镍氢电池的工作原理
镍氢电池的工作原理
与同体积的镍镉电池相比，镍氢电池的容量是其两倍，充放电循环寿命更长，并且无记忆效应。 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） ，且电解液采用30%氢氧化钾溶液，充放电时的电化学反应如下：
从方程式可以看出：充电时，氢气从负极析出并储存在容器中，正极由氢氧化镍转变为氢氧化镍（NiOOH）和H2O； 放电时，氢气在负极上被消耗，正极由氢氧化镍转变为氢氧化镍。
过充电时的电化学反应：
从方程式可以看出，当电池过充电时，正极板释放出氧气，负极板释放出氢气。 由于带有催化剂的氢电极面积很大，氢气可以随时扩散到氢电极表面，因此氢气和氧气很容易在电池内部重新结合形成水，保持容器内的气压不变。 这种复合速度非常快，可以将电池内部的氧气浓度降低到不超过千分之几。
从上述反应方程式可以看出，镍氢电池的反应与镍镉电池类似，只是负极充放电过程中产生的产物不同。 从后两个反应方程可以看出，镍氢电池也可以做成密封结构。 。 镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液，添加少量LiOH。 隔膜由多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布制成。 为了防止后期充电过程中电池内压过高，电池上设有防爆装置。
电池充电特性
镍镉电池的充电特性曲线如图1所示。当对已放电的电池进行恒流充电时，由于电池内阻引起的电压下降，电池电压迅速上升（A点）。 此后，电池开始接受充电，电池电压继续以较慢的速度上升。 在此范围内（AB之间），电化学反应以一定的速率产生氧气，并且氧气也以相同的速率与氢气结合。 因此，电池内部的温度和气压非常低。
图1 镍镉电池充电曲线
电池充电过程中，当产生的氧气高于化合氧时，电池内部的压力增大。 电池内的正常压力*约为 1 lbf/in2。 过度充电时，电池的内部压力将根据充电速率迅速升至 100 lbf/in2 或更高。
在研究电池的各种充电方法时，镍镉电池中产生的气体是一个重要问题。 气泡聚集在极板表面，会减少极板表面参与化学反应的面积，增加电池的内阻。 过度充电时，电池中会产生大量气体。 如果不能快速复合，电池内部的压力会显着增加，从而损坏电池。 此外，当压力过高时，密封电池会打开排气口，让电解液逸出。 如果电解液反复从排气孔逸出，电解液的粘度就会增加，离子在极板之间难以传输，因此电池的内阻增大，容量下降。
经过一定时间（C点）后，电解液中开始形成气泡。 这些气泡聚集在电极板表面，减少了电极板的有效面积。 因此，电池的内阻增大，电池电压开始迅速上升。 这是电池即将充满电的标志。
充满电后，充入电池的电流并没有转化为电池的储存能量，而是在正极板上产生氧过电位。 氧气是由于电解液的电解而产生的，而不是由于氢氧化镉还原为镉而产生的。在氢氧化钾和水组成的电解液中，氢氧根离子变成氧、水和自由电子。 反应式为：
4OH―→O2↑+2H2O+4e―
尽管电解液产生的氧气可以在负极板表面的电解液中快速复合，但电池的温度仍然明显升高。 另外，由于充电电流用于产生氧气，电池内的压力也会增加。
由于大量的氢氧根离子比少量的氢氧化镉更容易分解氧气，因此电池内部的温度急剧上升，导致电池电压下降。 因此，电池电压曲线出现峰值（D点）。
在电解液中，氧的产生和复合是放热反应。 当电池过度充电时（E点），不断产生氧气，使电池内部的温度和压力升高。 如果强行排出气体，会导致电解液减少，电池容量下降，甚至损坏电池。 如果气体不能快速释放，电池就会爆炸。
当采用低倍率恒流涓流充电时，电池中会产生枝晶。 这些枝晶可以通过分离器在板之间扩散。 在扩散严重的情况下，这些枝晶会导致电池部分或完全短路。
镍氢电池的充电特性与镍镉电池相似。 两者在充电过程中的电压和温度曲线如图1-2和图1-3所示。 可以看出，终止充电时，镍镉电池的电压降比镍氢电池大得多。 当电池容量达到额定容量的80%时，镍镉电池的温度缓慢上升。 当电池容量达到90%时，镍镉电池的温度迅速上升。 当电池基本充满电时，NiCd/NiMH电池的温升速率基本相同。
充电流程及充电方法
电池充电过程通常可分为四个阶段：预充电、快速充电、补充充电和涓流充电。
对长时间未使用的电池或新电池充电时，一开始就使用快充会影响电池的寿命。 因此，应先对此类电池进行小电流充电，使其满足一定的充电条件。 这个阶段称为预充电。
快充是指用大电流充电，快速恢复电池电量。 快充倍率一般在1C以上，快充时间由电池容量和充电倍率决定。
为了避免过度充电，有些充电器采用小电流充电。 镍镉电池正常充电时，可接受C/10或更低的充电倍率，因此充电时间应在10小时以上。 采用小电流充电，电池内不会产生过多的气体，电池温度也不会太高。 只要将电池连接到充电器上，低倍率恒流充电器就可以向电池提供较小的涓流充电电流。 当用小电流对电池充电时，电池中产生的热量可以自然散发出去。
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，采用C/10充电倍率充电时间将需要10个小时以上。 此外，当电池以低充电速率反复充电时，也会形成枝晶。 大多数涓流充电器没有任何电压或温度反馈控制，因此不能保证充电器在电池充满电后立即关闭。
