华南师范大学方形镍氢电池的制作与测试实验报告

华南师范大学方形镍氢电池的制作与测试实验报告

华南师范大学 实验报告 学生姓名 学号 专业 新能源材料与器件 2014级 课程名称 化学与物理 电源基础实验 实验项目 方形镍氢电池的制作与测试 实验类型 验证□设计□综合 实验时间 2016年4月26日 实验指导老师 赵蕊蕊 实验成绩 1.【实验目的】1.熟悉和掌握镍氢电池的结构和充放电原理；2.熟悉和掌握镍氢电池制造的一般工艺步骤和工艺方法；3.熟悉和掌握镍氢电池的电池充放电性能测试方法。 2.【实验原理】镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2，负极为储氢合金，正负极之间由隔膜隔开。根据不同使用条件的要求，分别采用KOH和LiOH或NaOH电解液。电池充电时，正极中的Ni(OH)2氧化为NiOOH，负极电解水生成金属氢化物，实现电能的储存。放电时，正极中的NiOOH还原为Ni(OH)2，负极中的氢气氧化为水，在此反应过程中向外电路放出电能。其电极反应如下：（“?”表示充电；“?”表示放电）正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极：M+xH2O+xe-→MHx+xOH-实际应用中，镍氢电池一般要求为准密封的反应体系，但在充电过程中，正负极上不可避免地会发生副反应，生成氧气和氢气。因此，如何排除这些气体就与电池的密封问题有关。

这可以通过优化电池设计来解决，主要是利用正极来限制电池容量和电解液的加入量，同时辅助优化正负极板工艺和电池组装结构。其中电解液的加入量是为了使电池处于一定的贫状态，主要是保证正极析出的气体能够迁移到负极表面并发生反应，以利于电池内部氧气的循环，最大限度的减少负极氢气的析出。正负极的容量比一般控制在1:1.3-1:1.4之间，这样在电池充电末期和过充时，正极析出的氧气能够通过隔膜扩散到负极表面与氢气结合还原为H2O，而负极由于剩余容量较大不易析出氢气，从而保证电池有合适的内部充电压力和电解液损失率，最终保证电池的高循环寿命。在充放电过程中，镍氢电池正负极上发生的反应如下：（“？”表示充电；“？”表示放电）正极：Ni(OH)2+OH-?NiOOH+H2O+e-过充：4OH--4e-→2H20+O2负极：M+xH2O+xe-?MHx+xOH-过充：2H2O+O2+4e-→4OH-电池：xNi(OH)2+M?NiOOH+MHx正极活性物质的理论量为：Mo(g)=/nF，式中M-为摩尔质量，n为电极反应过程中得到或失去电子数，Q为设计电池容量，单位为A·h，F为法拉第常数。实际过程中还要考虑利用率等因素，比计算值多10%-20%。负极活性物质的量要考虑到电池充电后期产生过多气体的影响，必须过量20%-50%。

从充放电过程中正负极的反应不难看出，影响电池性能的因素有很多，包括反应过程中正负极活性物质的稳定性、反应活性，还有影响活性物质充分发挥的其他因素，包括制备电极时的辅助添加剂、粘结剂，组装电池时使用的电解液、隔膜和密封材料等，都对电池性能有很大的影响。3、【仪器与试剂】1 3.1实验仪器与工具点焊机（焊接泡沫镍与镍带）；压片机（压合极板）；烤箱（烘干极板）；微机控制充放电仪（检测电池箱性能、绘制伏安曲线）；有机玻璃（电池壳材料）；锯子（切割有机玻璃）；砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易粘结，避免漏液）；环氧树脂+固化剂（粘结剂）；钻头（在电池外壳上钻孔）2 3.2实验试剂（实验控制负极容量：正极容量=1.5：1）氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量/g，本实验取/g，活性物质占正极材料的90％）；储氢合金粉末（负极活性物质，放电比容量/g，本实验取/g，活性物质占正极材料的95％）；隔膜（PE隔膜，作用：分隔正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道）；60%（PTFE+CMC）粘结剂（占正负极粉末总质量的5％）；CoO粉末（提高极板的导电性和材料反应的可逆性）；Ni粉（提高极板的导电性）；8mol·L-1 KOH混合电解液（98%KOH+2%LiOH）。

