鎳氫電池FB
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鎳氫電池技術(鎳氫電池全形式)

鎳氫電池的開創性工作是在巴特爾日內瓦研究中心進行的,始於1967年作為衛星中使用的bot Ni-Cd和Ni-H2電池的衍生物發明。與鎳鎘相比,鎳氫研究的主要動機是鎳氫的更高能量,更低的壓力和成本相關的環境優勢:開發工作由戴姆勒 – 賓士公司/斯圖加特和大眾汽車股份公司在德國汽車工業協會的框架內贊助了近20年。電池表現出高達50 Wh / kg的高能量和功率密度,1000 W / kg和500次迴圈的合理循環壽命 [https://en .wikipedia.org/wiki/Cobasys]

混合動力汽車鎳氫電池技術:

1992年,根據與美國 能源部的合作協定,USABC啟動了鎳氫電池(Ni-MH電池)技術的開發。

美國能源部通過該合作協議獲得的資金有助於兩家製造商Energy Conversion Devices, Inc.(ECD Ovonics)和SAFT America開發鎳氫技術。 ECD Ovonics的Ni-MH技術現在由COBASYS,LLC製造,COBASYS,LLC是其與Chevron Technology Ventures,LLC的50-50製造合資企業。 ECD還將其技術授權給三洋,三洋為福特Escape,Cmax和Fusion混合動力汽車提供鎳氫電池;本田,為其混合動力汽車;以及為豐田混合動力汽車提供電池的松下。 根據原始ECD合同的條款,這些許可費的一小部分已匯給美國能源部和USABC。

2008年, 鎳氫電池 市場占整個可充電電池行業的10%。 Ni-MH快速增長的重要原因是HEV的生長和Ni-MH電池作為鹼性原代電池的直接替代品的發展。
鎳氫化物體系在許多方面與Ni-Cd電池相似。 在氧複合反應中,該系統在從PAM到NAM的氧擴散設計以及饑餓電解質的設計上與VRLA細胞相似。

鎳氫電池的優點是:

低成本,多功能電池尺寸,優異的性能特點(包括高充電電流吸收),寬工作溫度範圍(-30至70ºC),在較高電壓(350 + V)下工作的安全性,控制充電過程簡單等。 此外,它是環保的(與鎳鎘電池相比)。
當然,也有缺點:與鉛酸電池相比,成本較高,與鋰離子電池相比,能量比值更低。

鎳氫可充電電池中產生能量的電化學反應

Ni-Cd和Ni-MH電池之間有很多相似之處,除了負極。 與Ni-Cd電池的情況一樣,在放電過程中,正活性物質(PAM)氫氧化鎳被還原為氫氧化鎳。 (因此, 正極 表現為 陰極):

NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH Eo = 0.52 V

負活性物質(NAM),金屬氫化物(MH),被氧化成金屬合金(M)。 (因此負 表現為 陽極):

MH + OH → M + H2O + e Eo= 0.83 V

也就是說,氫氣的解吸發生在放電過程中,氫氣與羥基離子結合形成水,同時也為電路提供電子。

放電時的總體反應為

MH + 鎳氫放電↔充電 M + 鎳(OH)2 Eo = 1.35 V

請記住

電池電壓 = V正 – V

0.52 – (-0.83) = 1.35 V

這裡需要注意的是,在半細胞反應中顯示的水分子並不出現在整體或總細胞反應中。 這是由於 電解質(氫氧化鉀水溶液) 不參與產生能量的反應,並且僅用於電導率目的。

另請注意,鉛酸電池中用作電解質的硫酸水溶液實際上參與反應,如下所示:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 放電↔充電 2PbSO4 + 2H2O

這是鉛酸電池和鹼性電池之間的 重要區別

充電過程中該過程發生逆轉

密封的鎳氫電池使用類似於閥控鉛酸(VRLA)電池中發生的氧複合反應,從而防止由於在充電結束時產生氣體而導致的壓力積聚,特別是在過度充電期間。

在充電期間,PAM在NAM之前達到完全充電,因此正極開始釋放氧氣。

2OH → H2O + 1/2O2 + 2e

氧氣通過分離器的孔隙擴散到負極,這得益於饑餓的電解質設計和使用適當的分離器。

在NAM,氧氣與金屬氫化物電極反應產生水,從而防止電池內部的壓力積聚。 即便如此,在長時間過充電或充電器故障的情況下,仍存在安全閥;氧氣和氫氣的產生速度可能比重組的速度快。 在這種情況下,安全通風口將打開以降低壓力並防止電池破裂。 一旦壓力解除,通風口就會重新密封。 氣體通過可重新密封的通風口流出,可以攜帶電解液液滴,一旦沉積在罐上,可能會形成晶體或生鏽。 (https://data.energizer.com/pdfs/nickelmetalhydride_appman.pdf)

4MH + O2 → 4M + 2H2O

此外,由於設計,NAM不會充滿電,從而阻止了氫氣的產生。 對於迴圈的早期階段也是如此,其中在細胞內發現的唯一氣體是氧氣。 然而,在繼續迴圈時,氫氣開始演變,並且觀察到內部比例氫的顯著上升。 因此,在充電結束時和過充電期間控制充電電壓非常重要,以將氧氣的產生限制在複合速率以下,以防止氣體和壓力的積聚。

前面在鎳氫電池設計中提到的一個設計因素是NAM與PAM比率。 它基於
使用比 PAM 更多的 NAM。
該比率取決於應用,在1.3到2(NAM / PAM)的範圍內,較低的值用於高比能量很重要的地方,而較高的值用於高功率和長迴圈壽命設計單元。

