3.金属氢化物镍(Ni-MH)电池材料
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28
负极材料——储氢合金
• 作为负极材料的贮氢合金是由A和B两种金属形成的 合金，其中A金属(La，Ti，Zr等)可以大量吸进氢气， 形成稳定的氢化物。而B金属(Ni,Co,Fe,Mn等)不能 形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就 是说，A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸 放氢气的可逆性。
11
铅蓄电池工作原理
• 充电：正､负极板上的PbSO4还原为PbO2和Pb，电解液中的 H2SO4不断增多，电解液密度不断上升｡
• 放电：正极板上的 PbO2和负极板上的Pb都与电解液中 的 H2SO4反应生成硫酸铅(PbSO4),沉附在正､负极板上｡在这 个过程中,电解液中的H2SO4不断减少,电解液密度不断下降｡
29
3. 镍氢电池的应用
• 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。
30
镍氢电池的发展
31
• 燃料电池也不需要像其它电池那样进行长时间的充 电，它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可。
17
燃料电池
• 它不需要燃烧、无转动部件、无噪声、运行寿命长、 可靠性高、维护性能好，实际效率能达到普通内燃 机的2至3倍，加之其最终产物又是水，真正达到清 洁、可再生、无排放的要求，是21世纪的首选能源。
24
正极材料
• 充电态活性物质NiOOH • 放电态活性物质是Ni(OH)2
Ni(OH)2为六方晶 系层状结构，其电 极的充放电反应即 为质子在NiO2层间 的脱出或嵌入反应
25
Ni(OH)2的晶体结构
• 各个晶型的活性物质都可以看作NiO2的层状堆积， 不同晶型，层间距和层间粒子存在着差异。
-Ni(OH)2六方 晶系存在无序和
5
1. 电池概述
• 定义：
➢ 一般狭义上的定义是将本身储存的化学能转成电能的装置， 广义的定义为将预先储存起的能量转化为可供外用电能的 装置。
• 分类
➢ 按电解液种类划分包括：碱性电池、酸性电池、中性电池、 有机电解液电池等；
➢ 按工作性质和贮存方式划分包括：一次电池、二次电池、 燃料电池等；
➢ 按电池所用正、负极材料划分包括：锌系列电池、镍系列 电池、铅系列电池、锂离子电池、二氧化锰系列电池、空 气（氧气）系列电池，如锌空电池等。
12
ห้องสมุดไป่ตู้ 思考题
• 为什么汽车电瓶蓄电池不能用锂电池代替？
1. 安全性 2. 大电流 3. 低温性能 4. 成本
13
镍镉电池
• 这种电池以氢氧化镍（NiOH）及金属镉（Cd）作 为产生电能的化学品。
• 和铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功 率200W/kg，循环寿命2000次，而且可以快速充电，
14
镍氢电池
• 氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分 别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污 染问题，且在工作过程中不会出现电解液增减现象。
• 镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都有 所提高，使用镍氢电池的电动汽车一次充电后的续 驶里程曾经达到过600公里，在欧美已实现了批量生 产和使用。
20
镍氢电池的组成
• 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。
镍氢电池正极活性物质 为Ni(OH)2（称NiO电 极），负极活性物质为 金属氢化物，也称储氢 合金（电极称储氢电 极），电解液为6mol/L 氢氧化钾溶液。
21
镍氢电池工作原理
• 电池的充放电过程可以看作是氢原子或质子从一个 电极移到另一个电极的往复过程。
伏特电堆
在该装置中，用浸泡在碱溶液中的布隔开两种金 属的堆积片，再以导线连接两端，产生电流。这 是我们今天所认识的电池的最初形式。
4
电池的历史
• 1836年，英国的Daniell发明锌─铜电池； • 1859年，法国的Plant试制成功铅酸蓄电池； • 1868年，法国的Leclanche研制成功锌—二氧化锰干电池； • 1895年琼格发明了镉-镍电池； • 1900年，爱迪生（Edison）研制成功铁-镍蓄电池； • 1988年，镍镉电池实现商品化； • 1992年，锂离子电池实现商品化； • 1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。
6
电池
电池的分类
化学电池 物理电池
一次电池 二次电池 燃料电池 太阳能电池 电容器电池
热电池
生物电池
醇解电池 微生物电池
镉镍电池 镍氢电池 铅酸电池 锂离子电池
7
电池的条件
• 要实现化学能向电能的直接转换，电池必须满足以 下条件：
