镍氢电池的工作原理.doc
镍氢电池工作原理 镍氢电池与同等体积的镍镉电池相比，容量提高了一倍，充放电循环寿命更长，无记忆效应。镍氢电池正极活性物质为NiOOH（放电时）和Ni(OH)2（充电时），负极板活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时）。电解液采用30%氢氧化钾溶液。充放电时的电化学反应如下：:this.width=(this,600)=="点击此处在新窗口浏览图片" 从方程式中我们可以看出，充电时，氢气在负极处析出并储存在容器中，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍（NiOOH）和H2O；放电时，负极处氢气被消耗，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍。 过充时的电化学反应::this.width=(this,600)=="点击此处在新窗口浏览图片" 从方程式中我们可以看出，电池过充时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于带催化剂的氢电极面积很大，氢气随时可以扩散到氢电极表面，所以氢气和氧气很容易在电池内复合生成水，使容器内气体压力不变的情况下，复合速度很快，可以使电池内氧气浓度不超过千分之一。 从以上反应方程式可以看出，镍氢电池的反应与镍镉电池类似，只是负极在充放电过程中生成物不同。 从后两个反应方程式可以看出，镍氢电池也可以做成密封结构。
镍氢电池的电解液多为KOH水溶液，加入少量的LiOH。隔膜采用多孔维纶无纺布或尼龙无纺布制成。为防止充电后期电池压力过高，电池内装有防爆装置。电池充电特性镍镉电池的充电特性曲线如图1所示。当以恒定电流刚充入放电后的电池时，由于电池内阻引起的电压下降，电池电压很快上升（A点）。此后，电池开始接受充电，电池电压继续以较低的速率上升。在此范围内（AB之间），电化学反应以一定的速率生成氧气，氧气也以同样的速率与氢气结合。因此，电池的温度和气体压力都很低。 :this.width=(this,600)=="点击此处在新窗口查看图片"镍镉电池的充电曲线在电池充电过程中，当产生的氧气高于化合的氧气时，电池压力就会升高。电池的正常压力约为1lbf/in2。当过度充电时，根据充电速率的不同，电池的压力会迅速升至/in2或更高。在研究各种电池充电方法时，镍镉电池产生的气体是一个重要的问题。气泡聚集在极板表面，会减少极板参与化学反应的表面积，增加电池的电阻。当过度充电时，电池会产生大量的气体。如果不能迅速重新化合，电池内的压力就会显著增加，从而损坏电池。此外，当压力过高时，密封的电池会打开通风口，让电解液逸出。
如果电解液反复通过通气孔逸出，电解液粘度增大，极板间离子的传输就变得困难，因此电池的电阻增大，容量下降。经过一定时间后（C点），电解液中开始出现气泡，这些气泡聚集在极板表面，使极板的有效面积减小，因此电池的阻抗增大，电池电压开始迅速上升。这是电池接近充满电的信号。充满电后，充入电池的电流并不转化为电池的能量储存，而是在正极板上产生氧过电位。氧是由电解液电解产生的，而不是由氢氧化镉还原成镉产生的。 在氢氧化钾与水组成的电解液中，氢氧离子变成氧气、水和自由电子，反应式为4OH-O2+2H2O+4e-。电解液产生的氧气虽然能在负极板表面电解液中迅速复合，但电池的温度仍会大幅上升。另外，由于充电电流产生氧气，电池的压力也会随之上升。由于大量氢氧离子比少量氢氧化镉更容易分解氧气，因此电池的温度急剧上升，导致电池电压下降。因此，电池电压曲线有一个峰值（D点）。在电解液中，氧气的产生与复合是放热反应，当电池过充时（E点），氧气不断产生，使电池的温度和压力上升。如果强行排出气体，会造成电解液减少，电池容量下降，损坏电池。如果不能迅速排出气体，电池就会爆炸。 当采用低倍率恒流涓流充电时，电池会产生枝晶。
这些枝晶可以通过隔膜在极板之间扩散，在严重扩散的情况下，这些枝晶会造成电池的部分或完全短路。NiMH电池的充电特性与NiCd电池相似，二者在充电过程中的电压和温度曲线分别如图1-2和1-3所示。可以看出，在终止充电时，NiCd电池的电压降远大于NiMH电池。在电池容量达到额定容量的80%之前，NiCd电池的温度上升比较缓慢，在电池容量达到90%之后，NiCd电池的温度上升很快。当电池基本充满电后，NiCd/NiMH电池的温升速度基本相同。:this.width=(this,600)=0充电过程及充电方式电池的充电过程通常可分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。 对久未使用或新电池充电时，一开始就快速充电会影响电池寿命，因此这类电池应先用小电流充电，以满足一定的充电条件，这个阶段叫预充电。快速充电就是用大电流充电，使电池电量迅速恢复。快速充电速率一般在1C以上，快速充电时间由电池容量和充电速率决定。为了避免过充，有些充电器采用小电流充电。镍镉电池正常充电时，可以接受C/10或更低的充电速率，因此充电时间在10小时以上。小电流充电时，电池不会产生过多的气体，电池温度也不会过高。
只要将电池接入充电器，低倍率恒流充电器就能为电池提供非常小的涓流充电电流。当用小电流给电池充电时，电池产生的热量可以自然散发。涓流充电器的主要问题是充电速度太慢，例如容量为1Ah的电池，以C/10的充电速率充电需要10多个小时。另外，当电池反复以低充电速率充电时，会产生枝晶。大多数涓流充电器没有任何电压或温度反馈控制，因此不能保证电池充满电后立即关闭充电器。快速充电分为恒流充电和脉冲充电。恒流充电是用恒定电流充电，而脉冲充电是先用脉冲电流给电池充电。然后让电池放电，如此反复。电池脉冲的幅度很大，宽度很窄。通常放电脉冲的幅度约为充电脉冲的3倍。 放电脉冲的幅值虽然与电池容量有关，但与充电电流幅值的比值不变。脉冲充电时，充电电流波形如图1-4所示。:this.width=(this,600)=0