镍氢电池的原理及与镍镉电池的比较
-16-《国外电子元件》1997年第5期 1997年5月 ● 新、特器件应用 镍氢电池的原理及其与镍镉电池的比较 张鹏 孟锦 徐英 西安通信研究所 摘要 镍氢电池是一种性能优良的新型电池，在不久的将来必将取代目前广泛应用的镍镉电池。本文详细介绍了镍氢电池的基本工作原理、结构和特点，并从多个方面对镍氢和镍镉电池进行了比较。 关键词 镍氢电池 镍镉电池 充电倍率 放电倍率 1 镍氢电池 11 基本工作原理 镍氢电池放电时正极活性物质为NiOOH，充电时为NiOH2；放电时负极活性物质为H2，充电时为H2O。电解液采用30%氢氧化钾溶液。 电化学反应如下：正极--eΩ放电充电负极H2OeΩ放电充电-总反应NiON2Ω放电充电从方程中可以看出，充电时负极放出的氢气储存在容器中，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍NiOOH和H2O。放电时，氢气在负极被消耗，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍。过充电时的电化学反应正极2OH--2e→负极→H22OH-总反应H2O→复合→H2O从方程中我们可以看出，电池过充电时，正极板放出氧气，负极板放出氢气。由于加有催化剂的氢极面积很大，氧气随时可以扩散到氢极表面，所以氢和氧很容易在电池内部复合生成水，使容器内气体压力保持恒定。 复合速度很快，电池内部的氧气浓度不超过千分之几。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产生的产物不同。从后两个反应方程式可以看出，镍氢电池可以做成密封结构。镍氢电池的电解液多为KOH水溶液，加入少量的Li2OH。隔膜采用多孔维纶无纺布或尼龙无纺布。为了防止充电后期电池内压过高，电池设有防爆装置。12密封镍氢电池的结构及规格。 圆柱型密封镍氢电池结构如图1所示，由正极板、负极板、隔板、安全阀等组成，正极板材料为NiOOH，负极板材料为储氢材料。
合金镍氢电池在过充电时，金属外壳内的气体压力会逐渐升高，当压力达到一定值时，顶盖上的限压安全排气孔就会打开，从而防止电池因气体压力过大而爆炸。国产密封镍氢电池型号及主要技术参数列于表1。13镍气电池的主要特性室温20℃下以1C、02C、05C充电速率充电时电池电压随电量的变化©1995--17-图1密封镍氢电池结构镍氢电池的原理及其与镍镉电池的比较如图2所示。镍氢电池充满电后电压基本保持不变，在过充电开始后，电池电压出现很小的负增量，通常以1C充电速率，70分钟即可将镍氢电池充满电。 采用02C充电率时，充电时间约为7小时。在室温20℃下采用3C1C和02C放电率时，镍氢电池电压随放电容量的变化如图3所示。从图中可以看出，采用02C放电率时，电压降至12V时，镍氢电池已经放完了其标称容量。当放电率为1C时，电池电压降至12V时，释放的容量已达70%以上。镍氢电池具有良好的低温放电特性，在环境温度为-20℃时，镍氢电池的放电特性如图4所示，放电率为0.2C时，镍氢电池的释放容量可达标称容量的90%。放电率为1C时，镍氢电池的释放容量也能达到标称容量的85%以上。需要注意的是，镍氢电池的自放电率很小。 常温下，电池充满电后放置28天，容量仍能维持在标称容量的75%~85%之间。2、镍氢电池与镍镉电池的比较2.1充电特性比较镍氢电池的充电特性与镍镉电池相似，二者在充电过程中的电压与温度曲线如图5、图6所示。可以看出，在终止充电时，镍镉电池的电压降远大于镍氢电池。当电池容量达到额定容量时，镍镉电池的电压降远大于镍氢电池。图2 镍氢电池的充电特性曲线表1 密封镍氢电池型号及技术参数型号电压容量典型最小标准电压
电流mA850充电时间h7～87～87～87～87～8快速电流充电时间尺寸mm直径523高度重量©1995--18-《国外电子元件》1997年第5期1997年5月在固定容量80℃之前，镍镉电池的温度上升比较缓慢，当电池容量达到90℃时，镍镉电池的温度上升很快，当电池基本充满电后，镍镉和镍氢电池的温升速度基本相同22应用特性比较镍氢电池的工作电压与镍镉电池完全相同，都是12V，所以完全可以替代镍镉电池。 与同体积的镍镉电池相比，镍氢电池的容量可提高一倍，而且充放电循环次数达到500次后，镍氢电池的容量也无明显下降，通常充放电循环次数可达1000次。镍氢电池不使用黄金等非常昂贵的有毒物质。由于镍氢电池的成分是镉，在生产、使用或废弃后都不会对环境造成污染，因此被称为绿色电池。镍氢电池没有记忆效应，可以随时充电，充电前无须放电，使用十分方便。 23 主要技术参数对比 镍氢与镍镉电池主要技术参数对比见表2 查阅编号 图3 镍氢电池放电特性曲线 图4 镍氢电池低温放电特性 图6 镍氢与镍镉电池充电过程中温度变化规律 图5 镍氢与镍镉电池充电电压对比 表2 镍氢与镍镉电池主要技术参数对比 参数与特性 镍氢电池 Ni2MH 镍镉电池 Ni2Cd 能量重量密度 能量体积密度 ~80 500次循环 容量保持率 循环容量保持率 590 84 大容量放大能力 80 60～70 充电时间 循环次数 环境污染 无严重 记忆效应 无 有 ©1995-