➢ 必须把化学反应中得失电子或电子对偏移的过程限制在正极和负极两 个区域进行；
18
燃料电池
• 燃料电池由正负电极、催化层和电解质构成。 • 根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸型、质子
交换膜型、碱性型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型 等几种。
19
2. 镍氢电池
• 镍氢电池（Ni-MH）是由镍镉电池（NiCd battery） 改良而来的，以能吸收氢的金属代替镉（Cd）。
• 相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量，可达2900mAh • 较不明显的记忆效应，安全性高 • 较低的环境污染（不含有毒的镉） • 回收再用的效率比锂离子电池好，被称为是最环保的电池 • 镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%
➢ 两极间必须有具有离子导电的介质(电解质)； ➢ 电池中能量转换过程的电子传递必须经由外电路。
8
电池的构成
• 实用中的电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器 五部分构成。
9
电池常用性能指标
• 开路电压和工作电压 • 电池容量，电池放电时能提供的能量，常以符号C表
示，以A·h或mA·h为单位。 • 寿命和贮存期
有序两种形式，
结晶完好的 Ni(OH)2具有较 完整的晶体结构
α-Ni(OH)2结构被 称为是湍层（或
涡旋）结构，层
间距不完全一致， 可以有多种NiO2 层间距共存
26
Utilization, %
Ni(OH)2的尺寸
100 95 90 85 80 0.2C 75 1.0C 70 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Average size, m
10
铅蓄电池
• 铅蓄电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为 硫酸。铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和 容器等组成。
• 优点：可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率能 满足电动汽车的动力性要求。
• 缺点；比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶 里程较短；使用寿命短，使用成本过高。
15
锂离子电池
• 依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，锂离子 电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。
• 目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂 钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸 锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4）。
16
燃料电池
• 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能 通过电极反应直接转化为电能的发电装置，它的基 本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产 生电、水和热。
27
正极材料的改性
• 常见的镍电极改性剂包括Co, Zn, Cd, Li, Al, Ti, Mg, Mn, Zr, Cu, In, Ca, Sr和Ba等金属离子、氧化物或者 氢氧化物。
1. 提高活性物质的利用率； 2. 提高放电电位； 3. 提高使用寿命； 4. 改善镍电极的使用性能和大电流放电能力。
22
镍氢电池的类型
• 氢-镍电池可分为高压氢-镍电池和低压氢-镍电池两 类。
• 上世纪七十年代，发展高压氢-镍电池（H2-NiOOH）电池； • 八十年代，掀起金属氢化物-镍电池（低压氢-镍电池）(MH-
NiOOH)的热潮； • 九十年代，镍氢电池（MH-NiOOH）进入产业化（日本三
洋）。
23
电极反应的优势
• MH/Ni电池的正、负极上所发生的反应均属于固相 转变机制，不额外生成和消耗电解液组分，因此电 池的正、负极都具有较高的稳定性，可以实现密封 和免维护。
• MH/Ni电池一般采用负极容量过剩的配置方式，电 池在过充时，正极上析出的氧气可在金属氢化物电 极表面被还原成水；电极在过放时，正极上析出的 氢气又可被金属氢化物电极吸收，从而使得电池具 有良好的耐过充放能力。
金属氢化物镍(Ni-MH)电池材料
主要内容
• 电池概述 • 镍氢电池工作原理 • 镍氢电池的应用
2
原电池
• 通过氧化还原反应而产生电流的装置称为原电池
3
什么是电池？
• 通过电化学反应将电极材料的化学能直接转化为电 能的系统。
