鎳氫電池原理

、鎳氫電池原理鎳氫電池正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳（稱氧化鎳電極），負極活性物質(zhì)為金屬氧化物，也稱貯氫合金（電極稱貯氫電極），電解液為6N氫氧化鉀，在電池充放電過程中的電池反應(yīng)為：氧化電極上：NIOOH+H2o+e====Ni（OH）2+OH。貯氫電極上：MH十oH-e=====M+H2O電池總反應(yīng)：MH+NiOOH====M+Ni（OH），其中，M表示貯氫合金材料。電池的開路電壓為：1.2V?1.3V、因貯氫材料和制備工藝不同而有所不同。過充電時，兩極上的反應(yīng)為：氧化鎳電極上： 4OH-4e一2H2O十O2貯氫電極上； 2H2O+O2+4e一4OH電池過充電時的總反應(yīng)：O電池在設(shè)計中一般采米用負極過量的辦法，氧化鎳電極全充電態(tài)時產(chǎn)生氧氣，經(jīng)過擴散在負極重新化合成水，這樣，既保持了電池內(nèi)壓的恒定，同時義使電解液濃度不致發(fā)生巨人變化。當(dāng)電池過放電時，電極反應(yīng)為：氧化鎳電極上：2H2O+2eH2+2OH貯氫電極上；H2+2OH-2e2H2O電池過放電時的總反應(yīng)：O雖然過放電時，電池總反應(yīng)的凈結(jié)果為零，但要出現(xiàn)反極現(xiàn)象。由于在正極上產(chǎn)生的氫氣會在負極上新化合，同樣也保持了體系的穩(wěn)定。另外，負極活性物質(zhì)氫以氫原子態(tài)能以相當(dāng)高的密度吸附干貯氫合金中，在這樣的電極上，吸放氫反應(yīng)能平穩(wěn)地進行，放電性能較鎘-鎳電池而言得以提高。二、組成與結(jié)構(gòu)如上所述，鎳氫電池正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳（稱氧化鎳電極），負極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱貯氫合金（電極稱貯氫電極），電解液為6N氫氧化鉀。由活性物質(zhì)構(gòu)成電極極片的工藝方式主要有饒結(jié)式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式、嵌滲式等工藝方式，不同工藝制備的電極在容量、大電流放電性能上存在較大差異，一股依據(jù)使用條件的不同，采用不同的工藝構(gòu)成電池。通訊等民用電池人多采用拉漿式負極、泡沫鎳式正極構(gòu)成電池。常見的圓柱型鎳氫電池組成與結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1、圓柱密封鎳氫電池結(jié)構(gòu)示意圖三、性能與技術(shù)要求鎳金屬氫化物電池是由貯氫合金負極，鎳正極，氫氧化鉀電解液以及隔板等組成的可充電電池，它與鎳鎘電池的本質(zhì)區(qū)別只是在于負極材料的不問。這種電池的電壓和鎳鎘電池完全相同，為12伏。它可以直接用在使用鎳鎘電池有器械件上。鎳氫電池的設(shè)想在七十年代開始有人提及，大量的研究集中在九十年代，工業(yè)化生產(chǎn)從20世紀(jì)最后10年的初期開始。作為負極材料的貯氫合金是由A和B兩種金屬形成的合金，其中A金屬（La，Ti，Zr等）可以大量吸進氫氣，形成穩(wěn)定的氫化物。而B金屬（Ni,Co,Fe,Mn等）不能形成穩(wěn)定的氫化物，但氫很容易在其中移動。