论文(2)

第二章 镍氢电池的原理及充放电特性

2.1镍氢电池的工作原理

作为负极材料的储氢合金是由A和B两种金属形成的合金，其中A金属(La、Ti、Zr等)可以吸进大量氢气，形成稳定的氢化物；而B金属(Ni、Co、Fe、Mn等)不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。A金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸放氢气的可逆性。按照合金的晶体结构，储氢合金可分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5型合金。AB5型储氢合金主要由镧系元素和镍组成，同时少量添加Al、Mn、Co等。目前在镍氢电池中实际应用的主要是稀土系AB5型合金。

镍氢电池电极材料的主要技术要求有： (1) 耐氧化性大,在浓碱电解液中化学稳定性好。 (2) 在较宽的温度范围内具有较大的电化学容量。 (3) 催化活性高，电极反应的可逆性好。 (4) 随着吸放氢循环产生的劣化少。 (5) 初期活化的次数少。

镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)负极板的活性物质H2(放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30%的氢氧化钾水溶液。

2.2镍氢电池的充放电特性

2.2.1镍氢电池的特性

1．特性曲线

镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线如图2-1所示。

图2-1 镍氢电池在不同充电速率下的充电特性曲线

镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线如图2-2所示

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镍氢电池的原理及充放电特性

图2-2 镍氢电池在不同温度下的1C放电特性曲线

镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线如图2-3所示。

图2-3 镍氢电池在室温下以不同速率放电时的特性曲线

镍氢电池在不同储存温度下的保存电量特性曲线如图2-4所示。

图2-4镍氢电池在不同储存温度下的保存电量特性曲线

镍氢电池的循环寿命曲线如图2-5所示。

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图2-5 镍氢电池的循环寿命曲线

2．镍氢电池的使用寿命

(1) 循环寿命。镍氢电池在正确的充电和放电情况下可以使用500次以上。若镍氢电池在正确充电后的工作期间端电压明显下降，表明该镍氢电池已经超出使用寿命。在镍氢电池寿命末期可能会出现内阻升高或内部短路现象。镍氢电池在寿命末期充电将出现过热问题，采用的充电器应具有安全保护电路。

(2) 长期使用的寿命。由于镍氢电池是利用内部化学反应的化学电源，所以镍氢电池性能的衰减不但与使用情况有关，而且与长期储存过程有关。通常，一只镍氢电池的在没有过充电或放电的正常使用情况下寿命应能持续两年(或可循环充放电500次)。但是，考虑到在使用过程中充电、放电、温度和其它因素可能出现异常情况，因此会出现镍氢电池寿命缩短和性能衰减的现象。

3．镍氢电池的储存

镍氢电池在储存时注意以下事项：

(1) 短期储存。镍氢电池应该储存在干燥、低温度、没有腐蚀性气体和温度在－20℃～45℃之间的地方。当镍氢电池储存在高湿度、温度低于－20℃或高于45℃的地方时，其金属部件会被侵蚀，还会因内部有部件的膨胀和收缩导致碱液泄漏。

(2) 长期储存。长期储存会加速镍氢电池的自放电和降低反应活性，10℃～30℃的温度比较适合长期储存。当在长期储存后对镍氢电池进行第一次充电时，由于镍氢电池内部反应活性的降低，会导致镍氢电池端电压偏高和容量减小。为了使镍氢电池恢复原始容量，应对镍氢电池进行反复多次的小电流充电和放电。当镍氢电池需要储存一年以上时，要保证至少每一年对镍氢电池进行一次充放电，这样可防止镍氢电池漏碱和因自放电而导致性能下降。

4．镍氢电池使用中的禁止事项

(1) 不要拆解镍氢镍氢电池，其内部的强碱性电解液会对皮肤和衣物产生腐蚀作用。

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镍氢电池的原理及充放电特性

(2) 不要镍氢电池短路，短路会损坏镍氢电池和产生过多热量而引起镍氢电池燃烧。

(3) 镍氢电池不能接近火源，温度过高将引起镍氢电池爆裂。使用镍氢电池供电的设备在水中使用时，需采取特殊的防水措施，否则镍氢电池将失效。

(4) 不要在镍氢电池上直接焊接任何物品，因为焊接时可能会镍氢电池帽上的安全阀，从而时镍氢电池失去原有的安全性能。

(5) 严禁对镍氢电池反极使用，否则会导致镍氢电池膨胀或爆裂。 (6) 不要对镍氢电池反向充电或大电流过充电，这样会引起镍氢电池内部气体快速产生和气压升高，最终导致镍氢电池膨胀或爆裂。

