步骤
M H2O e MHad OH
MHad -MHabs
固溶体
-MHabs -MH 金属氢化物
2MHad 2M H2
副反应
6.3.3 电池的密封
充放电过程中物质转换
MH-NiOOH电池正负极反应与气体流动示意图
Important properties of the alloy
• 1. Good hydrogen storage to achieve a high-energy density and battery capacity • 2. Thermodynamic properties suitable for reversible absorption/desorption • 3. Low hydrogen equilibrium pressure
• 粘结法 • 烧结法 • 泡沫电极法
6.5 MH-Ni电池的性能
• 充放电特性 • 温度特性
自放电特性和循环寿命
• 循环寿命 • 自放电特性
思考习题
• • • • 1.MH-Ni电池的工作原理? 2.贮氢合金的贮氢原理及分类 3.贮氢合金表面改性方法？ 4.什么是平台氢压？其值高低对电池性能有什 么影响？ • 5.理想的储氢合金电极具有哪些性质？储氢合 金电极性能衰减的主要模式？ • 6.MH-NiOOH电池的密封措施？与Cd-NiOOH电池 有何区别？
6.4 储氢合金电极
H2、液氢、金属氢化物的氢密度与含氢率
体积比较
固态储氢的优势：
1) 2) 3) 4) 体积储氢容量高 无需高压及隔热容器 安全性好，无爆炸危险 可得到高纯氢，提高氢的附加值
氢含量比较
0 1
Hydrogen storage capacity (wt%)
2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
6.4.1 贮氢合金的热力学原理
M H2O e MHad OH
一个压力器
• DPV (dependent pressure vessel) ：一个电池一
个容器，但容器的大面相互紧靠，相互支撑组成电 池组。
电池组成
• （1）压力容器 • （2）镍电极 • （3）氢电极 铂催化电极 活性炭作载体 聚四氟乙烯粘结的铂催化电极。
• （4）隔膜 石棉膜和氧化锆布.具有热稳 定性和具有贮存电解液的作用。氧化锆 布能够透过气体，称为双功能隔膜。 • （5）电解液 电解液为密度1.3g/cm3 的 KOH水溶液，添加一定量的LiOH。 • （6）电极组 ，背对背式和重复循环
Nickel-iron Batteries
RBiblioteka Baiduactions
Discharge-charge curve of an iron electrode.
Nickel-zinc Batteries
• 粉碎：氢碎法 机械粉碎法
电极性能下降模式
• 1. 合金的微粉化 • 2.氧化：对稀土类材料，充放过程中易发生某些元素 的偏析，偏析元素易被腐蚀，即发生氧化，失去储氢 性质.破裂后的新鲜表面进一步被氧化。
• 3. 贮氢合金电极的自放电 • 可逆自放电，不可逆自放电 • 温度
6.4.5 贮氢合金的表面处理技术
上压板 负汇流条
焊接圈
氢镍单体电池剖面结构示意图
• IPV (independent pressure vessel )： 独立容器
电池
• CPV (common presure vessel) ：共容器，每个
容器里有多个极组串联
• SPV (single pressrue vessel)：一个电池组共用
三、电池工作寿命
(service life)
• （1）镍电极膨胀 • (2 ） 密 封 壳 体 泄 漏 http://wenku.baidu.com/view/841c8cea 998fcc22bcd10d3b.html • （3）电解液再分配
6.3 金属氢化物-镍(MH-Ni)电池 Nickel- Metal Hydride batteries
低压氢镍蓄电池（氢原子电池）
6.2 高压氢-镍电池
6.2.1 高压氢镍电池的工作原理
(－) Pt，H2∣KOH(或NaOH) ∣NiOOH (＋)
Reactions
6.2.2 Structure of Ni-H Batteries
密封件 正极柱 压力容器 正汇流条 电极组 下压板 绝缘垫圈 负极柱 注入孔
MH-NiOOH Secondary Batteries
