镍锌电池存在的问题及研究进展调查报告

镍锌电池存在的问题及研究进展调查报告

摘要：本文先简单介绍了镍锌电池的发展历程。然后重点介绍了镍锌电池在发展工程中所存在的具体问题和研究难点，最后总结了了世界上对于镍锌电池研究的新进展，并从镍电极、锌电极、隔膜、电解液、其它技术等五个方面分别介绍了研究进展，最后进行了总结。

关键词：镍锌电池镍电极隔膜

从人类第一次接触电能到现在，人类的生活已经离不开电能了。而电池作为电能的储存和供给装置广泛应用于各行各业。电池是电网离线的电能储存及供给装置，对人类的生活已经不可缺少了。如何让电池拥有更高的比能量以及更好的性能一直是世界研究的重点，而镍锌电池逐渐吸引了世界研究人员的眼球。

镍锌电池自20世纪初，由俄罗斯人Michaelowski 提出，到了20 世纪30 年代逐渐形成了产品。但是，由于其性能居于锌- 氧化银电池和镉镍电池之间，长期以来一直未能引起人们足够重视。20世纪70年代，由于石油危机的出现以及环境污染的加剧，锌镍电池因其体积小、质量轻、比能量高、功率特性好、无污染等众多因素，而被重新提起。常见几种电池与镍锌电池的对比如表1：

表1.常见几种电池与镍锌电池性能对比

镍锌电池主要由镍正极、锌负极、隔膜以及电解液四部分组成。现阶段的锌镍电池研制分碱性锌镍电池和可充锌镍电池。碱性锌镍电池开路电压1.72 V，实际工作范围1. 6~ 1.2 V, 高压部分放电电压平稳, 适用于高压部分需大电流放电的用电器具。可充锌镍电池工作电压高( 1. 65 V)，比能量高( > 50 W h/kg), 高倍率放电性能好，无记忆效应，无污染，价格便宜，主要应用于电动自行车、助动车、摩托车、电动汽车中。但镍锌电池现阶段依然存在许多问题。

1.镍锌电池的主要问题

1.1 锌电极的枝晶和变形

放电时,锌电极生成氧化锌、氢氧化锌, 这些产物大量溶解于强碱电解液中; 充电时，由于产物的溶解性，大部分的锌酸盐不沉积在多孔的锌电极，而沉积在电解液的周围和隔膜中,这就使锌电极的传质过程产生了困难，并在电极的外部表面和某些点上形成枝状沉积物。枝晶没有附着力,易刺穿隔膜。此外,锌酸盐密度较大，趋于下沉; 随着充放循环的进行, 电极上部消耗，大量锌沉积于电极下部，这导致电极变形，电极变形减少有效面积,降低放电速率, 影响电池容量。

1.2 镍电极的膨胀和毒化

镍电极在充放电的过程中晶形变化，使电极发生膨胀。在循环过程中, 锌电极上生成的锌酸盐可通过隔膜进入镍电极。充电时，酸盐沉淀为氧化锌，放电时氧化锌溶解。由于

氧化锌的过饱和作用和陈化作用,导致镍电极微孔中生成难溶的氧化锌阻塞液相传质通道, 导致电池失效。

1.3 隔膜的氧化和穿透

隔膜在强碱性电解液中易发生氧化或降解，而且锌枝晶会刺穿隔膜，造成电池短路。同时为进行氧气的复合,还要求隔膜有好的氧渗透性。

1.4 气胀现象的产生

在锌镍电池使用期间，常伴随有氢气和氧气的产生，若未能及时复合，将导致电池

内部压力升高，产生气胀，甚至炸裂。对密封式电池来说，这是必须解决的问题。

1.4.1氢气的产生

主要是由于使用了锌电极，在充电过程中伴随有氢气的析出。另外，由于碱性溶液中的锌电极在热力学上是不稳定的，锌电极与碱性溶液接触后会发生电化学腐蚀而析出氢气。

1.4.2氧气的产生

镍电极充电电位与析氧电位相近，充电时，镍电极上氢氧化镍被氧化的同时常伴随氧气的产生。这种现象在过充电时尤为明显，此时伴有生成的N iO2的分解反应。

2.镍锌电池的研究进展

俄、美、日等国对锌镍电池进行了较深入的研究，其关键是抑制锌酸盐在电解液中的溶解度，研究抗氧化性强的可透氧隔膜，采用低膨胀镍电极。因此提高锌镍电池循环寿命的研究工作主要包括锌、镍电极、电解液、隔膜及有关技术。

2.1 锌电极

(1)由Z n活性物质、Ca( OH) 2和金属氧化物(PbO 、Bi2O 3 、CdO 、Ga2O 3 和T l2O3)组成负极，并附有防水多孔隔膜。

(2)在Z n电极活性物质中添加适量的Ca( OH) 2以形成锌酸钙〔CaZn2( OH ) 6·H2O〕，并在电解液中加入Li( OH) 2和Na2SiO3,对锌极的变形与枝晶有明显的抑制作用。

(3)在Z n电极中加入Pb2 +添加剂，改变电极表面结构。

(4)在锌电极中加入Tl 、T a 、Pb 、Cd 、In 的氧化物或氢氧化物，能改变电极表面结构，减少电极形变。

(5)在电极中添加电极结构修正剂，如石墨、乙炔黑、聚四氟乙烯等，这些物质的加入能构成三维结构,形成骨架。从而将溶解的锌类物质保留在电极内。

(6)在锌电极中加入碱土金属-锌合金( M-Z n x, x ≥1) 可抑制枝晶的形成，从而延长电池循环使用寿命。

2.2 镍电极

(1)正极组分含有N i ( O H ) 2 、Ca( O H ) 2 和Zn( O H ) 2固体溶液的活性物质粒子，可延长电极循环寿命。

(2)由碱液阻挡金属骨架和活性物质混合物组成锌电极，活性物质混合物由镍盐和0.1～0. 4μm 氧化锌与苛性碱反应得到的球状氢氧化镍，再与0.5 %～2.0 % (质量百分数)氢氧化镍混合而成。

(3)采用N i ( O H ) 2粉为基底的活性物质，填充于多孔阻挡碱液骨架上;而Ni ( OH ) 2颗粒含有3 %～10 % (质量百分数) Zn，并用1 %～10 % (质量百分数) Cd 覆盖，这种电极有低膨胀率，在高温下有可高速率充电的特性。

(4)正极由覆盖有平均直径1. 0～1.5 nm的Ⅱ族元素( Cd、Z n和M g)的Ni ( OH ) 2颗粒制备。

(5)采用在还原气氛中经高温烧结的镀镍石墨纤维基底，再填充活性物质，可制得高容量的电极。

(6)在碱或碱土金属氢氧化物中加入适量的硼酸、磷酸或砷酸,能大大减少锌电极放电产物的溶解度，基本上消除枝晶和变形。