镍氢电池

二﹑高压氢-镍电池
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
1.高压氢镍电池的工作原理
镍氢电池是以氢氧化镍作为正极，氢气作为负
极，氢氧化钾溶液做电解液。 (－) Pt，H2∣KOH(或NaOH) ∣NiOOH (＋)
2.氢镍单体电池结构
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 氢镍单体电池剖面结构示意图
烧结法
泡沫电极法
镍氢电池设计时，容量实际上是由正极限制的，
负极容量设计过剩，以保证过充电时候，正极产生 的氧气可以到负极反应，电池的内压不会有明显升 高。
五﹑MH-Ni电池的性能
充放电特性 温度特性
循环寿命
自放电特性
六、电池保存和恢复方法
镍氢电池和镍镉电池特性不同，保存方法不同。
-0.829 -0.829 0
四﹑储氢合金电极
H2、液氢、金属氢化物的氢密度与含氢率
固态储氢的优势：
1）体积储氢容量高 2）无需高压及隔热容器 3）安全性好，无爆炸危险 4）可得到高纯氢，提高氢的附加值
体积比较
氢含量比较
0 1
Hydrogen storage capacity (wt%)
5.贮氢合金的表面处理技术
化学处理法
化学处理法有酸、碱及氟化物处理法。
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。 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.贮氢合金电极的制造
粘结法
性能下降原因： 合金的微粉化 由于氢的多次吸收与释放，贮氢合金的晶格反复膨胀与 收缩，引起贮氢合金材料破裂成更细的粉末。
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。
贮氢合金电极的自放电
有两方面原因：一是电极的合金选用不当，即使在室温 下，氢也会释放出来；另一种是贮氢合金中某种金属元素的 化学性质在碱液中或氧气氛围中不稳定，易被腐蚀。
电极标准电位
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位 工作状态 镍电极 正常 氢电极 总反应 镍电极 过充电 氢电极 电池反应 总反应 镍电极 过放电 (反极) 氢电极 总反应 电 极 反 应
NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
E(V) +0.490 -0.820 1.319 +0.401 -0.829 ＋1.23

MHad -MHabs
固溶体
-MHabs -MH 金属氢化物
2MHad 2M H2
副反应
贮氢合金吸收和释放出氢的过程，最方便的表示方法是压力 －组成－等温线，即P-C-T曲线。合金吸收的氢原子占据金属晶 格中的空隙位置，其密度取决于H2的压力，根据Gibbs相律，温 度一定时，反应有一定的平衡压力。
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
Hale Waihona Puke Baidu
1.MH-Ni电池的工作原理
氢原子在合金中的扩散步骤为控制步骤
M H2O e MHad OH
MHad -MHabs
○—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：
储氢容量高，温度影响小
平衡氢压适中0.02-0.5MPa
对氢的阳极氧化有催化作用，且合金有较强的抗氧 化能力 在电液中稳定 充放电过程中不易粉化，不变形
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
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。
1/2H2 + OH- H2O + e1/2H2 + NiOOH Ni(OH)2 2OH- 2e- + 1/2O2 +H2O 2H2O + 2e- 2OH- + H2 氧氢化学复合 1/2O2 + H2 H2O 不发生 H2O + e- OH- +1/2H2 1/2H2 + OH- e- + H2O 不产生
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%)
1.贮氢合金的热力学原理
M H2O e MHad OH
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。
2.镍氢电池组件
镍氢电池由氢氧化镍正极，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。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。
低压氢镍蓄电池（氢原子电池）
镍氢电池
主要内容：
电池组成及工作原理
储氢合金材料
镍氢电池的优缺点 电池保存和恢复方法
重点：
蓄电池：工作原理
正极： Ni(OH)2 负极：储氢合金
一﹑概
1.电池组成
述
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：
上压板 负汇流条
焊接圈
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式
2.储氢合金
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）组成的金属键化合物，它既可以大量储氢，也可以释 放储存的氢。 MH -Ni电池的负极是储氢合金，储氢合金是一种能大 量吸收并释放氢的功能材料，其吸氢体积超过合金本身体积 的1000倍，吸氢密度为液氢的1.4倍以上。一般适用于Ni-MH 电池的储氢材料有两大系列：一类是以LaNi5稀土系储氢合 金；另一类是以TiNi2为主体的储氢合金。
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 储氢合金的共同特点是在低温低压下能够可逆 地吸收、释放氢。
金属晶格中的晶格间位置
镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是 基本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方 法，大概需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状 态。 镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右保存。 因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电， 防止运输周转时间太长，而电池没电受到影响。长 期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用 正确方法充放2－3次就可以恢复到最佳状态。
复习题
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？
Ni-Fe电池
电极反应：
电池反应：
铁电极充放电曲线
Ni-Zn电池
3.镍氢电池的优缺点及应用前景
它的初始成本较高，电池自放电速度较大，以及有
爆炸的可能性。
这种电池的突出优点是循环寿命长，1977年起在地
球同步轨道条件下工作寿命超过10年。此外，它承
受过充电和过放电的能力很强。
镍氢电池的前景十分乐观，随着研究工作的进展，
最终在航天领域内取代镉镍电池。
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
3.高压氢镍电池的电性能
1）氢-镍电池的充放电性能
2）自放电特性
3）电池工作寿命
（1）镍电极膨胀
（2）密封壳体泄漏
（3）电解液再分配
三﹑金属氢化物-镍(MH-Ni)电池
导电、导热性好
3.贮氢合金电极的电化学容量
MH x
xF C 3.6M ( mAh/g)
x( x H/M原子比)
F—法拉第常数；
M—贮氢材料的摩尔质量。
4.储氢合金制备方法
电弧炉熔炼法
快速冷凝气流雾化法 中频感应炉熔炼法 还原扩散法 反应烧结法 添加微量稀土元素法 粉碎：氢碎法 机械粉碎法
固溶体
-MHabs -MH 金属氢化物
2MHad 2M H2
副反应
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
镍氢电池的工作状态可以划分为三种： 正常工作状态、过充电状态和过放电状态。 在不同工作状态下，电池内部发生的电化学 反应是不同的。