也就是說，A金屬控制著氫的吸藏量，而B金屬控制著吸放氫氣的可逆性。按照合金的晶體結(jié)構(gòu)，貯氫合金可分為AB5型、AB2型、AB型、固溶體型等，其中主要使用稀土金屬的是AB5型合金。AB5型貯氫合金主要由銅鑭系元素和鎳組成，同時少量添加鋁，錳，鉆等。不是所有的貯氫合金都能作鎳氫電池的負極材料。日本生產(chǎn)鎳金屬氫化物電池主要是用稀土金屬和混合稀土金屬作負極，生產(chǎn)的電池占全世界該種電池產(chǎn)最的90%以上，美國主要使用鈦銀基合金作負極，生產(chǎn)的電池約占全世界產(chǎn)量的5%，生產(chǎn)公司有奧芬尼克和杜拉塞樂等幾個公司。1.鎳金屬氫化物電池的優(yōu)越性。Ni-MH電池具有能量密度高、功率密度高、可快速充放電、循環(huán)壽命長以及無記憶效應(yīng)、無污染、可兔維護、使用安全等特點，被稱為綠色電池。該種電池同鎳鍋電池相比，性能指標(biāo)普遍高于鎳鎘電池；Ni-MH電池的比能量是鎳鎘電池的1.5—2倍。電流充放電時，無記憶效應(yīng)、低溫特性好、綜合性能優(yōu)于鎳鎘電池，同時鎳鎘電池廢電池處理復(fù)雜，在能源緊張，環(huán)境污染嚴重的今天，Hi—MH電池顯示出廣闊的應(yīng)用前景。因為極鎳電極同鎳鎘電池完全一樣，所以凡是能使用鎳鎘電池的電器都可以使用鎳金屬氫化電池；它無毒，利于環(huán)保且綜合性能優(yōu)于鎳鎘電池，它也不會象鋰高子電池那樣遇潮易爆炸。因此，近五年來生產(chǎn)發(fā)展速度遠高于鎳鎘電池。2，鎳金屬氫化物電池水平現(xiàn)狀鎳金屬氫化物電池與鎳鎘電池相同點是電壓一樣。不同點是自放電率約高。其它各項性能指標(biāo)有高有低，有些高于鎳鎘電池，有些低于鋰離子電池。表 1詳細列出了日本鎳金屬氫化物電池的性能水平現(xiàn)狀。表1 日本小型貯氫電池性能水平現(xiàn)狀性能參數(shù)鎘/鎳電池鎳金屬氫化物電池放電電壓（V）1. —1.01.2—1.0重量比能量（WH/Kg）50一6060—80體積比能量（WH/|）140一180240—300價格（$/次）0.06O.1能量價格（$/WH）0.3O.4低溫性能（-2O，放電％）5O5O自放電（％/月）1520快速充電（倍率C）43 —20功率密度（W/I）1OOO1OOO工作溫度（C）-4O一45-40一45使用壽命（年）4—84一8充電控制極限（V）1.41.4放電控制電壓（V）臨界0.8臨界0.8四、檢測分選、組合與報表攝相機電池的性能檢測主要是依據(jù)電池在實際工作條件的需要求來定，其主要步驟如下：l、對新購置的電池（或自行研制的電池），需在有關(guān)性能檢測或化成設(shè)備上，對所有單體電池進行恒流充、放電三至五個循環(huán)，充、放電電流為02C，100%DOD（放電截止電位為10伏），電池容量趨于穩(wěn)定后，判斷電池的額定容量。2、 將所有單體電池按攝相機從開機、工作、關(guān)機過程所有工況及充電器所進行的充電工況等所需電流，按步驟設(shè)定測試程序所需充放電電流。得到相應(yīng)的電池充電放電曲線。如有可能還需測試電池低溫、高溫條件下（分別根據(jù)攝相機用戶所在地冬天、夏天氣溫而定）的容量，必要時，測定電池的使用壽命或按國標(biāo)測試。3、 將第2步驟測試所得所有單體電池的充放電曲線，在同一坐標(biāo)系中進行比較。將電池充放電曲線最相近的電池按10個單體電池一組組合，并記錄相應(yīng)電池編號。