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鎳氫柱式電池的結構、原理以及特性

發布時間:2015-10-06

    鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。鎳氫電池正極活性物質為Ni(OH)2(稱NiO電極),負極活性物質為金屬氫化物,也稱儲氫合金(電極稱儲氫電極),電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。鎳氫電池作為氫能源應用的一個重要方向越來越被人們注意。


    由于化石燃料在人類大規模開發利用的情況下越來越少,近年來,氫能源的開發利用日益受到重視。鎳氫電池作為氫能源應用的一個重要方向越來越被人們注意。雖然鎳氫電池確實是一種性能良好的蓄電池,但航天用鎳氫電池是高壓鎳氫電池(氫壓可達3.92MPa,即40kg/cm2),這樣的高壓力氫氣貯存在薄壁容器內使用容易爆炸,而且鎳氫電池還需要貴金屬做催化劑,使它的成本變得很貴,這就很難為民用所接受,因此,國外自70年代開始探索民用的低壓鎳氫電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。高壓鎳氫電池是20世紀70年代初由美國的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制。用鎳氫電池代替鎳電池并應用于各種衛星上的趨勢已經形成。

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    鎳氫電池正極活性物質為Ni(OH)2(稱NiO電極),負極活性物質為金屬氫化物,也稱儲氫合金(電極稱儲氫電極),電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液?;钚晕镔|構成電極極片的工藝方式主要有燒結式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式及嵌滲式等,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,一般根據使用條件不同的工藝生產電池。通訊等民用電池大多采用拉漿式負極、泡沫鎳式正極構成鎳氫電池。充放電化學反應如下:


正極:Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-


負極:M+H2O+e-=MHab+OH-


總反應:Ni(OH)2+M=NiOOH+MH


注:氫合金(M),吸附氫(Hab),反應式從左到右的過程為充電過程,反應式從右到左的過程為放電過程。


充電時正極的Ni(OH)2和OH-反應生成NiOOH和H2O,同時釋放出e-一起生成MH和OH-,總反應是Ni(OH)2和M生成NiOOH,儲氫合金儲氫;放電時與此相反,MHab釋放H+,H+和OH-生成H2O和e-,NiOOH、H2O和e-重新生成Ni(OH)2和OH-。鎳氫電池的標準電動勢為1.32V。



    鎳氫電池的主要有6大特性:表現工作特性的充電特性與放電特性,表現儲存特性的自放電特性與長期儲存特性,表現綜合的循環壽命特性與安全特性。它們都決定于鎳氫電池的結構,表現于所處環境,顯著特點是受溫度與電流影響巨大。


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1、充電特性:當鎳氫電池充電電流增大和(或)充電溫度降低時會導致電池充電電壓上升。一般在0℃~40℃之間的環境溫度下采用不大于1C的恒定電流充電,而在10℃~30℃之間充電能獲得較高的充電效率。

     如果經常在高溫或低溫環境中對鎳氫電池充電,會導致鎳氫動電池性能的降低,對于0.2C以上的快速充電,充電控制措施是必不可少的。反復的過充也會降低鎳氫電池的性能,所以,高低溫以及大電流充電的保護措施一定要到位。


2、放電特性:鎳氫電池的放電平臺是1.2V,電流越大,溫度越低,鎳氫電池放電電壓和放電效率都會降低,鎳氫電池的最大連續放電電流為1C-2C。

     鎳氫電池的放電截止電壓一般設定在0.9V,IEC標準充放電模式設定為1.0V,因為,1.0V以下一般還可以提供穩定的電流,而0.9V以下還可以提供略小一些的電流,因此,鎳氫電池的放電截止電壓可以看作0.9V~1.0V的一個電壓區間,有些鎳氫電池則可以下標到0.8V。一般情況下,如果截止電壓設定得太高,則鎳氫電池容量不能被充分利用,反之,則容易引起鎳氫電池過放。


3、自放電特性:是指鎳氫電池充足電開路(無負載)存放時容量自耗的現象,自放電特性主要受環境溫度的影響,溫度越高,鎳氫電池存放后容量自耗就越大。


4、長期存放特性:主要是指鎳氫電池的電量恢復能力。經過較長時間(如一年)存放后使用時,鎳氫電池的容量可能會比存放前的容量小,但經過幾次充放循環后,鎳氫電池能恢復到存放前的容量。


5、循環壽命特征:鎳氫電池的循環壽命受充放電制度、溫度和使用方法的影響。按照IEC標準充放電時,一次完全充放電就是鎳氫電池的充電周期,多次的充電周期就構成了循環壽命,鎳氫電池的充放電循環可以超過500次。


6、安全性:鎳氫電池的安全性能是電池設計中較好的,這固然與其所采用的物質材料有關,也與其結構有密不可分的關系。在使用過程中,如果鎳氫電池使用不正當造成過充、過放、短路,而促使鎳氫電池內部壓力升高,這時,一個可恢復的安全閥將會打開,就能夠起到降低內部壓力,從而防止電池爆炸的作用。



鎳氫電池的用途

(1)電氣設備:電力儀表、自動化控制、測繪儀器。


(2)家用便攜式:便攜式血壓、血糖測試儀、多參數監護儀、按摩器、便攜式DVD等。


(3)燈具:探照燈、手電筒、應急燈、太陽能燈。


(4)電子玩具:飛機航模、遙控車、遙控船。


(5)電動工具:電鉆、電刨、電鋸、電批消費性電子產品鎳氫電池被普及地應用在消費性電子產品中。


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鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池


低壓鎳氫電池具有以下特點:


(1)電池電壓為1.2~1.3V,與鎳鎘電池相當。


(2)能量密度高,是鎘電池的1.5倍以上。


(3)可快速充放電,低溫性能良好。


(4)可密封,相對其它電池耐過充放電能力強。


(5)無樹枝狀晶體生成,可防止電池內短路(柱式型)。


(6)安全可靠對環境無污染,無記憶效應等。



高壓鎳氫電池具有如下特點:


(1)可靠性強。具有較好的過放電、過充電保護,可耐較高的充放電率并且無枝晶形成。具有良好的比特性。其質量比容量為60A·h/kg,是鎳鎘電池的5倍。


(2)循環壽命長,可達數500以上。


(3)全密封,維護少。


(4)低溫性能優良,在-10℃時,容量沒有明顯改變。



鎳氫電池在使用時應注意維護


(1)使用過程忌過充電。在循環壽命之內,使用過程切忌過充電,這是因為過充電容易使正、負極發生膨脹,造成活性物脫落和隔膜損壞,導電網絡破壞和電池歐姆極化變大等問題。


(2)防止電解液變質。在鎳氫電池循環壽命期,應抑制電池析氫。


(3)鎳氫電池的存放。保存鎳氫電池應在充足電后,如果在電池中沒有儲存電能的情況下長期保存電池,將使電池負極儲氫合金的功能減弱,并導致電池壽命減短。



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