镍氢电池动力电池

过充电时，正极上会析出氧，然后扩散到负极上 发生去极化反应，生成0H离子。在电池过充电和 过放电过程中，正、负极上发生的反应可用正式 表示 4 OH O 2 H O 4 e 2 2 正极：过充电析出氧 过放电析出氢 2H 2O 2e 2OH H 2 负极：过充电消耗氧 2H 2O O2 4e 4OH H 2 + 2OH → 2H 2O + 2e 过放电消耗氢
镍镉电池在充电开始时，电池电压在1.3V左右， 随着充电进行，电压缓缓上升到l.4～1.5V并稳 定较长时间。充电电压超过1.55V后，电解液中 的水开始电解，产生气体，电压开始急剧上升， 到充电末期，正、负极上都开始析出气体．电池 电压达到1.7—1.8V。镍镉电池的放电曲线比较 平稳，只是在放电终止时电压突然下降，一般以 O.2C放电时，电压稳定在1.2V左右。
任务三 碱性动力电池及其应用
【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。 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。
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: 当界面溶液中Cd(OH)3－过饱和时，Cd(OH)2 就沉积析出: 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。
（2）环境污染 镉是镍镉电池的必备原材料， 但有大量研究表明，在人体内，镉的半衰期长达 730年，可蓄积50年之久，摄入或吸人过量的镉 可引起肾、肺、肝、骨、生殖效应及癌症．在 1993年，国际抗癌联盟就将镉定为LA级致癌物 。一般人在低剂量镉环境中暴露即可导致肾功能 损伤、骨密度降低、钙排泄增加及生殖毒性。镉 及其化合物是补课降解的环境污染物，可通过废 水、废气、废渣大量流人环境，产生环境污染及 健康危害。基于环境保护的原因，许多发达国家 已建议禁止使用镍镉电池。
储氢合金既承担着储氢的作用，又起到催化剂作 用，在电池出现过充和过放电时，可以消除由正 极产生的O2和H2。从而使电池具有耐过充、过 放电的能力。但随着充、放电循环的进行，储氢 合金的催化能力逐渐退化，电池的内压就会上升 ，最终导致电池漏液失效。
2.碱性动力电池的性能及检测
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镍镉电池的特性 镍镉电池应用存在的问题
(4)耐过充电和过放电性能 镍镉电池具有很好的耐过充电和过放电能力。1C 恒电流持续充电2h，或强迫过放电不超过2h， 电池不会损坏。铅酸电池及后续章节介绍的锂离 子电池在这种情况下，都将产生永久的损坏。
镍镉电池应用存在的问题
（1）记忆效应，镍镉电池长期不彻底充电、放电，易在 电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆 效应。比如，镍镉电池长期只放出80%的电量后就开始 充电，一段时间后，电池充满电后也只能放出80%的电 量。 记忆效应的出现主要是由于传统工艺中负极为烧结式 ，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在完全放电之前就重新充电 ，镉晶粒容易聚集成块，造成Ni电极膨胀或生成不导电 的Ni(OH)2，从而引起电池电压下降或容量减少，使电 池放电时形成次级放电平台。镍镉电池会储存这一放电平 台并在下次循环中将其作为放电的终点。同样在每一次使 用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池 的容量变得更低。
镍氢电池与镍镉电池的对比分析
同镍镉电池相比，镍氢电池具有以下显著优点： 1)能量密度高，同尺寸电池，容量是镍镉电 池的1.5～2倍。 2)环境相容性好,无镉污染， 3)可大电流快速充放电，充放电倍率高。 4)无明显的记忆效应。 5)低温性能好，耐过充放能力强。 6)工作电压与镍镉电池相同，为1.2V。
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 浓度降低，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: 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:
4OH- 4e O2 2H2O NiOOH+OH NiO2 +H2O e
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。
1 2NiO 2 +H 2 O 2NiOOH+ O 2 2
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）。
(2)倍率持续放电特性 动力镍镉电池允许大电流放电而不会损坏，允许 放电倍率在10C以上，但是大电流放电时，电压 下降很快，电池可放出的能量下降。
(3)高低温放电性能 温度升高时，镍镉电池的容量会增加，但温度超 过50℃时，正极的析氧过电势降低，正极充电不 完全；同时镉的溶解会随着温度上升而增大,迁移 到隔膜中，容易形成镉枝晶，导致电池内部微短 路；另外高温还会加速镍基板腐蚀和镉膜氧化， 导致电池失效。 低温情况下，电解液的电阻增加．会使镍镉电池 的容量下降。如-45℃以O.2C放电镍镉电池一般 只能提供50%左右的额定容量；-18℃以3C放 电一般可以放出30%以上的额定容量。
为了防止充电过程后期电池内压过高，电池中装 有防爆装置。 当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐 渐上升。当该压力达到一定数值后，顶盖上的限 压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压 力过大而爆炸。
镍氢电池放电时，正极上NiOOH得到电子还原 成为Ni(OH)2；负极金属氢化物 (MHx)内部的 氢原子扩散到表面形成吸附态氢原子，接着再发 生电化学反应生成水和储氢合金。在镍氢电池出 现过放电时，正极活性物质中的NiOOH已经消 耗完了，这时正极上会发生水分子被还原为氢和 OH-离子。负极上由于储氢合金的催化作用，使 OH-离子与氢反应又生成水。
正极充放电反应为
放电 NiOOH+H2O e Ni(OH) +OH 2 充电
负极充放电反应为
放电 Cd(OH)2 Cd+2OH 2e 充电
电池总反应为
放电 Cd(OH)2 +2Ni(OH)2 Cd+2NiOOH+2H2O 充电
(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
Cd(OH)3 Cd(OH)2 OH
Cd OH吸附 2OH Cd(OH)3 2e
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。
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镍氢电池与镍镉电池的对比分析
镍镉电池的特性
镍镉电池标称电压为1.2V，具有使用寿命长(可 充放电循环1000次以上)、机械强度高、密封性 能好、使用温度范围大(-40～+50℃)维护保养 方便、能耐受大电流(高于正常使用电流的几倍乃 至10倍)的瞬时冲击等优点。
(1)充放电性能 镍镉电池的标准电动势是1.299V，额定电压是 1.2V，平均工作电压为1. 20～1. 25V。剐充 完电的电池开路电压较高，可以到达1.4V以上， 放置一段时间后，正极不稳定的NiO2发生分解， 开路电压会降低到1.35V左右。
充电 放电 2 x 充电 放电 2 2 充电 放电 2 x
镍氢电池的反应与镍镉电池相似，只是负极充、 放电过程中生成物不同。 镍氢电池在充、放电过程中，正、负极上在进行 电化学反应时不发生任何中间态的可溶性金属离 子，也没有电解液中的任何组分消耗和生成，因 而镍氢电池可以做成密封型结构。 镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液，并加入少 量的LiOH。 隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。
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： xOH MH 负极反应式 xH O M xe NiOOH H O e 正极反应式 Ni(OH ) OH xNiOOH MH 电池反应式 xNi(OH ) M
(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。
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。
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
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
1.碱性动力电池的储能原理来自百度文库结构
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镍镉电池结构及储能原理 镍氢电池结构及储能原理
镍镉电池结构及储能原理