鎳氫電池的工作原理

1、鎳氫電池的工作原理鎳氫電池的工作原理 鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長(zhǎng)，并且無記憶效應(yīng)。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時(shí)）和Ni(OH)2(充電時(shí))，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2（放電時(shí)）和H2O（充電時(shí)），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)如下：javascript:this.width=picsize(this,600) border=0 dypop=按此在新窗口瀏覽圖片 從方程式看出：充電時(shí)，負(fù)極析出氫氣，貯存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（NiOOH）和H2O；放電時(shí)氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。 過

2、量充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)： javascript:this.width=picsize(this,600) border=0 dypop=按此在新窗口瀏覽圖片 從方程式看出，蓄電池過量充電時(shí)，正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內(nèi)部氧氣的濃度，不超過千分之幾。 從以上各反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充放電過程中生成物不同，從后兩個(gè)反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池也可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水

3、溶液，并加入少量的LiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。為了防止充電過程后期電池內(nèi)壓過高，電池中裝有防爆裝置。 電池充電特性 鎳鎘電池充電特性曲線如圖1所示。當(dāng)恒定電流剛充入放完電的電池時(shí)，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，所以電池電壓很快上升（A點(diǎn)）。此后，電池開始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在這個(gè)范圍內(nèi)（AB之間），電化學(xué)反應(yīng)以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時(shí)氧氣也以同樣的速率與氫氣化合，因此，電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。 javascript:this.width=picsize(this,600) border=0 dypop=按此在新窗口瀏覽圖片圖 1鎳鎘電池的充電曲線 電池

4、充電過程中，產(chǎn)生的氧氣高于復(fù)合的氧氣時(shí)，電池內(nèi)壓力升高。電池內(nèi)的正常壓力*大約為1磅力/英寸2。過充電時(shí)，根據(jù)充電速率，電池內(nèi)部壓力將很快上升到100磅力/英寸2或者更高。 研究蓄電池的各種充電方法時(shí)，鎳鎘電池內(nèi)產(chǎn)生的氣體是一個(gè)重要問題。氣泡聚集在極板表面，將減小極板表面參與化學(xué)反應(yīng)的面積并且增加電池的內(nèi)阻。過充電時(shí)，電池內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體，如果不能很快復(fù)合，電池內(nèi)部的壓力就會(huì)顯著增加，這樣將損傷電池。此外，壓力過大時(shí)，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散。若電解液反復(fù)通過放氣孔逸散，電解液的粘稠性增大，極板間離子的傳輸變得困難，因此電池的內(nèi)阻增加，容量下降。 經(jīng)過一定時(shí)間后（C點(diǎn)），電解液中

5、開始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，所以電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開始較快上升。這是接近充足電的信號(hào)。 充足電后，充入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的貯能，而是在正極板上產(chǎn)生氧氣超電位。氧氣是由于電解液電解而產(chǎn)生的，不是由于氫氧化鎘還原為鎘而產(chǎn)生的。在氫氧化鉀和水組成的電解液中，氫氧離子變成氧、水和自由電子，反應(yīng)式為 4OHO2+2H2O+4e 雖然電解液產(chǎn)生的氧氣能很快在負(fù)極板表面的電解液中復(fù)合，但是電池的溫度仍顯著升高。此外由于充電電流用來產(chǎn)生氧氣，所以電池內(nèi)的壓力也升高。 由于從大量的氫氧離子中比從很少的氫氧化鎘中更容易分解出氧氣，所以電池內(nèi)的溫度急劇上升，這樣就使電池

6、電壓下降。因此電池電壓曲線出現(xiàn)峰值（D點(diǎn)）。 電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復(fù)合是放熱反應(yīng)，電池過充電時(shí)(E點(diǎn))，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高。如果強(qiáng)制排出氣體，將引起電解液減少、電池容量下降并損傷電池。若氣體不能很快排出，電池將會(huì)爆炸。 采用低速率恒流涓流充電時(shí)，電池內(nèi)將產(chǎn)生枝晶。這些枝晶能夠通過隔板在極板之間擴(kuò)散。在擴(kuò)散較嚴(yán)重的情況下，這些枝晶會(huì)造成電池部分或全部短路。 鎳氫電池的充電特性與鎳鎘電池類似，充電過程中二者的電壓、溫度曲線如圖1-2和圖1-3所示。可以看出，充電終止時(shí)，鎳鎘電池電壓下降比鎳氫電池要大得多。當(dāng)電池容量達(dá)到額定容量的80%以前，鎳鎘電池的溫度緩慢上升，當(dāng)電池

7、容量達(dá)到90%以后，鎳鎘電池的溫度才很快上升。當(dāng)電池基本充足電時(shí)，鎳鎘/鎳氫電池的溫度上升率基本相同。 javascript:this.width=picsize(this,600) border=0充電過程與充電方法 電池的充電過程通?？煞譃轭A(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電四個(gè)階段。 對(duì)長(zhǎng)期不用的或新電池充電時(shí)，一開始就采用快速充電，會(huì)影響電池的壽命。因此，這種電池應(yīng)先用小電流充電，使其滿足一定的充電條件，這個(gè)階段稱為預(yù)充電。 快速充電就是用大電流充電，迅速恢復(fù)電池電能?？焖俪潆娝俾室话阍?C以上，快速充時(shí)間由電池容量和充電速率決定。 為了避免過充電，一些充電器采用小電流充電。鎳鎘電池正

