镍镉电池的工作原理

镍镉电池的工作原理

很多朋友都想知道镍镉电池的工作原理，那今天我们专业的镍氢电池生产厂家就带大家了解一下镍镉电池的工作原理。我们先来介绍一下什么是镍镉电池。镍镉电池的正极材料是球形的氢氧化镍，充电时为NiOOH，放电时为Ni(OH)2。镍镉电池（Ni-Cd，-）因其含有金属镍和镉的碱性氢氧化物而闻名。

负极材料为棉状的金属镉或氧化镉粉末及其氧化铁粉末，氧化铁粉末的作用是使氧化镉粉末具有较高的扩散性，提高极板的容量。电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。为提高电池的容量和循环寿命，电解液中通常加入少量氢氧化锂（每升电解液约加入15~20g）。

1.首先了解镉电极反应的基本原理

镍镉电池负极活性物质为棉絮状的金属镉，放电产物为Cd(OH)2，不溶于KOH溶液。镉电极放电反应的基本原理是溶解-沉积原理。放电时Cd被氧化生成Cd(OH)3–进入溶液中，然后形成Cd(OH)2沉积在电极上。Cd(OH)3–在碱性溶液中的溶解度为9×10-5mol/L，这个浓度可以使镉电极有较高的反应速率，这也是镍镉电池能高倍率放电的核心原因。电极放电的基本原理是OH-先被吸附：Cd+OH–→Cd-OH吸附+e–

随着极板电位继续升高，镉进一步氧化生成Cd(OH)3–进入溶液：

Cd-OH 吸附 + 2OH– → Cd(OH)3– + 2e-

当界面溶液中 Cd(OH)3– 过饱和时，Cd(OH)2 会沉淀：

Cd(OH)3–→Cd(OH)2↓+OH–

生成的Cd(OH)2粘附在电极表面，形成疏松多孔的Cd(OH)2，更利于溶液中的·OH继续向电极内部结构扩散，使得内部结构中的棉花状镉也经过溶解、沉积过程转化为Cd(OH)2，实现内部结构中活性物质的放电。

2.镍电极的反应机理

当镍电极充电时，第一步是电极中Ni(OH)2粒子表面的Ni2+失去电子变成Ni3+，电子通过正极中的导电网络和集流体转移到外电路；与此同时，Ni(OH)2粒子表面晶格OH-中的H+通过界面双层进入溶液中，与溶液中的OH-结合生成H20。上述反应首先发生在Ni(OH)2粒子表面，使表面层质子H+浓度降低，而粒子内部结构中仍然保持较高的H+浓度，由于浓度梯度的作用，H+从粒子内部结构向表面扩散。

在镍电极充电时，由于质子H+在NiOOH/Ni(OH)2粒子中的扩散系数小，导致粒子表面质子浓度下降，在极限状态下将降至零，此时表面层中的NiOOH几乎完全转化为NiO2，电极电位继续上升，反应如下：

NiOOH+OH–→NiO2+H2O+e–

由于电极电位的升高，溶液中的OH-被氧化，发生下列反应：

40H--4e--→O2↑+2H2O

因此在充电过程中，镍电极上会有O析出，但这并不代表充电过程已经完全结束，一般充电后不久镍电极就会开始析出氧气，这也是镍电极的特性。最终状态下，表面层生成的NiO并不以单独的结构存在于电极中，而是掺杂在NiOOH晶格中。NiO2不稳定，会分解析出氧气。

2NiO2+H2O→+1/2O2↑