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镍氢电池结构及储能原理
❖ 镍氢(MH-Ni)电池是在Ni-Cd电池的基础上发 展起来的，相对于镍镉电池，其最大的优点是环 境友好．不存在重金属污染。民用镍氢电池又是 以航天用高压镍氢电池为基础，由于高压镍氢电 池采用高压氢，而且还需要用贵金属作催化剂， 这就很难为民用所接受。自20世纪70年代中期 ，研究者开始探索民用的低压氢镍电池。镍氢电 池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本 开始规模生产。
2NiO2 +H2O
2NiOOH+
1 2
O2
❖ (2)镉电极的反应机理
❖ 镍镉电池的负极活性物质是海绵状金属镉，放电 产物是难溶于KOH溶液的Cd(OH)2。镉电极的 放电反应机理是溶解一沉积机理，放电时Cd被氧 化，生成Cd(OH)3－进入溶液，然后再形成 Cd(OH)2沉积在电极上。Cd(OH)3－在碱液中 的溶解度为9×10-5mol/L，该浓度可以使镉电 极具有较高的反应速率，这也是镍镉电池能够高 倍率放电的主要原因。 电极的放电机理为首先发 生OH－的吸附: Cd+OH Cd OH吸附 e
❖ 目前，以储氢合金为负极材料的镍氢电池能满足 混合动力电动汽车所要求的高能量、高功率、长 寿命和足够宽的工作温度范围要求动力电动汽车 动力电池市场的主流产品，同时该类电池也已经 广泛地应用在电子工具、电动自行车等日常生活 用品上。
❖ 1.镍氢电池结构
❖ 包括以镍的储氢合金为主要 材料的负极板、具有保液能 力和良好透气性的隔膜、碱 性电解液、金属壳体、具有 自动密封的安全阀及其他部 件。图示的圆柱形电池，采 用被隔膜相互隔离开的正、 负极板呈螺旋状卷绕在壳体 内，壳体用盖帽进行密封， 在壳体和盖帽之间用绝缘材 质的密封圈隔开。
❖ 随着电板电势不断升高，镉进一步氧化，生成 Cd(OH)3－进入溶液:
Cd OH吸附 2OH Cd(OH)3 2e
❖ 当界面溶液中Cd(OH)3－过饱和时，Cd(OH)2 就沉积析出:
Cd(OH)3 Cd(OH)2 OH
❖ 生成的Cd(OH)2附着在电极表面上，形成疏松 多孔的Cd(OH)2，有利于溶液中的OH－继续向 电极内部扩散，使内部的海绵状镉也通过溶解沉 积过程转化为Cd(OH)2实现内部活性物质的放 电。
❖ 储氢合金在进行吸氢／放氢化学反应(可逆反应) 的过程中，也伴随着放热／吸热的热反应(可逆反 应)，同时也产生充电／放电的电化学反应(可逆 反应)。具有实用价值的储氢合金应该具有储氢量 大、容易活化、吸氢／放氢的化学反应速率快、 使用寿命长及成本低廉等特性。
❖ 2.镍氢电池工作原理
❖ 镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时) 和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2( 放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30%的氢 氧化钾溶液．电化学反应如下：
❖ 正极充放电反应为 NiOOH+H2O e 放充电电 Ni(OH)2 +OH
❖ 负极充放电反应为 Cd+2OH 2e 放充电电 Cd(OH)2
❖ 电池总反应为 Cd+2NiOOH+2H2O 放充电电 Cd(OH)2 +2Ni(OH)2
❖ (1)镍电极反应机理
❖ 镍电极充电时，首先是电极中Ni(OH)2颗粒表面 的Ni2+失去电子成为Ni3+，电子通过正极中的导 电网络和集流体向外电路转移；同时Ni(OH)2颗 粒表面晶格OH－中的H+通过界面双电层进入溶 液，与溶液中的OH－结合生成H2O。上述反应先 是发生在Ni(OH)2颗粒的表面层，使得表面层中 质子H+浓度降低，而颗粒内部仍保持较高浓度的 H+。由于浓度梯度，H+从颗粒内部向表面层扩 散。
4OH- 4e O2 2H2O
❖ 因此,在充电过程中．镍电极上会有O2析出，但 这并不表示充电过程已全部完成。通常情况下， 在充电不久时镍电极就会开始析氧，这是镍电极 的一个特点。在极限情况下,表面层中生成的 NiO2并非以单独的结构存在于电极中，而是掺杂 在NiOOH晶格中。NiO2不稳定，会发生分解， 析出氧气。
❖ 镍电极充电时，由于质子H+在NiOOH／ Ni(OH)2，颗粒中扩散系数小，颗粒表面的质子 Fra Baidu bibliotek度降低，在极限情况下会降低到零，这时表面 层中的NiOOH几乎全部转化为NiO2。电极电势 不断升高，反应如下:
NiOOH+OH NiO2 +H2O e
❖ 由于电极电势的升高，导致溶液中的OH-被氧化 ，发生如下反应:
目录
第1章 电动汽车与动力电池发展历程 第2章 电动汽车动力电池基本知识 第3章 铅酸动力电池及其应用 第4章 碱性动力电池及其应用 第5章 锂离子动力电池及其应用 第6章 用于电动汽车的其他动力源 第7章 电动汽车电源管理系统
【引入】
❖ 碱性电池包含的电池类型广泛，现阶段在电动车 辆上应用最多的是镍氢电池。该种电池技术成熟 、比功率大、无记忆效应，是产业化生产的混合 动力电动汽车用动力电池的主体，也是至今量产 的电动汽车中应用量最大的电池种类。
1.碱性动力电池的储能原理与结构
1 镍镉电池结构及储能原理 2 镍氢电池结构及储能原理
镍镉电池结构及储能原理
❖ 镍镉电池(Ni-Cd，Nickel—Cadmiun Battery)因其碱性氢氧化物中含有金属镍和镉 而得名。
图4-1镍镉电池结构示意图
❖ 镍镉蓄电池的正极材料为球形氢氧化镍，充电时 为NiOOH,放电时为Ni(OH)2。负极材料为海绵 状金属镉或氧化镉粉以及氧化铁粉，氧化铁粉的 作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，增加极板的 容量。电解液通常为氢氧化纳或氢氧化钾溶液， 为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解 液中加入少量的氢量的氢氧化锂（大约每升电解 液加15~20g）。
❖ 本章将重点介绍镍氢电池的结构、工作原理、充 放电特性以及储氢合金的基本特性。
本章学习目标
❖ 1.掌握镍镉电池储能结构及原理 ❖ 2.掌握镍氢电池储能结构及原理 ❖ 3.掌握镍氢电池在电动汽车上的应用
第4章 碱性动力电池及其应用 1.碱性动力电池的储能原理与结构
2.碱性动力电池的性能及检测 3.碱性动力电池的应用