8、常充電時(shí)，可以接受C/10或更低的充電速率，這樣充電時(shí)間要10h以上。采用小電流充電，電池內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生過多的氣體，電池溫度也不會(huì)過高。只要電池接到充電器上，低速率恒流充電器就能對(duì)電池提供很小的涓流充電電流。電池采用小電流充電時(shí)，電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量可以自然散去。 涓流充電器的主要問題是充電速度太慢，例如，容量為1Ah的電池，采用C/10充電速率時(shí)，充電時(shí)間要10h以上。此外，電池采用低充電速率反復(fù)充電時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生枝晶。大部分涓流充電器中，都沒有任何電壓或溫度反饋控制，因而不能保證電池充足電后，立即關(guān)斷充電器。 快速充電分恒流充電和脈沖充電兩種，恒流充電就是以恒定電流對(duì)電流充電，脈沖充電則是首先用脈沖

9、電流對(duì)電池充電。然后讓電池放電，如此循環(huán)。電池脈沖的幅值很大、寬度很窄。通常放電脈沖的幅值為充電脈沖的3倍左右。雖然放電脈沖的幅值與電池容量有關(guān)，但是，與充電電流幅值的比值保持不變，脈沖充電時(shí)，充電電流波形如圖1-4所示。 javascript:this.width=picsize(this,600) border=0 充電過程中，鎳鎘電池中的氫氧化鎳還原為氫氧化亞鎳，氫氧化鎘還原為鎘。在這個(gè)過程中產(chǎn)生的氣泡，聚集在極板兩邊，這樣就會(huì)減小極板的有效面積，使極板的內(nèi)阻增大。由于極板的有效面積變小，充入全部電量所需的時(shí)間增加。 加入放電脈沖后，氣泡離開極板并與負(fù)極板上的氧復(fù)合。這個(gè)去極化過程減小了

10、電池的內(nèi)部壓力、溫度和內(nèi)阻。同時(shí)，充入電池的大部分電荷都轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，而不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w和熱量。 充放電脈沖寬度的選擇應(yīng)能保證極板恢復(fù)原來的晶體結(jié)構(gòu)，從而消除記憶效應(yīng)。采用放電去極化措施后，可以提高充電效率并且允許大電流快速充電。 采用某些快速充電止法時(shí)，快速充電終止后，電池并未充足電。為了保證充入100%的電量，還應(yīng)加入補(bǔ)足充電過程。補(bǔ)足充電速率一般不超過0.3C。在補(bǔ)足充電過程中，溫度會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)溫度超過規(guī)定的極限時(shí)，充電器轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)。 存放時(shí)，鎳鎘電池的電量將按C/30到C/50的放電速率減小，為了補(bǔ)償電池因自放電而損失的電量，補(bǔ)足充電結(jié)束后，充電器應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流電過程。涓流充電也

11、稱為維護(hù)充電。根據(jù)電池的自放電特性，涓流充電速率一般都很低。只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，在維護(hù)充電狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給電池補(bǔ)充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。 快速充電終止控制方法 采用快速充電法時(shí)，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。充足電后，如果不及時(shí)停止快速充電，電池的溫度和內(nèi)部壓力將迅速上升。內(nèi)部壓力過大時(shí)，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的粘稠性增大，電池的內(nèi)阻增大，容量下降。 從鎳鎘電池快速充電特性可以看出，充足電后，電池電壓開始下降，電池的溫度和內(nèi)部壓力迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，可以采用定時(shí)控制、電壓控制和溫度控制待多種方法

12、。 （1）定時(shí)控制 采用1.25C充電速率時(shí)，電池1h可充足；采用2.5C充電速率時(shí)，30min可充足。因此，根據(jù)電池的容量和充電電流，很容易確定所需的充電時(shí)間。這種控制方法最簡(jiǎn)單，但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時(shí)，才允許采用這種方法。 （2）電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測(cè)的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有： 最高電壓（Vmax） 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時(shí)，電池即充足電。充電過程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而

13、且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已足充電。 電壓負(fù)增量（V） 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池的溫度較高。此外鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間，才出現(xiàn)負(fù)增量，過充電較嚴(yán)重。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。 電壓零增量（0V） 鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時(shí)間過久而損壞電池，通常采用0V控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：充足電以前，電池電壓在某一段時(shí)間內(nèi)可能變化很小，從而

14、造成過早地停止快速充電。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏0V檢測(cè)，當(dāng)電池電壓略有降低時(shí)，立即停止快速充電。 （3）溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時(shí)不能開始快速充電，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止快速充電。常用的溫度控制方法有： 最高溫度（Tmax） 充電過程中，通常當(dāng)電池溫度達(dá)到45時(shí)，應(yīng)立即停止快速充電。電池的溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測(cè)。這種方法的缺點(diǎn)是熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，溫度檢測(cè)有一定滯后，同時(shí)，電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，充足電后，電池的溫度也達(dá)不到45。 溫升（T） 為了消除環(huán)境影響，可采用溫升控制法。當(dāng)電池的溫升達(dá)到規(guī)定值后，立即停止快速充電。為了實(shí)現(xiàn)溫升控制，必須用兩只熱敏電阻，分別檢測(cè)電池溫度和環(huán)境溫度。 溫度變化率（T/t） 鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率T/t基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即終止快速充電，這種充電控制方法，近年來被普遍采用。應(yīng)當(dāng)說明