能源材料第六讲镍镉电池ppt课件.ppt
第六讲 镍镉电池 1.定义：以KOH、NaOH水溶液为电解质的电池统称为碱性电池。 碱性电池种类： 镍铁；镍镉；氢气 2.碱性电池优点：能量密度高、自放电小、贮存性能好，可制成密封电池，容易实现小型化。 一、碱性电池概述 3.碱性蓄电池正极活性物质：NiOOH正极（氧化镍电极）和氧化银NiOOH电流反应机理：氧化镍电极在碱性溶液中，充电状态为NiOOH，放电状态为Ni（OH）从电极内部向电极表面扩散，由于它在固相中扩散，速度很慢。若充电电流不是很小，则电子的迁移大于质子的扩散，表面质子浓度下降，极端条件下，表面质子浓度为零。 此时电极表面为NiO状态，电流继续流过，溶液中的OH-被放出，同时放出氧气：4OH氧化镍电极的一个特性：在充电开始后不久，就有放氧副反应，当电极停止充电时，此时电极表面的NiO减少，电极电位下降，电极容量损失。3）Li/CuO电池由于氧化铜的体积比能量高，所以相对于其它锂电池来说，其比能量很高，它的工作电压接近普通电池（约1.2~1.5V，可以和普通电池互换，电池使用温度范围宽，环境温度高于100℃时仍可正常使用，广泛应用于地下石油开采，可能出现的放电反应：2Li++Cu此电池储存特性好。
与普通一次电池相比，其电压相当，但容量增加一倍以上。应用：智能仪器、遥测设备、高温环境应用等）放电过程（OH）固体：氧化镍α-Ni(OH)γ-NiOOH晶型的密度差别小，减少了电极的膨胀和变形，实际使用时应将电极控制在β-Ni(OH)10。制备方法主要有三种：化学沉淀结晶法；镍粉高压催化氧化法；金属镍电解沉淀法。11多数采用化学沉淀法，化学沉淀法得到的Ni(OH)综合性能良好，应用广泛。基本反应：以硫酸镍、氢氧化钠、氨水和少量添加剂为原料生成NiSO，化学反应在特制的电极反应器中进行，通过控制温度、pH值、加料参数等来控制晶粒大小，产品需经洗涤、干燥处理。 125)氧化镍电池添加剂由于氧化镍电池具有半导体性质，充放电反应不完全，活性物质利用率不高，需要加入少量添加剂来改善电池的性能。LiOH加入电解液中，有以下作用：阻止氧化镍晶粒长大，提高活性物质利用率；钴的存在可以减少γ-NiOOH的生成；提高氧放出过电位。13氧化钴。提高氧放出过电位；CoOOH导电性好，降低内阻，提高活性物质利用率。镉。正极中一般加入镉的化合物。增加反应的可逆性；抑制正极膨胀。
无有害影响(对镍镉而言)。 14 碱性电池的负极活性物质包括镉(15 二、镍镉(NiCd)电池的电流反应 NiCd电池负极：Cd 正极：NiOOH 三价氢氧化镍 负极反应：Cd+2OH+2e 正极反应：NiOOH+H16 充放电时总反应： +Cd+(OH)2+Cd(OH)2 放电过程中电解液会失水;充电过程中有水生成，因此必须控制电解液的量。 17 三、NiCd电池历史 1901年瑞典人尤格发明了镍镉电池，将20世纪前50年开发生产的活性物质装在穿孔镀镍钢带制成的外壳内)。用作牵引、起动、照明及信号电源。 18第二阶段是20世纪50年代发展起来的烧结电池。 第二次世界大战期间，德国瓦纳公司首先制成了烧结电池。由于电极可以做得很薄，实际表面积很大，电极间距离可以减小，所以烧结电池能承受大电流密度放电。第二次世界大战后，许多国家开始制造烧结电池，并在短时间内迅速发展，用作坦克、飞机、火箭等各种发动机的启动电源，有的还用作飞机的应急电源。19第三阶段是20世纪60年代发展起来的密封镍镉电池。由于烧结密封的镍镉电池舱具有大电流放电，可以满足大功率负载的需要，可以作为卫星使用。
、火箭、导弹、便携式激光器、背包对讲机、电子计算机、助听器及小功率电子仪器的电源等。特别是镉镍电池作为高效、长寿命的舱室电化学储能装置，在航天事业的发展中发挥了重大作用。1980年以后，我国镉镍电池工业得到大力发展，1990年前后生产工艺技术、生产规模和研发水平上了新的台阶，实现了镉镍电池的标准化、系列化生产。21负极活性物质为海绵状Cd，放电终止产物为Cd(OH)Cd+2OH+2e。四、镉负极的工作原理22在钝化电位以下，电极表面沉积的Cd(OH)疏松多孔，不阻碍溶液中OH-离子继续向电极表面扩散。 因此，电极反应速度不会受到明显影响，镉电极的放电深度大，活性物质的利用率高。23如果达到镉的钝化电位，反应就不同了，这时在金属表面会形成一层很薄的钝化膜，这层膜一般认为是CdO。如果放电电流密度过大，温度过低，碱浓度低，都容易造成镉电极钝化。显然，镉电极的放电容量或活性物质的利用率会受到溶液中镉的钝化程度的限制。24为防止电极钝化，在活性物质中加入表面活性剂或其他添加剂，起分散、阻碍作用。防止Cd结晶形成大晶粒；提高电极的放电电流密度等。负极放氢过电位大，控制充电电流。 充电时不会有氢气排放。Cd25密封电池的优点：无需维护；可以在任何位置使用；过度充电时不会有气体排放。
