《新能源材料》新型二次电池材料(课堂PPT)
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➢镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右保 存。新的镍氢电池有一些电，厂家已经预充电，防 止运输周转时间太长电池受到影响。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。
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3种工作状态：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位
工作状态
电极反应
镍 电 极 N iO O H + H 2O + e - N i(O H )2+ O H -
正常
氢 电 极 1 /2 H 2 + O H - H 2O + e-
总 反 应 1 /2 H 2 + N iO O H N i(O H )2
过充电
过放电 (反 极 )
镍 电 极 2 O H - 2 e- + 1 /2 O 2 + H 2O
第1篇 新型二次电池材料
第1章 新型二次电池概述 第2章 金属氢化物镍电池材料 第3章 锂离子电池材料
1
第1章 新型二次电池概述
电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能-----电能之间转换的储能装置。
2
电池的应用
3
一次电池只能放电一次。 二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池。
一次电池
锌锰干电池 银锌纽扣电池
电池
锂原电池 铅酸电池
二次电池镍氢电池来自锂离子电池41800年伏打首先制成了伏打电池。 1836年英国化学家发明了古典原电池。 1865年法国化学家发明了第—个干电池。 现代的干电池不过是其改进。
5
1.1 锌锰干电池 锌锰干电池结构图
6
1.2 铅蓄电池
电池组成： 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正 极)浸入30％（密度为1.2—1.3 g/cm3）的硫酸水溶液所组成。 铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压 降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必须 充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源， 用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、拖拉机、坦 克的照明光源。
7
铅蓄电池的电极反应
8
9
10
发展中的新型二次电池
镍氢电池
锂离子电池
11
1.3 金属氢化物镍电池
镍氢电池是新型的二次电池。 20世纪60年代末，发现储氢合金。储氢 合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、 热效应等。 1974年开始储氢合金作为二次电池负极 材料。 1987年试生产镍氢电池。 1990年，镍氢电池商业化。
+ 0 .4 0 1 -0 .8 2 9 ＋ 1 .2 3
-0 .8 2 9 -0 .8 2 9
0
当电池充满电后再继续 充电属于过充，由于正 极Ni(OH)2已基本全部 转化为NiOOH，电池 电位在此一温度达到平 衡值（最大值），此时 外部的恒定电流过充使 OH-氧化而产生氧气。
该反应产生的热量很 多，是导致电池整个体 系温度升高。故此时温 度存在急剧上升的现象。
16
3）结构
圆柱形Ni／MH电池的结构示意
17
在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，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。
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长期不用的电池保存和恢复方法
➢镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。
➢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。采用正确充电方 法，需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状态。
能量密度低 不太安全
液化储氢：
能耗高，常压下氢必须降温到摄氏零下 253℃才会变成液体
对储罐绝热性能要求高，保护层隔热设 备—托瓦瓶，防止液氢沸腾汽化。
液氢易逸散渗漏，会酿成火灾和爆炸事故。
25
固态储氢的优势：
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
镍氢电池的反应
23
氢能开发
氢是自然界中最普遍的元素，资源 无穷无尽－不存在枯竭问题
氢和氧结合生成水。 －不存在污染问题，可
循环利用
1g氢燃烧后放出143 kJ热量。 －热值高
氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电 氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物
24
不同储氢方式的比较
气态储氢：
20
图8 Ni／MH电池典型的温度曲线
21
镍氢电池的优、缺点
循环寿命长，充放电 500次。 电池自放电速度较大，大电流快速充放电。 Ni／MH电池工作电压1.2V，与Ni／Cd电池具
有互换性等独特优势。 绿色电池，镍氢电池前景乐观，取代镍镉电池。 初始成本较高。 有爆炸的可能性。
22
26
氢的储存方法-用某些金属或合金来储存氢
➢氢的奇特性质，它会与某些过渡金属或合金形成金属氢化物。
➢常温下，1体积海绵钯可吸收900体积氢气，1体积胶体钯可 吸收1200体积氢气，1体积胶状铑能吸收2900体积氢气。
氢电极 电池反应
2H 2O + 2e- 2O H - + H 2 氧氢化学复合
1 /2 O 2 + H 2 H 2O
总反应 不发生
镍 电 极 H 2O + e- O H - + 1 /2 H 2
氢 电 极 1 /2 H 2 + O H - e- + H 2O
总反应 不产生
E (V ) + 0 .4 9 0 -0 .8 2 0 1 .3 1 9
14
2） 电极材料 正极材料—球形Ni(OH)2
正极材料 Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH电池正 极使用的活性物质。
电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被 氧化成Ni3+
电极放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2， Ni3+还 原成Ni2+ 。
15
负极材料－储氢合金(MH)
用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件： (a) 电化学储氢容量高； (b) 在热碱电解质溶液中合金组分化学性质相对稳定； (c) 反复充放电过程中合金不易粉化； (d) 合金应有良好的电和热的传导性； (e) 原材料成本低廉。
12
镍氢电池由正极，负极，隔膜纸，电解液，钢 壳，顶盖，密封圈等组成；
氢氧化镍正极，储氢合金负极；正负极用隔膜 纸分开卷绕在一起，密封在钢壳中；
电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。 KOH不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电 极反应；
利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应。
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1）工作原理
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3种工作状态：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位
工作状态
电极反应
镍 电 极 N iO O H + H 2O + e - N i(O H )2+ O H -
正常