快速充电有两种类型：恒流充电和脉冲充电。 恒流充电采用恒定电流对电池进行充电，而脉冲充电采用脉冲电流先对电池进行充电。 然后让电池放电，等等。 电池脉冲具有大振幅和窄宽度。 通常放电脉冲的幅度约为充电脉冲的3倍。 尽管放电脉冲的幅度与电池容量有关，但与充电电流幅度的比率保持不变。 脉冲充电时，充电电流波形如图1-4所示。
在充电过程中，镍镉电池中的氢氧化镍被还原为氢氧化镍，氢氧化镉被还原为镉。 这个过程中产生的气泡聚集在极板的两侧，会减少极板的有效面积，增加极板的内阻。 随着极板的有效面积变小，整个电池充电所需的时间就会增加。
添加放电脉冲后，气泡离开极板并与负极板上的氧气重新结合。 这种去极化过程降低了电池的内压、温度和内阻。 同时，充入电池的大部分电荷都转化为化学能，而不是转化为气体和热量。
充放电脉冲宽度的选择应保证极板恢复原来的晶体结构，从而消除记忆效应。 采用放电去极化措施，可以提高充电效率，并可以进行大电流快速充电。
当使用某些快速充电方法时，快速充电终止后电池并未充满。 为了保证100%充电，还应该增加一个充值充电过程。 充值充电速率一般不超过0.3C。 在补充充电过程中，温度会持续升高，当温度超过规定限值时，充电器切换为涓流充电。
存放时，镍镉电池的电量会在C/30至C/50的放电倍率下下降。 为了补偿电池因自放电而造成的电量损失，充电器应在补充充电完成后自动切换到涓流电流过程。 涓流充电也称为维持充电。 根据电池的自放电特性，涓流充电率通常非常低。 只要将电池与充电器连接，并且充电器开机，在维持充电状态下，充电器就会以一定的充电倍率对电池进行充电，使电池始终充满电。
快速充电终止控制方法
采用快速充电方式时，充电电流是常规充电电流的几十倍。 充满电后，如果不及时停止快速充电，电池的温度和内压会迅速上升。 当内部压力过高时，密封电池会打开排气孔，使电解液逸出，导致电解液变得更加粘稠，增加电池的内阻，容量下降。
从镍镉电池的快速充电特性可以看出，充满电后，电池电压开始下降，电池的温度和内压迅速上升。 为了保证电池充满电但不过充，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等方法。
(1) 时序控制
使用1.25C充电倍率时，1小时即可将电池充满； 使用2.5C充电速率时，30分钟即可将电池充满。 因此，根据电池的容量和充电电流很容易确定所需的充电时间。 这种控制方法是最简单的，但由于电池的初始充电状态并不完全相同，有的电池欠充电，有的电池过充电，因此，这种方法只允许在充电倍率小于0.3C时使用。
(2)电压控制
在电压控制方法中，最容易检测的是电池的最大电压。 常用的电压控制方法包括：
从充电特性曲线可以看出最大电压（Vmax）。 当电池电压达到最大值时，电池已充满。 充电过程中，当电池电压达到规定值时，应立即停止快充。 这种控制方法的缺点是电池充满电的最大电压随着环境温度和充电速率的变化而变化，电池组中每个单体电池的最大充电电压也不同。 因此，用这种方法无法非常准确地判断电池的好坏。 充满电。
负电压增量（-ΔV） 由于电池电压负增量与电池组的绝对电压无关，不受环境温度、充电倍率等因素影响，因此可以更准确地判断电池是否正常充满电。 这种控制方法的缺点是电池电压出现负增量后，电池已经充电，因此电池的温度较高。 另外，镍氢电池充满电后，电池电压需要较长时间才能呈现负增量，过充现象严重。 因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。
在零增量电压（0ΔV）镍氢电池充电器中，为了避免等待负电压增量时间过长而损坏电池，通常采用0ΔV控制方法。 这种方法的缺点是，在充满电之前的一段时间内，电池电压可能变化很小，导致快速充电过早停止。 为此，目前镍氢电池快速充电器大多采用高灵敏度的-0ΔV检测。 当电池电压轻微下降时，快速充电将立即停止。
(3)温度控制
为了避免损坏电池，电池温度过低时不能启动快速充电。 电池温度升至规定值后，必须立即停止快充。 常用的温度控制方法包括：
在最高温度（Tmax）充电过程中，通常当电池温度达到45℃时，应立即停止快速充电。 电池的温度可以通过电池上安装的热敏电阻来检测。 这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测存在一定的滞后性。 同时，电池的最高工作温度与环境温度有关。 当环境温度过低时，电池充满电后温度不会达到45℃。
温升（ΔT） 为了消除环境影响，可采用温升控制方法。 当电池温升达到规定值时，快速充电将立即停止。 为了实现温升控制，必须使用两个热敏电阻分别检测电池温度和环境温度。
温度变化率（ΔT/Δt） 镍氢和镍镉电池充满电后，电池温度迅速上升，上升率ΔT/Δt基本相同。 当电池温度每分钟上升1℃时，应立即终止快充。 这种充电控制方法近年来得到了广泛的应用。 需要注意的是，由于热敏电阻的阻值与温度的关系是非线性的，为了提高检测精度，应努力减少热敏电阻非线性的影响。
最低温度（Tmin） 当电池温度低于10℃时，使用大电流快速充电会影响电池寿命。 在这种情况下，充电器应自动切换为涓流充电，待电池温度升至10℃后再切换为快充。
（四）综合管控
上述每种控制方法都有优点和缺点。 为了保证在任何情况下都能准确可靠地控制电池的充电状态，快速充电器通常采用包括时序控制、电压控制和温度控制的综合控制方法。