4、 將組合后的電池，按要求裝殼后，在12V測試量程上，再按第二步驟測試電池組相應(yīng)的充放電曲線，判斷電池組放電電壓平臺，以確定電池品質(zhì)等級。5、 在第4步驟電池組中，接入相應(yīng)過流保護器、熱敏電阻及電壓比較線路或芯片（單片機等），或電池充電器；并根據(jù)以上步驟所測定電池性能狀況，確定電池充放電控制方式。6、 電池組按第5步驟控制方式檢測充放電性能，并檢測電池組在短路、斷路、長時間過充電、過放電等極端條件下，控制線路的保護的可靠性與安全性。7、 將合格品封殼、包裝、再檢測。有關(guān)電池性能報表在測試上位計算機制定，參考報表如下:表1、電池性能檢測報表： 檢測室溫:電池編號額定容量1.2V以上電壓平臺％充由最高電壓充電溫升自放為電123???表2、電池成組方式： 檢測室溫:電池組編號額定容量1.2V以上電壓平臺％充電最高電壓充電溫升自放電l23???六、 裝配與線路（略）七、 充電與充電器在可充電池（化學(xué)電池或物理電池）的運用過程中，充電器是其成功運用的重要裝置，所以可充電池一出世，充電器便是個關(guān)鍵問題，因為充電器的好壞直接影響到電池的兩個重要技術(shù)指標(biāo)：1）可充電池的使用容量；2）可充電池的循環(huán)使用次數(shù)，即使用壽命。然而直到六十年代以前，充電器技術(shù)并沒有得到長足發(fā)展，普遍采用的方法主要是恒流或恒壓充電方法，充電效果不是太理想。這種狀況直到六十年代基于最低出氣率可充曲線原理發(fā)現(xiàn)電池可接受充電電流大小隨時間按指數(shù)規(guī)律下降這一規(guī)律后，才證實恒流或恒壓充電均不是最適合的方法。因為恒流充電時，其起始充電電流總是低于電池的可接受能力，造成充電效率低，充電時間長，而在充電后期，最終的充電電流又總是高于電池可接受的程度，因而電池內(nèi)部氣體析出率不斷增加，到充電結(jié)束時，所有充電電流全部供給氣體析出，電池內(nèi)部電壓迅速增加，電池溫度也隨之迅速上升，造成每次充電電極上都有活性物質(zhì)脫落，從而大大降低了電池的壽命，而恒壓充電方法在充電初期電池內(nèi)阻極低致使充電電流過大，而隨時間并不按指數(shù)規(guī)律下降（常偏離制定曲線）。根據(jù)充電曲線研究實驗，又提出了所謂的兩段式、三段式或更多段式充電。所謂兩段式充電指首先對電池進行恒流或恒壓充電，當(dāng)電池電壓達到一定程度，然后對電池進行涓流充電：所謂三段式一般是首先對電池進行恒流充是，待電池電壓達到電壓閥值后轉(zhuǎn)化為第二階段，即所謂限壓充電階段，當(dāng)充電電流小到某種程度后轉(zhuǎn)化為第三階段.即所謂限壓充電。另外，由于實際運用的需要，往往還希望對電池進行快速充電.影響充電器快速充電還有兩個重要因素：一是極化電壓：二是記憶效應(yīng)，其中極化電壓是在充電過程中，電荷堆積于電池電極上而產(chǎn)生的反問電壓，實際上表現(xiàn)為對電池內(nèi)阻的增加上，消除它的有效方法是采用負脈沖方法在電池兩端瞬間放電去除電極上堆積的電荷.并由此產(chǎn)生了脈沖充電方法：記憶效應(yīng)并不是所有電池都有，可以通過多次的充放電即可消除。上述兩種效應(yīng)應(yīng)該在充電控制器設(shè)計中予以重視。實際上，充電控制器在近年采取得了長足的發(fā)展，一個明顯的標(biāo)志就是世界上大多數(shù)的半導(dǎo)體廠商大都出品了自己的充電器芯片，有的還帶有中央處理器（即CPU）。