氢 电 极 1 /2 H 2 + O H - H 2O + e-
总 反 应 1 /2 H 2 + N iO O H N i(O H )2
过充电
过放电 (反 极 )
镍 电 极 2 O H - 2 e- + 1 /2 O 2 + H 2O
第1篇 新型二次电池材料
第1章 新型二次电池概述 第2章 金属氢化物镍电池材料 第3章 锂离子电池材料
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第1章 新型二次电池概述
电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能-----电能之间转换的储能装置。
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电池的应用
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一次电池只能放电一次。 二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池。
一次电池
锌锰干电池 银锌纽扣电池
电池
锂原电池 铅酸电池
二次电池镍氢电池来自锂离子电池41800年伏打首先制成了伏打电池。 1836年英国化学家发明了古典原电池。 1865年法国化学家发明了第—个干电池。 现代的干电池不过是其改进。
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1.1 锌锰干电池 锌锰干电池结构图
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1.2 铅蓄电池
电池组成： 由金属铅板(负极)和紧附着二氧化铅的铅板(正 极)浸入30％（密度为1.2—1.3 g/cm3）的硫酸水溶液所组成。 铅蓄电池充电后电压可达2.2伏；放电后电压下降，当电压 降至l.25伏时(这时溶液密度为1.05 g/cm3 ) 不能再使用，必须 充电。铅蓄电池用于汽车、小型电动机车作为启动电源， 用于实验室作为常用电源，还广泛用于飞机、拖拉机、坦 克的照明光源。
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铅蓄电池的电极反应
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发展中的新型二次电池
镍氢电池
锂离子电池
11
1.3 金属氢化物镍电池
镍氢电池是新型的二次电池。 20世纪60年代末，发现储氢合金。储氢 合金在吸放氢的过程中伴有电化学效应、 热效应等。 1974年开始储氢合金作为二次电池负极 材料。 1987年试生产镍氢电池。 1990年，镍氢电池商业化。
+ 0 .4 0 1 -0 .8 2 9 ＋ 1 .2 3
-0 .8 2 9 -0 .8 2 9
0
当电池充满电后再继续 充电属于过充，由于正 极Ni(OH)2已基本全部 转化为NiOOH，电池 电位在此一温度达到平 衡值（最大值），此时 外部的恒定电流过充使 OH-氧化而产生氧气。
该反应产生的热量很 多，是导致电池整个体 系温度升高。故此时温 度存在急剧上升的现象。
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3）结构
圆柱形Ni／MH电池的结构示意
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在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，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。
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长期不用的电池保存和恢复方法
➢镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。
➢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。采用正确充电方 法，需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状态。
能量密度低 不太安全
液化储氢：
能耗高，常压下氢必须降温到摄氏零下 253℃才会变成液体
对储罐绝热性能要求高，保护层隔热设 备—托瓦瓶，防止液氢沸腾汽化。
液氢易逸散渗漏，会酿成火灾和爆炸事故。
25
固态储氢的优势：
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
镍氢电池的反应
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氢能开发
氢是自然界中最普遍的元素，资源 无穷无尽－不存在枯竭问题
氢和氧结合生成水。 －不存在污染问题，可
循环利用
1g氢燃烧后放出143 kJ热量。 －热值高
氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电 氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物
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不同储氢方式的比较
气态储氢：
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图8 Ni／MH电池典型的温度曲线
21
镍氢电池的优、缺点
循环寿命长，充放电 500次。 电池自放电速度较大，大电流快速充放电。 Ni／MH电池工作电压1.2V，与Ni／Cd电池具
有互换性等独特优势。 绿色电池，镍氢电池前景乐观，取代镍镉电池。 初始成本较高。 有爆炸的可能性。
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氢的储存方法-用某些金属或合金来储存氢
➢氢的奇特性质，它会与某些过渡金属或合金形成金属氢化物。
➢常温下，1体积海绵钯可吸收900体积氢气，1体积胶体钯可 吸收1200体积氢气，1体积胶状铑能吸收2900体积氢气。
氢电极 电池反应
2H 2O + 2e- 2O H - + H 2 氧氢化学复合
1 /2 O 2 + H 2 H 2O
总反应 不发生
镍 电 极 H 2O + e- O H - + 1 /2 H 2
氢 电 极 1 /2 H 2 + O H - e- + H 2O
总反应 不产生
E (V ) + 0 .4 9 0 -0 .8 2 0 1 .3 1 9
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2） 电极材料 正极材料—球形Ni(OH)2
正极材料 Ni(OH)2是涂覆式Ni／MH电池正 极使用的活性物质。
电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被 氧化成Ni3+
电极放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2， Ni3+还 原成Ni2+ 。
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负极材料－储氢合金(MH)
用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件： (a) 电化学储氢容量高； (b) 在热碱电解质溶液中合金组分化学性质相对稳定； (c) 反复充放电过程中合金不易粉化； (d) 合金应有良好的电和热的传导性； (e) 原材料成本低廉。
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镍氢电池由正极，负极，隔膜纸，电解液，钢 壳，顶盖，密封圈等组成；
氢氧化镍正极，储氢合金负极；正负极用隔膜 纸分开卷绕在一起，密封在钢壳中；
电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。 KOH不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电 极反应；
利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应。
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1）工作原理