5、密封NiCd电池原理 26、NiCd电池做成密封结构时需要考虑哪些问题？NiCd电池在贮存和某些充放电条件下产生的气体如何排除或能不能排除？ 273、密封NiCd电池的可能性 NiCd电池是第一种实现密封的电池，具有以下优点： 1）镉在贮存过程中不产生氢气，另一方面氢在Cd电极上的过电位比较大，通过控制适当的充电电流，Cd电极上就不会有氢气的产生。 282）Cd正极是海绵状的镉，分散性好，与氧有较高的结合能力。无论是充电时正极产生的氧气，还是自放电产生的氧气，扩散到负极时都容易产生化学反应：2Cd+2O29。这两个特点为密封提供了可能性。 正极充电时产生的氧气可被负极吸收，但也必须防止过度充电或过放电。1）负极的容量应大于正极。负极上始终存在未带电的活性物质，当正极过充电时，负极上有一部分Cd(OH)2尚未被还原，避免了过充电时氢离子被还原而产生氢气；电池过充电时，正极释放出的氧气被负极充电时产生的海绵状镉吸收后又生成Cd(OH)2，负极永远不够用。正极与负极的电荷量=1：1.3～1.24。密封措施302）反极性保护由串联在一起的单体电池组成的电池组在放电时，虽然单体电池是同一型号，但必然存在容量不均匀性，因此当容量最小的单体电池的容量放完后，整个电池组仍在放电。 此时，容量最小的电池被强制“过度放电”，从而产生反极性充电状态。
在反向充电时，负极开始释放氧气，由于没有耗氧，电池内压会不断升高，这样就会引起爆炸。 解决方法：在正极上加一些活性物质Cd(OH)2，在正常充放电时，这部分物质不起作用，一旦电池深度放电反向充电，这个Cd(OH)2就会起作用，还原。还原的镉还可以吸收反向充电时负极上释放的氧气，使电池内压不至于升高。 313）使用吸液性好、透气性好的有限电解液和隔膜。电解液小，内阻大，电解液大，不利于氧气 4）电池设计采用安全排气阀，当电池内部气体压力高于设定值时，打开排气孔，让气体排出，防止电池爆炸。 32 按电极的结构和制造工艺分：板盒式电极是用穿孔镀镍钢带制成的袋状或管状壳体，其中填有正、负极活性物质。在容量为5Ah~的电池中应用较多。 六、镍镉电池的分类 压合式：活性物质用干粉直接涂抹 糊状式：将活性物质用粘结剂制成糊状，涂抹在骨架上； 烧结式：先将镍粉烧结成骨架，再将活性物质填入多孔基体的孔内。一面为负极，另一面为正极，中间为浸泡在电解液中的隔膜，然后层层压合。 35 额定电压为，放电曲线稳定； 大电流放电性能好； 自放电小，低温性能好； 寿命长； 易于制成密封电池。
七、镍镉电池的性能 36 八、镍镉电池的制备工艺 1、基体制备法 1）烧结板 烧结基体为多孔镍基体。 干法：将镍粉与成孔剂（碳酸氢铵）混合，与骨架（镀镍网）一起成型。 湿法：刮浆法，包括镍浆制备、刮浆、干燥等步骤。 37 2）非烧结基体 泡沫镍电极 多孔树脂材料的活化 化学镀镍 电镀镍后处理 电极制备 1）电极浸渍。将活性物质填充到微孔烧结基体中的过程。将基体置于合适的基体中，然后进行化学、电化学或热处理，使活性物质沉积在基体上。此过程需重复进行，才能达到所需的活性物质量。 烘干、压合403.化成电化学或化学1)除去电极内混入的有害杂质2)电极化成后，经过几次氧化还原过程，可增加电极的实际表面积；3)与电极结合松散的活性物质，可在化成后的清洗过程中刷掉。41九、镍镉电池的记忆效应镍镉电池每次充电时，负极上都有氢氧化镉，电极发生反应，生成金属镉，沉积在负极表面。放电时，负极表面的金属镉发生反应，生成氢氧化镉。这是一种溶解而非沉积的反应。42当充放电不完全时，电极中的镉金属会慢慢产生大的晶体，阻碍后面的化学反应，导致容量性能大幅下降。这就是记忆效应产生的原因。
放电电压低可用1-2次完全放电解决。多次充电后放电一次，防止记忆效应。镍镉电池贮存必须将电池完全放电后贮存。NiOOH的生成机理是什么？它的电化学反应有什么显著特点？一般控制什么结晶反应？为什么？镍镉电池的电化学反应？它的特点是什么？复习题电池密封的密封措施有哪些？分别叙述。10、镍镉电池化成的作用是什么？化成操作怎样进行？11、镍镉电池记忆效应产生的原因是什么？怎样防止？