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
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

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镍氢电池应用
动力电池
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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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电解液

性质：
无色透明液体，具有较强腐蚀性。
应用：
主要用于可充电镍氢电池的电解液。
规格：
溶质组成 KOH:LiOH:NaOH =40:1:3 （重 量比） 溶剂组成 ：水 OH-浓度 7mol/l
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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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。
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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
应急灯
网标灯
民用电信产品
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5.2 镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺
从狭义上讲，储氢材料是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质； 但是它与一般金属氢化物有明显的差异。即储氢材料必须具备高度的反 应可逆性，而且，此可逆循环的次数必须足够多，循环次数超过5000次。 实际上，它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢 的材料。 目前，用于镍氢电池负极储氢材料的主要是金属(或合金)储氢材料， 氢几乎可以同周期表中的各种元素反应，生成各种氢化物或氢化合物。 但并不是所有金属氢化物都能做储氢材料，只有那些能在温和条件下大 量可逆的吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料用。 储氢合金材料在镍氢电池中有着重要地位，因此研究储氢材料对提 高镍氢电池性能有着举足轻重的作用。
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。
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。
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点
工作原理（过充电）
OH 4e 2 H 2 O O2 氢氧化镍电极（正极）


吸氢电极（负极）
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
H 2 O O2 4e 4OH
氢氧化镍电极全充电态时产生的氧气，经过扩散在负极上 重新化合为水。既保持了电池内压的恒定，同时又使电液 浓度不致发生巨大变化。
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5.1 镍氢电池的工作原理、结构与特点 工作原理
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5.2 镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺
典型Ni/MH负极材料及特征
合金类型 AB5 AB2 AB A2B 固溶体 典型氢化物 LaNi5H6 ZrMn2H3 TiFeH2 Mg2NiH4 V0.8Ti0.2H0.8 吸氢质量 /% 1.3 1.8 2.0 3.6 3.8 电化学容量 mAh/g 348 482 536 965 1018 330 420 350 500 500
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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
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
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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
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。
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5.2 镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺
镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物。 用在镍氢电池的制造上，它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类， A是稀土元素的混合物（或者）再加上钛（Ti）；B则是镍（Ni）、钴 （Co）、锰（Mn），（或者）还有铝（Al）。而一些高容量电池的 “含多种成分”的电极则主要由AB2构成，这里的A则是钛（Ti）或者 钒（V），B则是锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴 （Co）、铁（Fe）和（或）锰（Mn）。所有这些化合物扮演的都是相 同的角色：可逆地形成金属氢化物。电池充电时，氢氧化钾（KOH） 电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避 免形成氢气（H2），以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时， 这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。
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5.2 镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺
对于理想的金属储氢材料应具备以下条件：
（1)合金贮氢容量高，不小于1wt%； （2）吸放氢电催化活性好, （3）在氢的阳极氧化电位范围内应具有较强的抗氧化能力; （4）在强碱性电解质溶液中，化学性质相对稳定; （5）反复充放电过程中，合金不易粉化; （6）充放电效率高; （7）循环使用寿命长； （8）具有良好的电和热的传导性; （9) 原材料成本低廉。
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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 2 H 2 O
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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
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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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隔膜

材质：维尼纶或者 PP（聚丙烯） 或者尼龙 厚度：一般为0.10～0.18mm
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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。
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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。