镍氢电池（柱式）的结构、原理以及特性

镍氢电池（柱式）的结构、原理以及特性

镍氢电池（柱式）是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池的正极活性物质为Ni(OH)2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（该电极称储氢电极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。镍氢电池作为氢能应用的一个重要方向，正日益受到人们的重视。

在人类大规模开发利用的情况下，化石燃料越来越少，近年来氢能的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能应用的重要方向，日益受到人们的关注。虽然镍氢电池确实是性能良好的一类电池，但是航天用镍氢电池属于高压镍氢电池（氢气压力可达3.92MPa，即40kg/cm2）。这样的高压氢气存放在薄壁容器中容易发生爆炸，而且镍氢电池还需要贵重金属作为催化剂，成本十分昂贵，难以民用。因此，国外从20世纪70年代开始探索民用低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。 高压镍氢电池最早由美国的M.Klein和JF于20世纪70年代初研制成功，用镍氢电池代替镉镍电池并应用于各类卫星的趋势已经形成。

镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极)，负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金(该电极称储氢电极)，电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。活性物质形成极板的主要工艺有烧结、拉浆、泡沫镍、纤维镍和嵌渗等。不同工艺制备的电极，其容量、大电流放电性能差别很大，电池一般根据不同的使用条件，采用不同的工艺生产。通讯等民用电池大多采用拉浆负极、泡沫镍正极组成镍氢电池。充放电的化学反应如下：

正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-

负极：M+H2O+e-=MHab+OH-

总反应：Ni(OH)2+M=NiOOH+MH

注：氢合金（M），吸附氢（Hab），从左至右为充电过程，从右至左为放电过程。

充电时，正极Ni(OH)2与OH-发生反应生成NiOOH和H2O，同时放出e-生成MH和OH-。总的反应是Ni(OH)2与M生成NiOOH，储氢合金储存氢气。放电时则相反，MHab放出H+，H+与OH-生成H2O和e-，而NiOOH、H2O和e-又重新生成Ni(OH)2和OH-。镍氢电池的标准电动势为1.319V。

镍氢电池主要有体现工作特性的充放电特性、体现储存特性的自放电特性和长期储存特性、综合循环寿命特性和安全特性等六大特性，它们都是由镍氢电池的结构决定的，并体现在所处的环境上，最显著的特点是受温度和电流的影响很大。

1、充电特性：当镍氢电池充电电流增大和/或充电温度降低时，电池充电电压会升高。一般在环境温度0℃~40℃之间采用不大于1C的恒定电流充电，在10℃~30℃充电可得到较高的充电效率。

镍氢电池如果频繁在高温或低温环境下充电，镍氢电池的性能会降低。对于0.2C以上的快速充电，充电控制措施必不可少。反复过充电也会降低镍氢电池的性能，因此必须做好高低温和大电流充电的保护措施。

2、放电特性：镍氢电池的放电平台为1.2V，电流越大，温度越低，镍氢电池的放电电压越低，放电效率越低，镍氢电池的最大持续放电电流为1C-2C。

镍氢电池的放电截止电压一般设定为0.9V，IEC标准充放电方式设定为1.0V，因为低于1.0V一般能提供稳定的电流，低于0.9V则能提供稍小的电流。因此，镍氢电池的放电截止电压可视为0.9V~1.0V的电压范围，有的镍氢电池可标低至0.8V。一般来说，截止电压设定过高，镍氢电池的容量无法充分发挥，反之则容易造成镍氢电池过放电。

3、自放电特性：指镍氢电池充满电后，在开路（无负载）状态下存放时，其容量自行消耗的现象。自放电特性主要受环境温度的影响，温度越高，镍氢电池存放后消耗的容量越大。

4、长期贮存特性：主要是指镍氢电池恢复电量的能力。在经过较长时间的贮存（如一年）后使用时，镍氢电池的容量可能会比贮存前的容量小，但经过几次充放电循环后，镍氢电池可以恢复到贮存前的容量。

5、循环寿命特性：镍氢电池的循环寿命受充放电制度、温度及使用方法等影响。根据IEC标准，一次完全充放电为镍氢电池的充电周期，多次充电周期构成循环寿命。镍氢电池的充放电周期可超过500次。

6、安全性：镍氢电池的安全性能是所有电池设计中最好的，这当然和所用的材料有关，但也和其结构息息相关。在使用过程中，如果镍氢电池使用不当，造成过充、过放，或者短路，导致镍氢电池内部压力升高，可恢复式安全阀就会打开，可以降低内部压力，防止电池爆炸。

镍氢电池的用途

（1）电气设备：电力仪表、自动化控制、测绘仪器等。

（2）便携式家用：便携式血压和血糖测试仪、多参数监护仪、按摩器、便携式DVD等。

（3）照明：探照灯、手电筒、应急灯、太阳能灯。

（4）电子玩具：模型飞机、遥控车、遥控船等。

（5）电动工具：电钻、电刨、电锯、电动螺丝刀等。镍氢电池在消费电子产品中应用十分广泛。

镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。

低压镍氢电池具有以下特点：

（1）电池电压为1.2~1.3V，与镍镉电池相当。

（2）能量密度高，是镍镉电池的1.5倍以上。

（3）可快速充放电，低温性能好。

（4）可密封，抗过充、过放电能力比其他电池更强。

（5）不会产生枝晶，可防止电池内部短路（柱式）。

（6）安全可靠、对环境无污染、无记忆效应等。

高电压镍氢电池具有以下特点：

（1）可靠性高。具有良好的过放电和过充电保护，能承受高倍率充放电，无枝晶形成。比容量特性好。质量比容量为60A·h/kg，是镉镍电池的5倍。

（2）循环寿命长，可达500次以上。

（3）全密封，维护成本低。

（4）优异的低温性能，在-10℃时，容量无明显变化。

镍氢电池在使用时应小心保养

（1）使用过程中避免过充电。在循环寿命期间，使用过程中应避免过充电，因为过充电易引起正负极膨胀，造成活性物质脱落及隔膜损伤，导电网络被破坏，电池欧姆极化增大。

（2）防止电解液劣化。在镍氢电池的循环寿命期间，应抑制氢气的析出。

（3）镍氢电池的贮存。镍氢电池应充满电，如果长时间不储存电能而贮存，负极储氢合金的作用会减弱，缩短电池寿命。