电池组成： (-)MH/KOH/NiOOH(+) 负极材料：储氢合金粉 正极材料：Ni(OH)2 单体电池电压：1.2V 循环寿命500-1000次 与镉镍蓄电池相比优点： 比能量高，为其1.5-2倍； 绿色环保； 无记忆效应； 可大电流充放电； 低温性能好
6.4.2 储氢合金
（hydrogen storage metal alloy）
• 是由易生成稳定氢化物的元素A（如 La,Zr,Mg,V,Ti等）与其他元素B（如 Ni,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Al,Cr 等）组成的 金属间化合物，它既可以大量储氢，也 可以释放储存的氢。
储氢合金分类
• • • • • AB5型：稀土镍系合金，如LaNi5 AB2型：Laves相合金，如ZrMn2 AB型： Ti-Ni系合金，如TiNi A2B型：镁基合金，如Mg2Ni V基固溶体型合金，如V0.8Ti0.2
Chapter 6
H2-NiOOH 电池 （Nickel- Hydrogen Batteries ）
MH-NiOOH 电池 （ Nickel-Metal Hydride Batteries ）
6.1 概述
高压氢镍蓄电池
• • • • 高比能量 循环寿命长 耐过充过放能力强 可通过氢压指示电池荷电状态
电池组成： (-)MH/KOH/NiOOH(+)
负极材料：储氢合金粉
正极材料：Ni(OH)2
单体电池电压：1.2V 循环寿命500-1000次
6.3.1 Characteristics
6.3.2MH-Ni电池的工作原理 Positive
Negative Overall reaction
Hydrogen reaction
6.4.3 贮氢合金电极的电化学容量
MH x
xF C 3.6M
F—法拉第常数；
M—贮氢材料的摩尔质量。
( mAh/g)
x( x H/M原子比)
6.4.4 储氢合金制备方法
• • • • • 1.电弧炉熔炼法 2.中频感应炉熔炼法 3.机械合金化法 4. 还原扩散法、共沉淀还原法 5.快速冷凝气流雾化法
• 1.化学处理法 化学处理法有酸、碱及氟化物处理法。 • 2.微包覆处理法 • 用化学镀的方法可以在合金粉表面包覆 一层厚度为微米级的金属膜，一般可包覆 一层铜、镍、镍-钴、铬或钯金属膜。 • 3. 热处理法 • 使沉积在晶界上的元素合金化提高抗氧化 能力和耐腐蚀能力。
6.4.6 贮氢合金电极的制造（自学）
• 4. High electrochemical reactivity • 5. Favorable kinetic properties for high-rate performance • 6. High oxidation resistance • 7. Stability, with repeated charge/ discharge cycles, in alkaline electrolyte
MHad -MHabs
-MHabs -MH
2MHad 2M H2
副反应
T1＜T2＜T3＜T4
氢压力 P4 T4 T3 T2
A
P3
P2 P1
T1
B
最大吸氢量
低--氢浓度--高
金属氢化物的PCT曲线
平台氢压（平衡氢压）
• 吸氢平台压力 吸氢时，首先形成固溶体 α-MHab，随着pH2的增加，M中的H浓度不 断提高，达到一定值后，开始生成β-MH， 在α相与β相共存时，理论上pH2不变。这 个氢气分压为平台氢压。 • 当β相完全形成时， pH2才开始上升。 • 释氢平台压力 放氢过程的逆过程。
气体扩散网 氢电极（Pt） 气体扩散网
隔膜 镍电极
氢电极（Pt）
隔膜 镍电极
（a）背对背式
（b）重复循环式
氢镍电池中电极对排列形式
6.2.3 高压氢镍电池的电性能 (performance characteristics)
一、氢-镍电池的充放电性能
二、自放电特性(self-discharge)
金属晶格中的晶格间位置
○—金属原子●—氢原子
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
用作电池材料需具备的条件
• 1.储氢容量高，温度影响小 • 2.平衡氢压适中0.02-0.5MPa，氢化生成热小于 6.226*104J/mol • 3.对氢的阳极氧化有电催化作用，且合金有较强 的抗氧化能力 • 4.在电液中稳定，耐腐蚀 • 5.充放电过程中不易粉化，不变形 • 6.导电、导热性好
M H2O e MHad OH
MHad -MHabs
固溶体
-MHabs -MH 金属氢化物
