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镍氢柱式电池的结构、原理以及特性

发布时间:2015-10-06

    镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。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。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。


    由于化石燃料在人类大规模开发利用的情况下越来越少,近年来,氢能源的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。虽然镍氢电池确实是一种性能良好的蓄电池,但航天用镍氢电池是高压镍氢电池(氢压可达3.92MPa,即40kg/cm2),这样的高压力氢气贮存在薄壁容器内使用容易爆炸,而且镍氢电池还需要贵金属做催化剂,使它的成本变得很贵,这就很难为民用所接受,因此,国外自70年代开始探索民用的低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。高压镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制。用镍氢电池代替镍电池并应用于各种卫星上的趋势已经形成。

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    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。活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式及嵌渗式等,不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异,一般根据使用条件不同的工艺生产电池。通讯等民用电池大多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成镍氢电池。充放电化学反应如下:


正极:Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-


负极:M+H2O+e-=MHab+OH-


总反应:Ni(OH)2+M=NiOOH+MH


注:氢合金(M),吸附氢(Hab),反应式从左到右的过程为充电过程,反应式从右到左的过程为放电过程。


充电时正极的Ni(OH)2和OH-反应生成NiOOH和H2O,同时释放出e-一起生成MH和OH-,总反应是Ni(OH)2和M生成NiOOH,储氢合金储氢;放电时与此相反,MHab释放H+,H+和OH-生成H2O和e-,NiOOH、H2O和e-重新生成Ni(OH)2和OH-。镍氢电池的标准电动势为1.32V。



    镍氢电池的主要有6大特性:表现工作特性的充电特性与放电特性,表现储存特性的自放电特性与长期储存特性,表现综合的循环寿命特性与安全特性。它们都决定于镍氢电池的结构,表现于所处环境,显著特点是受温度与电流影响巨大。


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1、充电特性:当镍氢电池充电电流增大和(或)充电温度降低时会导致电池充电电压上升。一般在0℃~40℃之间的环境温度下采用不大于1C的恒定电流充电,而在10℃~30℃之间充电能获得较高的充电效率。

     如果经常在高温或低温环境中对镍氢电池充电,会导致镍氢动电池性能的降低,对于0.2C以上的快速充电,充电控制措施是必不可少的。反复的过充也会降低镍氢电池的性能,所以,高低温以及大电流充电的保护措施一定要到位。


2、放电特性:镍氢电池的放电平台是1.2V,电流越大,温度越低,镍氢电池放电电压和放电效率都会降低,镍氢电池的最大连续放电电流为1C-2C。

     镍氢电池的放电截止电压一般设定在0.9V,IEC标准充放电模式设定为1.0V,因为,1.0V以下一般还可以提供稳定的电流,而0.9V以下还可以提供略小一些的电流,因此,镍氢电池的放电截止电压可以看作0.9V~1.0V的一个电压区间,有些镍氢电池则可以下标到0.8V。一般情况下,如果截止电压设定得太高,则镍氢电池容量不能被充分利用,反之,则容易引起镍氢电池过放。


3、自放电特性:是指镍氢电池充足电开路(无负载)存放时容量自耗的现象,自放电特性主要受环境温度的影响,温度越高,镍氢电池存放后容量自耗就越大。


4、长期存放特性:主要是指镍氢电池的电量恢复能力。经过较长时间(如一年)存放后使用时,镍氢电池的容量可能会比存放前的容量小,但经过几次充放循环后,镍氢电池能恢复到存放前的容量。


5、循环寿命特征:镍氢电池的循环寿命受充放电制度、温度和使用方法的影响。按照IEC标准充放电时,一次完全充放电就是镍氢电池的充电周期,多次的充电周期就构成了循环寿命,镍氢电池的充放电循环可以超过500次。


6、安全性:镍氢电池的安全性能是电池设计中较好的,这固然与其所采用的物质材料有关,也与其结构有密不可分的关系。在使用过程中,如果镍氢电池使用不正当造成过充、过放、短路,而促使镍氢电池内部压力升高,这时,一个可恢复的安全阀将会打开,就能够起到降低内部压力,从而防止电池爆炸的作用。



镍氢电池的用途

(1)电气设备:电力仪表、自动化控制、测绘仪器。


(2)家用便携式:便携式血压、血糖测试仪、多参数监护仪、按摩器、便携式DVD等。


(3)灯具:探照灯、手电筒、应急灯、太阳能灯。


(4)电子玩具:飞机航模、遥控车、遥控船。


(5)电动工具:电钻、电刨、电锯、电批消费性电子产品镍氢电池被普及地应用在消费性电子产品中


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镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池


低压镍氢电池具有以下特点:


(1)电池电压为1.2~1.3V,与镍镉电池相当。


(2)能量密度高,是镉电池的1.5倍以上。


(3)可快速充放电,低温性能良好。


(4)可密封,相对其它电池耐过充放电能力强。


(5)无树枝状晶体生成,可防止电池内短路(柱式型)。


(6)安全可靠对环境无污染,无记忆效应等。



高压镍氢电池具有如下特点:


(1)可靠性强。具有较好的过放电、过充电保护,可耐较高的充放电率并且无枝晶形成。具有良好的比特性。其质量比容量为60A·h/kg,是镍镉电池的5倍。


(2)循环寿命长,可达数500以上。


(3)全密封,维护少。


(4)低温性能优良,在-10℃时,容量没有明显改变。



镍氢电池在使用时应注意维护


(1)使用过程忌过充电。在循环寿命之内,使用过程切忌过充电,这是因为过充电容易使正、负极发生膨胀,造成活性物脱落和隔膜损坏,导电网络破坏和电池欧姆极化变大等问题。


(2)防止电解液变质。在镍氢电池循环寿命期,应抑制电池析氢。


(3)镍氢电池的存放。保存镍氢电池应在充足电后,如果在电池中没有储存电能的情况下长期保存电池,将使电池负极储氢合金的功能减弱,并导致电池寿命减短。



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