6.1.5 镍氢蓄电池在线视频

在电动汽车中得到应用的动力电池

是镍氢蓄电池

1887年 德马聚尔和哈斯莱彻

讨论了氧化镍作为正极活性物质

在碱性电池中应用的可能性

1901年开始 杨格纳与爱迪生合作

进行了镍镉电池和镍铁电池的研究

并取得多项专利

1928 年 彭菲尔德等人发明了烧结基板式电极

以后经不断改进

工艺逐渐成熟并实用化

烧结式镍电极技术的发明和应用

在镍电极发展史上具有重要的作用和意义

但这种结构的镍电极生产工艺复杂 成本较高

后来又陆续发明发泡式 纤维式镍基板

进一步推动镍电池的发展

20世纪70年代开始研究了高压镍电池

其特点是正极采用氢氧化亚镍

负极是高压氢气

采用铂 铑等贵金属作为催化剂

电解液采用氢氧化钾或氢氧化钠的碱溶液

隔膜采用多孔维尼纶无纺布或者尼龙无纺布等

由于高压镍电池需要贵金属催化剂 成本高

内部氢气压力高

增加了电池密封的困难和壳体材料的选择难度

而且安全性差 最终未能实现商业化

而储氢合金技术的问世与突破

则给镍电池带来新的推动

1958年发现锆镍ZrNi储氢合金

1982年美国奥佛公司申请

将储氢合金应用于电池电极制造专利

使得此材料受到市场的重视

同年日本也开始进行储氢合金及镍氢电池的研究

到1985年荷兰菲利浦公司

突破了储氢合金在充放电过程中

容量衰减的问题

使得储氢合金

在镍氢电池负极材料上的应用脱颖而出

采用贮氢合金材料作为电池负极的

金属氢化物-镍电池是一种新型绿色化学电源

早期是以镍镉电池的替代品身份出现

由于其安全性 稳定性 环保性特点突出

迅速的占领了便携式电器

电动工具 应急电源等市场

特别是镍氢混合动力汽车电池的诞生

将镍氢电池的发展推向了高峰

金属氢化物-镍电池自1988年进入实用化阶段

1990年开始规模化生产

让我们先来看一个短片 了解一下稀土镍氢电池

美国的奥佛公司在美国先进电池联合体USABC的资助下

开展了电动车用镍氢MH/Ni电池的开发

开发出以锆-钛-钒-镍Zr-Ti-V-Ni系

贮氢合金作为负极活性物质的动力型镍氢MH/Ni电池

该电池的比能量可以高达到 94Wh/kg

日本的松下公司

也研制出了系列电动车用镍氢MH/Ni电池

并且与丰田公司合作

实现了世界上首次商业化批量生产

法国的萨夫特公司

1992年起进行了混合动力汽车

用方形镍氢MH/Ni电池的研究

并且在 1999 年投入生产

德国的瓦尔塔公司自20世纪80 年代末

就开始研究电动车用MH/Ni电池

他们研制的车用镍氢电池

比能量可以达到80Wh/kg

另外 日本的东北电力公司

韩国的现代汽车公司等都开展了

混合动力用动力型镍氢MH/Ni电池的开发

镍氢电池的基本结构如图所示

它是一种以质子为电子转移载体

在正负极之间转移来实现充放电的电池

通常由正极 负极 隔膜以及电解质溶液四部分组成

其中正极以氢氧化亚镍Ni(OH)2为电极活性物质

在充电过程中脱出质子使其向负极移动

放电时质子重新嵌入正极中

负极以各种稀土储氢合金作为电极活性材料

在充电过程中正极来的质子

在负极表面得电子后变成氢原子吸附进入负极

在放电过程中吸附氢脱失电子

重新变成质子向正极移动

电解液为强碱性混合溶液

通过质子与氢氧根结合成水

以及水重新解离为质子和氢氧根

来起到让质子在正负极之间往复移动的载体作用

多采用氢氧化钾KOH溶液