2MHad 2M H2
副反应
6.3.3 电池的密封
充放电过程中物质转换
MH-NiOOH电池正负极反应与气体流动示意图
Important properties of the alloy
• 1. Good hydrogen storage to achieve a high-energy density and battery capacity • 2. Thermodynamic properties suitable for reversible absorption/desorption • 3. Low hydrogen equilibrium pressure
• 粘结法 • 烧结法 • 泡沫电极法
6.5 MH-Ni电池的性能
• 充放电特性 • 温度特性
自放电特性和循环寿命
• 循环寿命 • 自放电特性
思考习题
• • • • 1.MH-Ni电池的工作原理? 2.贮氢合金的贮氢原理及分类 3.贮氢合金表面改性方法？ 4.什么是平台氢压？其值高低对电池性能有什 么影响？ • 5.理想的储氢合金电极具有哪些性质？储氢合 金电极性能衰减的主要模式？ • 6.MH-NiOOH电池的密封措施？与Cd-NiOOH电池 有何区别？
6.4 储氢合金电极
H2、液氢、金属氢化物的氢密度与含氢率
体积比较
固态储氢的优势：
1) 2) 3) 4) 体积储氢容量高 无需高压及隔热容器 安全性好，无爆炸危险 可得到高纯氢，提高氢的附加值
氢含量比较
0 1
Hydrogen storage capacity (wt%)
2 3 4 5
LaNi5H6
1.4wt%
per weight
TiFeH1.9
1.8wt%
Mg2NiH4
3.6wt%
Carbon nanotube (RT,10MPa 氢压)
0 1 2 3 4
4.2wt%
5
Hydrogen storage capacity (wt%)
6.4.1 贮氢合金的热力学原理
M H2O e MHad OH
一个压力器
• DPV (dependent pressure vessel) ：一个电池一
个容器，但容器的大面相互紧靠，相互支撑组成电 池组。
电池组成
• （1）压力容器 • （2）镍电极 • （3）氢电极 铂催化电极 活性炭作载体 聚四氟乙烯粘结的铂催化电极。
• （4）隔膜 石棉膜和氧化锆布.具有热稳 定性和具有贮存电解液的作用。氧化锆 布能够透过气体，称为双功能隔膜。 • （5）电解液 电解液为密度1.3g/cm3 的 KOH水溶液，添加一定量的LiOH。 • （6）电极组 ，背对背式和重复循环
Nickel-iron Batteries
RBiblioteka Baiduactions
Discharge-charge curve of an iron electrode.
Nickel-zinc Batteries
• 粉碎：氢碎法 机械粉碎法
电极性能下降模式
• 1. 合金的微粉化 • 2.氧化：对稀土类材料，充放过程中易发生某些元素 的偏析，偏析元素易被腐蚀，即发生氧化，失去储氢 性质.破裂后的新鲜表面进一步被氧化。
• 3. 贮氢合金电极的自放电 • 可逆自放电，不可逆自放电 • 温度
6.4.5 贮氢合金的表面处理技术
上压板 负汇流条
焊接圈
氢镍单体电池剖面结构示意图
• IPV (independent pressure vessel )： 独立容器
电池
• CPV (common presure vessel) ：共容器，每个
容器里有多个极组串联
• SPV (single pressrue vessel)：一个电池组共用
三、电池工作寿命
(service life)
• （1）镍电极膨胀 • (2 ） 密 封 壳 体 泄 漏 http://wenku.baidu.com/view/841c8cea 998fcc22bcd10d3b.html • （3）电解液再分配
6.3 金属氢化物-镍(MH-Ni)电池 Nickel- Metal Hydride batteries
低压氢镍蓄电池（氢原子电池）
6.2 高压氢-镍电池
6.2.1 高压氢镍电池的工作原理
(－) Pt，H2∣KOH(或NaOH) ∣NiOOH (＋)
Reactions
6.2.2 Structure of Ni-H Batteries
密封件 正极柱 压力容器 正汇流条 电极组 下压板 绝缘垫圈 负极柱 注入孔
MH-NiOOH Secondary Batteries