鎳氫電池的製造

鎳氫電池是帶有安全裝置的密封電池,帶有金屬外殼和頂部,兩者都通過墊圈相互絕緣。 外殼底部是負極,頂部用作正極。
在所有設計類型中,無論是圓柱形、棱柱形還是紐扣電池,陰極要麼是燒結型,要麼是粘貼型。
圓柱形Ni-MH電池中的正極是多孔燒結基底或泡沫基鎳基底,在其上浸漬或粘貼鎳化合物,並通過電沉積轉化為活性材料。

基板作為燒結結構的機械支撐,充當整個多孔板中發生的電化學反應的集流體。 它還在製造過程中提供機械強度和連續性。 使用連續長度的穿孔鍍鎳鋼或純鎳帶,或鎳或鍍鎳鋼絲的編織篩網。 常見的穿孔類型可能厚0.1毫米,孔洞2毫米,空隙面積約為40%。 膨脹金屬和穿孔板的成本較低,但它們的高速率能力較差。 燒結結構要昂貴得多,但適用於高放電性能。

泡沫通常取代了燒結斑塊電極。
類似地,負極也是使用穿孔鎳箔或網格的高度多孔結構,其上塗覆了塑膠粘結的活性儲氫合金。 電極用合成無紡布材料分離,該材料用作兩個電極之間的絕緣體和吸收電解質的介質。

鎳氫電池中的正極活性物質(正極材料)

與Ni-Cd電池類似,Ni-MH電池中的正極,無論是圓柱形還是稜柱形,都使用燒結或粘貼型。 用於鎳氫電池的氫氧化鎳與用於鎳鎘的氫氧化鎳基本相同。 如今的高性能氫氧化鎳在容量、利用係數、功率和放電速率能力、迴圈壽命、高溫充電效率和成本方面更為先進。
具有球形顆粒的高密度氫氧化鎳最常用於粘貼的正極。 所述材料是在沉澱室中製備的,其中硫酸鎳(以及一些添加劑,如鈷和鋅鹽,以提高性能方面)與氫氧化鈉與少量氨混合反應。

更常見的粘貼正極板通常是通過將高密度球形氫氧化鎳機械粘貼到泡沫金屬基材的孔隙中而產生的,而泡沫金屬基材又是通過電鍍或化學蒸汽沉積將聚氨酯泡沫(PUF)塗覆一層鎳而產生的。 接下來是熱處理過程以除去基礎聚氨酯。 泡沫的孔徑和密度也可以調整,以提高性能特徵。

然後將泡沫與氫氧化鎳一起載入含有導電氧化鈷的糊狀物中,其在氫氧化鎳和金屬集流體之間形成導電網路。 就像鉛酸電池中的硫酸鉛一樣,氫氧化鎳也是一種不良導體。 現在,泡沫板已準備好進行下一步。
另一種類型的電極是燒結電極。 這種類型的具有更好的功率能力,但代價是容量更低,成本更高。

燒結正極 首先將長絲鎳粘貼到諸如穿孔箔之類的基板上,然後在高溫退火爐下使用氮/氫在還原氣氛中燒結鎳纖維。 在此過程中,粘合劑從粘貼過程中被燒掉,留下導電的鎳骨架。
然後使用化學試劑將氫氧化鎳沉澱到燒結骨架的孔隙中
或電化學浸漬工藝。 然後形成浸漬電極或預啟動
在電化學充電/放電循環過程中。 現在燒結板已準備好進行下一步。

負極用金屬氫合金(負極材料)

鎳氫電池使用吸氫合金形式的金屬氫化物活性材料。 合金有幾種不同的成分。 它們是:

  1. AB5合金
  2. AB2 合金
  3. A2B7合金

這些是由不同比例的稀土金屬組成的工程合金。 描述這些合金的生產和性能超出了本文的範圍。 請讀者參考有關這些合金的相關出版物和有關鎳氫電池的專業書籍。
負極又是一個高度多孔的結構,使用穿孔鎳箔或網格,在其上塗覆和加工塑膠粘結的活性儲氫合金。

鎳氫電池中的電解液

與Ni-Cd電池一樣,Ni-MH電池中的電解質是約30%氫氧化鉀的水溶液,在很寬的溫度範圍內提供高導電性。 氫氧化鋰(LiOH)總是一種濃度約為每升17克(GPL)的添加劑。 這有助於通過抑制析氧反應來提高正極的充電效率,析氧反應是降低電荷接受度的競爭反應。

與VRLA和Ni-Cd電池一樣,Ni-MH電池也是密封,饑餓的電解質設計。 這些板幾乎被電解質飽和。 分離器僅部分飽和,以允許氣體快速擴散,從而實現高效的氣體複合反應。 添加NaOH有助於提高高溫充電效率,但代價是由於NAM的腐蝕加劇而縮短了壽命。

鎳氫電池隔膜

分離器的功能是防止正負極之間的電接觸,同時保留離子傳輸所需的電解質。 第一代Ni-MH電池分離器是無紡布聚醯胺(尼龍)布分離器的標準Ni-Cd和NiH2分離器材料。 然而,Ni-MH電池被證明對自放電更敏感,特別是當使用這種分離器時。 氧氣和氫氣的存在導致尼龍分離器中的聚醯胺材料分解。

這種分解產生的腐蝕產物(亞硝酸鹽離子)允許氫氧化鎳中毒,促進過早析氧,並在兩個電極之間形成能夠氧化還原梭的化合物,這進一步增加了自放電的速率。 因此,這種類型的分離器現在不使用。 相反,聚烯烴分離器用於下一代細胞。 “永久可濕聚丙烯”現在被廣泛使用。 改進的分離器是經過特殊處理的PP和PE的複合材料。 自放電速率和迴圈壽命受到質地、潤濕性和透氣性的影響明顯。

鎳氫電池
鎳氫電池
由於安全閥故障導致鎳氫電池故障

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