并加入少量的氢氧化锂Li-OH溶液

隔膜是正极与负极之间的物理隔阂

同时对于抑制充放电过程中的副反应有重要作用

在镍氢电池的充放电过程中

正极是质子源 负极是质子储存体

电解液是质子传递载体

其中正极材料和负极材料中

容量较低的材料决定整个镍氢电池的容量

下面我们来讨论一下镍氢电池工作原理

镍氢电池是一种用氢氧化亚镍作为正极活性物质

稀土储氢合金作为负极活性物质

并使用氢氧化钠NaOH

氢氧化钾KOH或氢氧化锂LiOH

作为电解液工作的一种电池系统

其电化学反应式如下式所示

其充放电过程如图所示

可见在充电过程中

氢氧化亚镍的镍Ni锂子被氧化

失去一个电子成为+3价

同时羟基脱去一个质子H+

其在正极材料与电解液界面处

电解液中的氢氧根离子OH-结合生成水

同时在负极材料表面

水分子在电极表面

被催化还原成为一个氢原子

和一个氢氧离子OH-

氧原子吸附在合金表面成为吸附氧

随后通过扩散作用

进入合金中形成金属氢固溶体

放电时负极中固溶的氢原子

扩散到合金表面

与电解液中的氢氧离子OH-

发生电化学反应生成水

同时正极材料中+3价Ni被还原成为+2价

由水解电锂产生的质子H+进入正极材料中

最终氢氧化镍NiOOH

被还原成氢氧化亚镍Ni(0H)2

整个充放电过程中电极表面均无金属析出

质子以碱液为介质在正负极之间转移

但是在镍氧电池充放电过程中

如果充电不当会使电池发生过充电

从而诱发电极副反应

正极如果发生过充电

会发生析氧副反应

由于析出的氧气在电极内发生团聚

因此容易造成局部内压过高

导致正极发生结构破坏

因此即使是较轻微的析氧反应

也会给电池容量带来不可逆的损失

严重影响了镍氢电池的使用性能

负极如果过充电

会产生析氢副反应

由于析出的氢气会不断吸附到负极储氢合金中

当储氧合金吸附氢已达饱和之后

氢气就会在电池内团聚从而造成内压增高

同时饱和吸附的储氢合金粉末化可能性加剧

极大的损害了电极的寿命

正极析出的氧气与负极

析出的氢气还会通过电解质扩散

在电解质中发生复合同时放出大量的热

使电池温度急剧升高

进一步加剧析氧析氢恶性循环

从而有发生起火和爆炸的危险

为电池带来极大的安全隐患

因此 镍氢电池中一般还设有安全排气孔

当镍氢电池过充电时

金属壳内的气体压力将逐渐上升

当该压力达到一定数值后

顶盖上的限压安全排气孔打开

因此可以避免镍氢电池因气体压力过大而爆炸

镍氢电池主要的优点是

比能量高

这意味着一次充电可行使的距离比较长

比功率大 尤其在大电流工作时也能平稳放电

说明其加速爬坡能力好

同时低温放电性能好

循环寿命长

镍氢电池充放电循环次数一般达到500次以上

容量呢而且没有明显的减少

有的可以达到充放电循环次数1000次

镍氢电池基本上没有记忆效应 可随时充电

而且充电前不需要先放空电

使用比较方便 此外安全可靠 免维护

更为重要的是 镍氢电池的生产

使用以及废弃以后 对环境影响极小

而且可再生利用 符合持续发展的理念

因此被一些人称为绿色电池

但是镍氢电池单体电压较低

不易组成大容量电池组

为了达到一定的功率和电池等级

那么就需要大量的电池布置比较困难

而且价格偏高 电池的均匀性较差

特别是在高速率 深放电的情况下

电池之间的容量和电压差较大

自放电率较高

性能水平和现实要求存在一定的差距

这些问题都影响了

镍氢电池在电动汽车上的广泛使用