电池组成： (-)MH/KOH/NiOOH(+) 负极材料：储氢合金粉 正极材料：Ni(OH)2 单体电池电压：1.2V 循环寿命500-1000次 与镉镍蓄电池相比优点： 比能量高，为其1.5-2倍； 绿色环保； 无记忆效应； 可大电流充放电； 低温性能好
6.4.2 储氢合金
（hydrogen storage metal alloy）
• 是由易生成稳定氢化物的元素A（如 La,Zr,Mg,V,Ti等）与其他元素B（如 Ni,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Al,Cr 等）组成的 金属间化合物，它既可以大量储氢，也 可以释放储存的氢。
储氢合金分类
• • • • • AB5型：稀土镍系合金，如LaNi5 AB2型：Laves相合金，如ZrMn2 AB型： Ti-Ni系合金，如TiNi A2B型：镁基合金，如Mg2Ni V基固溶体型合金，如V0.8Ti0.2
Chapter 6
H2-NiOOH 电池 （Nickel- Hydrogen Batteries ）
MH-NiOOH 电池 （ Nickel-Metal Hydride Batteries ）
6.1 概述
高压氢镍蓄电池
• • • • 高比能量 循环寿命长 耐过充过放能力强 可通过氢压指示电池荷电状态
电池组成： (-)MH/KOH/NiOOH(+)
负极材料：储氢合金粉
正极材料：Ni(OH)2
单体电池电压：1.2V 循环寿命500-1000次
6.3.1 Characteristics
6.3.2MH-Ni电池的工作原理 Positive
Negative Overall reaction
Hydrogen reaction
6.4.3 贮氢合金电极的电化学容量
MH x
xF C 3.6M
F—法拉第常数；
M—贮氢材料的摩尔质量。
( mAh/g)
x( x H/M原子比)
6.4.4 储氢合金制备方法
• • • • • 1.电弧炉熔炼法 2.中频感应炉熔炼法 3.机械合金化法 4. 还原扩散法、共沉淀还原法 5.快速冷凝气流雾化法
• 1.化学处理法 化学处理法有酸、碱及氟化物处理法。 • 2.微包覆处理法 • 用化学镀的方法可以在合金粉表面包覆 一层厚度为微米级的金属膜，一般可包覆 一层铜、镍、镍-钴、铬或钯金属膜。 • 3. 热处理法 • 使沉积在晶界上的元素合金化提高抗氧化 能力和耐腐蚀能力。
6.4.6 贮氢合金电极的制造（自学）
• 4. High electrochemical reactivity • 5. Favorable kinetic properties for high-rate performance • 6. High oxidation resistance • 7. Stability, with repeated charge/ discharge cycles, in alkaline electrolyte
MHad -MHabs
-MHabs -MH
2MHad 2M H2
副反应
T1＜T2＜T3＜T4
氢压力 P4 T4 T3 T2
A
P3
P2 P1
T1
B
最大吸氢量
低--氢浓度--高
金属氢化物的PCT曲线
平台氢压（平衡氢压）
• 吸氢平台压力 吸氢时，首先形成固溶体 α-MHab，随着pH2的增加，M中的H浓度不 断提高，达到一定值后，开始生成β-MH， 在α相与β相共存时，理论上pH2不变。这 个氢气分压为平台氢压。 • 当β相完全形成时， pH2才开始上升。 • 释氢平台压力 放氢过程的逆过程。
气体扩散网 氢电极（Pt） 气体扩散网
隔膜 镍电极
氢电极（Pt）
隔膜 镍电极
（a）背对背式
（b）重复循环式
氢镍电池中电极对排列形式
6.2.3 高压氢镍电池的电性能 (performance characteristics)
一、氢-镍电池的充放电性能
二、自放电特性(self-discharge)
金属晶格中的晶格间位置
○—金属原子●—氢原子
Hydrogen on Tetrahedral Sites
Hydrogen on Octahedral Sites
用作电池材料需具备的条件
• 1.储氢容量高，温度影响小 • 2.平衡氢压适中0.02-0.5MPa，氢化生成热小于 6.226*104J/mol • 3.对氢的阳极氧化有电催化作用，且合金有较强 的抗氧化能力 • 4.在电液中稳定，耐腐蚀 • 5.充放电过程中不易粉化，不变形 • 6.导电、导热性好