1799年，意大利物理学家伏特 （Volt）发明了人类历史上第一 套电池装置，划时代意义！
负极材料——储氢合金
• 作为负极材料的贮氢合金是由A和B两种金属形成的 合金，其中A金属(La，Ti，Zr等)可以大量吸进氢气， 形成稳定的氢化物。而B金属(Ni,Co,Fe,Mn等)不能 形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就 是说，A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸 放氢气的可逆性。
11
铅蓄电池工作原理
• 充电：正､负极板上的PbSO4还原为PbO2和Pb，电解液中的 H2SO4不断增多，电解液密度不断上升｡
• 放电：正极板上的 PbO2和负极板上的Pb都与电解液中 的 H2SO4反应生成硫酸铅(PbSO4),沉附在正､负极板上｡在这 个过程中,电解液中的H2SO4不断减少,电解液密度不断下降｡
29
3. 镍氢电池的应用
• 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。
30
镍氢电池的发展
31
• 燃料电池也不需要像其它电池那样进行长时间的充 电，它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可。
17
燃料电池
• 它不需要燃烧、无转动部件、无噪声、运行寿命长、 可靠性高、维护性能好，实际效率能达到普通内燃 机的2至3倍，加之其最终产物又是水，真正达到清 洁、可再生、无排放的要求，是21世纪的首选能源。
24
正极材料
• 充电态活性物质NiOOH • 放电态活性物质是Ni(OH)2
Ni(OH)2为六方晶 系层状结构，其电 极的充放电反应即 为质子在NiO2层间 的脱出或嵌入反应
25
Ni(OH)2的晶体结构
• 各个晶型的活性物质都可以看作NiO2的层状堆积， 不同晶型，层间距和层间粒子存在着差异。
-Ni(OH)2六方 晶系存在无序和
5
1. 电池概述
• 定义：
➢ 一般狭义上的定义是将本身储存的化学能转成电能的装置， 广义的定义为将预先储存起的能量转化为可供外用电能的 装置。
• 分类
➢ 按电解液种类划分包括：碱性电池、酸性电池、中性电池、 有机电解液电池等；
➢ 按工作性质和贮存方式划分包括：一次电池、二次电池、 燃料电池等；
➢ 按电池所用正、负极材料划分包括：锌系列电池、镍系列 电池、铅系列电池、锂离子电池、二氧化锰系列电池、空 气（氧气）系列电池，如锌空电池等。
12
ห้องสมุดไป่ตู้ 思考题
• 为什么汽车电瓶蓄电池不能用锂电池代替？
1. 安全性 2. 大电流 3. 低温性能 4. 成本
13
镍镉电池
• 这种电池以氢氧化镍（NiOH）及金属镉（Cd）作 为产生电能的化学品。
• 和铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功 率200W/kg，循环寿命2000次，而且可以快速充电，
14
镍氢电池
• 氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分 别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污 染问题，且在工作过程中不会出现电解液增减现象。
• 镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都有 所提高，使用镍氢电池的电动汽车一次充电后的续 驶里程曾经达到过600公里，在欧美已实现了批量生 产和使用。
20
镍氢电池的组成
• 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。
镍氢电池正极活性物质 为Ni(OH)2（称NiO电 极），负极活性物质为 金属氢化物，也称储氢 合金（电极称储氢电 极），电解液为6mol/L 氢氧化钾溶液。
21
镍氢电池工作原理
• 电池的充放电过程可以看作是氢原子或质子从一个 电极移到另一个电极的往复过程。
伏特电堆
在该装置中，用浸泡在碱溶液中的布隔开两种金 属的堆积片，再以导线连接两端，产生电流。这 是我们今天所认识的电池的最初形式。
4
电池的历史
• 1836年，英国的Daniell发明锌─铜电池； • 1859年，法国的Plant试制成功铅酸蓄电池； • 1868年，法国的Leclanche研制成功锌—二氧化锰干电池； • 1895年琼格发明了镉-镍电池； • 1900年，爱迪生（Edison）研制成功铁-镍蓄电池； • 1988年，镍镉电池实现商品化； • 1992年，锂离子电池实现商品化； • 1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。
6
电池
电池的分类
化学电池 物理电池
一次电池 二次电池 燃料电池 太阳能电池 电容器电池
热电池
生物电池
醇解电池 微生物电池
镉镍电池 镍氢电池 铅酸电池 锂离子电池
7
电池的条件
• 要实现化学能向电能的直接转换，电池必须满足以 下条件：
➢ 必须把化学反应中得失电子或电子对偏移的过程限制在正极和负极两 个区域进行；
18
燃料电池
