镍氢电池综述报告

能源化学工程专业小学期实践作业

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二次电池：镍氢电池领域综述报告

前言：

镍氢电池作为当今迅速发展起来的一种高能绿色充电电池，凭借能量密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。接下来将对这一领域的历史背景、前人工作、争论焦点、研究现状与发展前景等方面作出一个较为详尽分析和报告。

关键词：镍氢电池、电极材料、电化学、用途与特性研究、HEV、市场现状及个人看法

正文：

镍氢电池发展历史与现状

镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。

镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪六十年代末，人们就发现了一种新型功能材料储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢镍氢蓄电池形象地称为“吸氢海绵”。其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中，反复冲放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发明了镍氢电池。储氢合金的主要来源是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70%以上，发展镍氢电池具有得天独厚的优势。

我国通过该项目的实施，使镍氢电池的装备水平得到了大大的提高，由过去的手工操作跨越到连续化，自动化大规模生产，明显地提高了电池的均匀性和综合性，满足了移动通讯，便携式电脑，电动工具以及电动车辆对电池的需要。同时，通过该项目的实施，促进了中国镍氢电池与材料、设备、检测仪器，下游产品等相关企业的相互协作，明显提高了总体产业的生产能力，技术水平和竞争能力，为镍氢电池产业的发展和产品打入国际市场铺平了道路。

镍氢电池现主要应用于混合电动车。2011年HEV市场占56%，零售市场占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。HEV用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为Primearth电动车能源公司和三洋电机。我国镍氢电池增长乏力，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况。

镍氢电池的技术特性

反应原理

电解质：主要为KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）

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。

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再加上钛；B则是镍、钴、锰，

还有铝。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则是钛或者钒，B则是锆或镍，再加上一些铬、钴、铁和锰。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。

现阶段镍氢电池研究重点

1 无钕贮氢合金及无钕镍氢电池

本研究利用成分及工艺优化，制备出了性能优良的无钕贮氢合金，将电池的容量衰减率较过去减少了33%，而低温性能也有了很大提升，低温条件下放电能力比普通镍氢电池多

放出6%。

2 宽温区镍氢电池

在一些特殊条件下，如野外军用电台、飞机和坦克等军事装置及非常寒冷的地区，要求在-40℃的环境下放电。为了解决这些问题，研究机构在无钕贮氢合金开发成功的基础上开

发了宽温区镍氢电池，这种电池在低温条件下工作可靠。

3 钒钛贮氢合金

近年来，随着各类新能源汽车的发展，对高容量贮氢合金的需求更加迫切。传统贮氢合金采用纯钒制备而成，金属钒价格十分昂贵，而含钛的钒合金是获得相对较低成本、高容量钒基固溶体贮氢合金的基础。四川大学在此方面的研究工作取得了较大的进展。

4 钒基贮氢电极合金

目前，已商业化的镍氢电池负极材料主要是稀土AB5这种合金容量只有300mAh/g左右。钒基固溶体型贮氢合金最大的问题是在碱液中的电化学催化活性较差。最近的工作发现，温度对钒基固溶体型贮氢合金电极放电性能的影响非常大。升高环境温度（小于80℃）可

以使钒基贮氢合金放出大量容量，预示着这种合金有可能成为高能量密度的一次或二次镍氢电池负极材料。

5 PAA碱性聚合物电解质薄膜

目前，研究人员采用了很多方法试图降低镍氢电池负极材料的腐蚀程度，但成效都不明显。固体电解质尤其是以聚合物为主体的固体电解质由于无液漏问题、易成型等优点，越来越受到人们的重视。其中聚丙烯酸(PAA)碱性聚合物电解质是一类具有高电导率的电解质。因此针对含镁合金电极存在的问题，使用PAA碱性聚合物电解质取代碱性水溶液，可制造

具有高能量密度的聚合物镍氢电池。

镍氢电池应用前沿--------HEV

随着经济水平的发展，汽车的保有数量急剧增加，能源和环境问题变得日益严重。开发和推广电动汽车等清洁能源汽车已成为世界各国争相研究的课题。

以内燃机蓄电池共同驱动的混合动力车（HEV）首选的蓄电池采用的就是镍氢电池。

镍氢电池具有比功率高、耐过充过放、可快速充电及寿命长和无污染等特点。

下面介绍车用镍氢电池的技术特点与难点：

1.α型Ni（OH）2的镍氢电池体系

因其在向γ型NiOOH转化电子数多于β型间的电子数，一直是新材料研究的热点，同时α型在向γ型转化时膨胀系数小被认为是最理想的镍氢电池正极材料。其弱点是在强碱溶液中的不稳定性，易陈化转化成β氢氧化亚镍；同时其松装密度太小，无法实现填充的需要，解决这两个问题将是技术发展研究的重点。

2.AB2型贮氢合金粉在镍氢电池体系

AB2型贮氢合金粉被认为是理想的负极材料，420mAh/g的克容量一直是研究热点，但其使用寿命较短和低温下性能较差，同样影响它在镍氢电池体系的使用，有针对性地开展提高这两项技术的研究是重点。

3.电池宽温度范围

通过在正极中添加Ca、Y、Er、Ti、Tm的氧化物以及对电解液的组成和配比进行研究，提高镍电极的析氧过电位来提高电池在高温下的充电接受能力，特别是大电流时的充电效率，从而减少体系中因氧气产生、复合而引起的热效应；电池制作中降低体系的内阻，减小电化学极化，浓差极化和欧姆极化以减少相应热量的产生。降低单体电池的厚度，设计适当的电池间隙并配以冷却系统以利于电池热量的散发，同时配备热管理系统。选择钴含量高的贮氢合金，降低负极析氢平台压力，也是电池高温性能应用的主要解决方法。电池在低温时使用的主要问题是负极。采用富镧型的贮氢合金，同时采用低钴合金与高钴合金混合使用，可以有效改善负极在低温下的性能。

4.电池快速充电技术

电池要进行快速充电就必须解决电池内压和发热问题。降低电池内压，就要提高正极析氧过电位，提高正极充电效率，抑制正极充电产生的氧气。可以通过在正极中添加钴类添加剂、在电解液中加入提高正极充电效率的物质，提高负极预留容量和对负极进行表面处理都是降低电池内压的有效途径。调整电池预充容量，提高负极活化后的容量和电池负极预充量和预留量，使负极预留量保持较高比例，使负极在正极过充时保持良好的吸附氢能力，提高正极充电效率和在组合结构上设置冷却装置也是解决发热问题提高电池充电速度的方法。5.电池组结构优化、组合设计研究

在汽车上使用单体电池以串联形式组合，结构十分紧凑，但需充分考虑电池的散热。在电池组合方面，对容量、内阻、温度、充放电特性曲线等因素的综合考虑时，还需对电池进行筛选组合，对组合电池位置分布进行研究。

6.蓄电池组综合管理系统

包括热管理系统、电池运行状态监控系统和维护系统等。热管理系统可以在高温下开启冷却系统或通过正温度系数,调整电池的充电电压。根据电池组模块在运行过程中短时间充放电的电压、温度等参数变化，在大量实验数据的基础上，通过软件分析平台，建立较为准确的SOC判别数学模型。将整个电池组分为数十个模块，实时监控每一模块的参数变化，对出现的故障进行判别，并对某些可修复的故障进行自行弥补或修复。如果某电池遭受到永久伤害，系统应能自动换入备用电池，从而避免因某个电池的损坏而影响到整个电池组的性能。