綜上所述，盡管已經(jīng)有了多種充電方法，而且也有一定的效果，然而大多忽略了一個重要事實，即充電電池并不是工作于理想狀態(tài)，每個電池都有自己獨特的個性.確切地說每個充電電池都有自己有別干其它甚至是同類電池的充放電曲線，該曲線甚至在充電過程中還足動態(tài)變化的，這就意味著好的充電控制模式應(yīng)該是變化的，而且應(yīng)該與電池的充放電曲線變化一致才是最佳的。事實上，每個電池在充電的任意時刻總存在一個最佳的充電電流和充電模式的，問題是我們?nèi)绾尾拍鼙平@個暈佳值。以下介紹一些較好的自適應(yīng)控制智能快速電沁充電器控制方法的思路要點。.總體控制方法：采用了正負（包括O脈沖）脈沖作為對電池的充放電控制波形，其中正脈沖為充電脈沖，負脈沖為放電脈沖，O脈沖間于充電與放電脈沖間，表示充放電的休止期。事實上，上述三種脈沖在后面講的控制過程中都有可熊時間長度為0,比如，O脈沖和負脈沖的時間周期為時，總體控制波形仿真限壓充電模式：而特定的組合脈沖形式又可以仿真為恒流充電等?？傊ㄟ^調(diào)整這種波形可以仿真幾乎所有的充電波形和充電模式；.采集的信息：在本方法中，采集的信息包括：正脈沖期間的充電電流大小及其隨時間的變化：負脈沖期間的放電電流及其隨時間的變化量：電池溫度及其隨時間的變化量，電池電壓及其隨時間的變化量。這些信息是我們用于學(xué)習(xí)和控制的第一手材料，通過對他們的分析可以估算電池的內(nèi)阻，進而計算出電池當(dāng)前所處的狀態(tài)等；充滿判斷規(guī)則：對充電電池是否在充電過程中已充滿的判斷是充電器的重要指標(biāo)，如果電池未充滿而錯判為充滿將導(dǎo)致電池欠充，反過來則將導(dǎo)致電池過充，兩種情況都對電池的壽命有重大影響。綜合起來，判斷規(guī)則有如下幾種：?定時控制；?電壓控制(含最高電壓：電壓負增量：電壓零增量等)；?溫度控制(包括最高溫度，最高溫升：溫度變化率等)；?電流控制等。較好的辦法是采用綜合判斷方法，對每個指標(biāo)進行跟蹤，并按模糊數(shù)學(xué)原理分別記分，按照置信度做出最佳判斷。下面說明本方法的特點：充電技術(shù)能自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)整充電脈沖各參數(shù)值，使電池充電曲線與電池當(dāng)前的充放電曲線一致，由于該曲線是變化的，所以充電脈沖也是不斷變化和調(diào)整的；終止充電策略可能的情況下采用下模糊數(shù)學(xué)原理，充電器具體穩(wěn)定可靠的特點，使充電不至錯判，從而大幅度提高充電器的可靠性；本技術(shù)對電池類型沒有要求，也就是說本充電技術(shù)可同時對鉛酸、竦鎘、銀鋅、竦氫或鋰電池充電，而且充電效果并不因為電池類型的不同而有所差異；更進一步，本技術(shù)對電池的當(dāng)前狀態(tài)也有要求，即只要電池沒有短路或者斷路，都可以對電池進行正常充電，所以本充電技術(shù)還可對性能有所下降的電池有恢復(fù)或治愈的功能；由于采用了自適應(yīng)控制立法，對電池?zé)o傷害，更加上上面4點，本技術(shù)可延長電池的使用壽命。實際民用竦氫電池的充電方式，因考慮到成本、便攜、可靠等方面的要求，大多仍采用分段恒流充電控制方式。八、品質(zhì)檢查與包裝本項目流程圖(略)所有組合后的電池，都應(yīng)先進行常規(guī)容量等性能檢測，然后按以下步驟嚴格檢測是否有失控，或達不到要求的情況：電池組短路時，系統(tǒng)斷電保護可靠性電池長時間過充電時，系統(tǒng)斷電保護可靠性電池放電終