4、【实验步骤】根据电池外壳尺寸及性能要求，确定正负极板和隔膜的尺寸及载入活性物质的量，然后制备正负极板，剪裁隔膜并配制电解液，然后将正负极板和隔膜卷绕或折叠在一起放入电池外壳内，加入适量电解液并密封，最后在电池形成后测试性能。具体步骤如下：4.1正负极板及隔膜的剪裁4.1.1根据电池的具体容量，分别剪裁正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm共5片，包括两片中间片，三片负极片，用电焊机焊接镍条，称量泡沫镍的质量，并记录数据。4.1.2根据泡沫镍的尺寸，剪出稍大于泡沫镍的隔膜。 4 4 2 .2 正负极板的制备 4.2.1 正极板的制备按照 Ni(OH)2 90%、CoO5%、Ni5% 的比例计算所需质量，按照粉末添加剂总质量按 5% 的比例计算需加入的粘结剂（PTFE+CMC,60%）的质量。称取 Ni(OH)2 固体粉末 5.487g、CoO 0.3044g、Ni 粉添加剂 0.3011g 混合均匀，再加入约 1.5g 粘结剂 PTFE（0.5g）+CMC（1g）及适量去离子水配成浆料，然后均匀涂在 2 片泡沫镍上。 4.2.2负极板的制备按照储氢合金粉95%、Ni粉5%的比例计算所需质量，再按照上述总重量5%的比例计算需添加的粘结剂（PTFE+CMC，60%）的质量。

称取5.032g储氢合金粉末与0.粉混合均匀，再加入约1.5g黏合剂PTFE(0.4656g)+CMC(1.0663g)及适量水制成浆料，涂在3片泡沫镍上。4.2.3干燥将准备好的极板编号，放在烧杯中，在85℃左右的烤箱中烘干，一周后取出，用保鲜膜包好，用压片机压实。称重，减去泡沫镍的质量，计算出正负极的放电容量。4 4.3电池盒的准备根据极板尺寸确定电池盒的规格约为5cm*5cm*1.5cm。用锯子在有机玻璃板上锯出12个电池盒的六个边，用砂纸打磨平整。用黏合剂（环氧树脂+固化剂）将五条边粘好，自然干燥一天，干燥后检查有无漏液，如无漏液则电池盒制备完成，请人用电钻在剩余的极板上钻两个孔。 4.4.4 电解液制备 称取约8.75g KOH固体（含量=85%），约0.75g LiOH，加去离子水配成25g溶液，搅拌均匀，冷却至室温备用。 4.4.5 电池盒组装 将5块极板按负极-正极-负极-正极-负极的顺序排列，每两块极板间加隔板，排列整齐放入电池盒内，加电解液，将正负极镍条穿过电池盖，用环氧树脂固定，插上毛细管排气。

组装后进行充放电测试。 5.[数据记录与处理] 5.1电池外观尺寸长x宽x高=5cmx1..2正负极板数据记录：正负极材料量，电池理论容量 运输过程中镍条断裂，实验失败 5.2电池充放电曲线：充放电参数设置，电池循环充放电性能，（循环次数-容量图） 运输过程中镍条断裂，实验失败 6.[实验备注与扩展] 实验步骤中已包含实验注意事项，并结合实际生产，在实验步骤中增加相关知识补充。 7、【思考与思考】1、镍氢电池的化学原理镍氢电池：(-)MH|KOH|NiOOH(+)正极：负极：总反应：常用镍氢电池负极储氢材料比较（1）金属（或合金）储氢材料氢气能和元素周期表中几乎所有的元素发生反应，生成各种氢化物或氢的化合物。但并不是所有的金属氢化物都能作为储氢材料，只有那些在温和条件下能可逆地大量吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能作为储氢材料。例如目前正在开发的具有实用价值的金属氢化物有稀土AB5型；锆钛Laves相AB2型；钛AB型；镁A2B型；以及钒固溶体型等。金属与氢反应的实验模型如图1-1所示。 (2)非金属储氢材料从目前的研究情况看，能够可逆地吸收和释放氢气的非金属材料[9,10]仅限于碳材料、玻璃微球等非金属材料，它们是近几年刚刚发展起来的新型储氢材料，例如碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表面积的活性炭、玻璃微球等。该类储氢材料属于物理吸附模型，是一类非常有发展前途的新一代储氢材料。 (3)有机液体储氢材料一些有机液体[11,12]在低压和相对较高的温度下，在适当的催化剂作用下，可以作为氢气载体，达到储存和运输氢气的目的。