(7) 给镍氢电池充电的充电器应采用专用充电器，使用其他或改装的充电器给镍氢电池充电，将引起镍氢电池膨胀或爆裂。

(8) 要避免镍氢电池安装在密封部件中。在有些情况下，镍氢电池很有可能会释放出气体(氧气或氢气)，这时镍氢电池就有可能会因有火花而引起爆炸的危险。

(9) 不要把镍氢电池应用在不适合镍氢电池供电的设备上，因为不同的使用条件将损坏镍氢电池或用电设备。

(10) 要防止镍氢电池在使用中短路。在镍氢电池组设计过程中要设有防反极安装措施，同时要注意产品结构和与镍氢电池接触的端面不会使镍氢电池短路。并且，避免新、旧电池混用，还应避免与不同类型的电池或其他品牌的镍氢电池混用，因为不同规格的镍氢电池具有不同的特性，混用会破坏镍氢电池本身的性能或用电设备。

2.2.2影响镍氢电池性能的因素

影响镍氢电池性能的因素有很多，包括正极板和负极板的基材、储氢合金的种类、活性物质的颗粒度、添加剂的类别和数量以及制作工艺、电解液、隔膜、化成工艺等。

2.2.3镍氢电池充电、放电过程中的注意事项

1．在镍氢电池充电过程中应注意以下事项：

(1) 充电温度。镍氢电池应在0℃～40℃的环境温度下进行充电，环境温度的变化会影响镍氢电池的充电效率，在10℃～30℃下镍氢电池的充电效率最高。在低于0℃的条件下给镍氢电池充电时，镍氢电池内的气体吸收反应将不正常，结果将导致镍氢电池内压升高，这会促使镍氢电池排气阀启动，释放出碱性气体，最终致使镍氢电池性能不断下降而影响镍氢电池的使用寿命。在高于40℃的条件下给镍氢电池充电效率将下降。镍氢电池若充电不完全，在使用时其工作时间将缩短，而且会导致镍氢电池漏碱。

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(2) 反向充电。对镍氢电池进行反向充电会引起镍氢电池内部气体急剧上升，这会促使镍氢电池排气阀启动释放碱性电解液，从而导致镍氢电池性能快速下降，还会出现镍氢电池膨胀和破裂的现象。

(3) 过充电。应避免镍氢电池过充电，反复的过充电会导致镍氢电池性能下降(过充电是指对已经充满电的镍氢电池再继续充电)。

(4) 快速充电。当对镍氢电池进行快速充电时，必须使用特定的充电器，并且按照正确的程序进行。

(5) 涓流充电(连续充电)。在对镍氢电池快速充电后可以用0.033CmA～0.05CmA的涓流进行补充充电，同时要避免用涓流方式过充，这样会损坏镍氢电池的特性，应使用定时器来控制充电时间。

涓流充电的单位“CmA”是一个指明电流大小和表示镍氢电池额定容量的值，“C”是镍氢电池的额定容量。

2．在镍氢电池放电过程中应注意以下事项：

(1) 放电温度。镍氢电池的放电应在－10℃～45℃的环境温度下进行，放电电流的大小将影响镍氢电池的放电效率。在0.1CmA～2CmA范围内，镍氢电池的放电效率比较理想。在温度低于－10℃和高于45℃时，镍氢电池的放电容量将会下降，容量的下降会导致镍氢电池性能降低。

(2) 过放电(深度放电)。由于过放电会损坏镍氢电池的特性，所以在使用中应避免镍氢电池过放电，同时要避免镍氢电池长期与用电设备连接，在运输过程中不要将镍氢电池放入用电设备中一起运输。

(3) 高倍率放电。高倍率放电会导致镍氢电池产生过量的热量和降低放电效率。

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