• 燃料电池由正负电极、催化层和电解质构成。 • 根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸型、质子
交换膜型、碱性型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型 等几种。
19
2. 镍氢电池
• 镍氢电池（Ni-MH）是由镍镉电池（NiCd battery） 改良而来的，以能吸收氢的金属代替镉（Cd）。
• 相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量，可达2900mAh • 较不明显的记忆效应，安全性高 • 较低的环境污染（不含有毒的镉） • 回收再用的效率比锂离子电池好，被称为是最环保的电池 • 镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%
➢ 两极间必须有具有离子导电的介质(电解质)； ➢ 电池中能量转换过程的电子传递必须经由外电路。
8
电池的构成
• 实用中的电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器 五部分构成。
9
电池常用性能指标
• 开路电压和工作电压 • 电池容量，电池放电时能提供的能量，常以符号C表
示，以A·h或mA·h为单位。 • 寿命和贮存期
有序两种形式，
结晶完好的 Ni(OH)2具有较 完整的晶体结构
α-Ni(OH)2结构被 称为是湍层（或
涡旋）结构，层
间距不完全一致， 可以有多种NiO2 层间距共存
26
Utilization, %
Ni(OH)2的尺寸
100 95 90 85 80 0.2C 75 1.0C 70 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Average size, m
10
铅蓄电池
• 铅蓄电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为 硫酸。铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和 容器等组成。
• 优点：可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率能 满足电动汽车的动力性要求。
• 缺点；比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶 里程较短；使用寿命短，使用成本过高。
15
锂离子电池
• 依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，锂离子 电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。
• 目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂 钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸 锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（LiFePO4）。
16
燃料电池
• 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能 通过电极反应直接转化为电能的发电装置，它的基 本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产 生电、水和热。
27
正极材料的改性
• 常见的镍电极改性剂包括Co, Zn, Cd, Li, Al, Ti, Mg, Mn, Zr, Cu, In, Ca, Sr和Ba等金属离子、氧化物或者 氢氧化物。
1. 提高活性物质的利用率； 2. 提高放电电位； 3. 提高使用寿命； 4. 改善镍电极的使用性能和大电流放电能力。
22
镍氢电池的类型
• 氢-镍电池可分为高压氢-镍电池和低压氢-镍电池两 类。
• 上世纪七十年代，发展高压氢-镍电池（H2-NiOOH）电池； • 八十年代，掀起金属氢化物-镍电池（低压氢-镍电池）(MH-
NiOOH)的热潮； • 九十年代，镍氢电池（MH-NiOOH）进入产业化（日本三
洋）。
23
电极反应的优势
• MH/Ni电池的正、负极上所发生的反应均属于固相 转变机制，不额外生成和消耗电解液组分，因此电 池的正、负极都具有较高的稳定性，可以实现密封 和免维护。
• MH/Ni电池一般采用负极容量过剩的配置方式，电 池在过充时，正极上析出的氧气可在金属氢化物电 极表面被还原成水；电极在过放时，正极上析出的 氢气又可被金属氢化物电极吸收，从而使得电池具 有良好的耐过充放能力。
金属氢化物镍(Ni-MH)电池材料
主要内容
• 电池概述 • 镍氢电池工作原理 • 镍氢电池的应用
2
原电池
• 通过氧化还原反应而产生电流的装置称为原电池
3
什么是电池？
• 通过电化学反应将电极材料的化学能直接转化为电 能的系统。
1799年，意大利物理学家伏特 （Volt）发明了人类历史上第一 套电池装置，划时代意义！