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1、 镍氢电池镍氢电池主要内容：主要内容：电池组成及工作原理电池组成及工作原理储氢合金材料储氢合金材料镍氢电池的优缺点镍氢电池的优缺点电池保存和复原方法电池保存和复原方法重点：重点：蓄电池：工作原理正极：Ni(OH)2负极：储氢合金一一概概 述述1.1.电池组成电池组成电池组成：()MHKOHNiOOH(+)负极材料：储氢合金粉正极材料：Ni(OH)2单体电池电压：1.2V循环寿命500-1000次与镉镍蓄电池相比优点：比能量高，为其1.5-2倍；绿色环保；无记忆效应；可大电流充放电；低温性能好。2.2.镍镍氢电池组件氢电池组件 镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密
2、封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。低压氢镍蓄电池（氢原子电池）低压氢镍蓄电池（氢原子电池）3.3.镍氢电池的优缺点及应用前景镍氢电池的优缺点及应用前景它的初始成本较高，电池自放电速度较大，以它的初始成本较高，电池自放电速度较大，以及有爆炸的可能性。及有爆炸的可能性。这种电池的突出优点是循环寿命长，这种电池的突出优点是循环寿命长，19771977年起年起在地球同步轨道条件下工作寿命超过在地球同步轨道条件下工作寿命超过1010年。年。此外，它承受过充电和过放电的实力很强。此外，它承受过充电和过放电的实
3、力很强。镍氢电池的前景特别乐观，随着探讨工作的进镍氢电池的前景特别乐观，随着探讨工作的进展，最终在航天领域内取代镉镍电池。展，最终在航天领域内取代镉镍电池。二二高压氢高压氢-镍电池镍电池高比能量高比能量循环寿命长循环寿命长耐过充过放实力强耐过充过放实力强可通过氢压指示电池荷电状态可通过氢压指示电池荷电状态1.1.高高压氢镍电池的工作原理压氢镍电池的工作原理 镍氢电池是以氢氧化镍作为正极，氢气作为负极，氢氧化钾溶液做电解液。()Pt，H2KOH(或NaOH)NiOOH()2.2.氢镍单体电池结构氢镍单体电池结构压力容器压力容器正汇流条正汇流条电极组电极组下压板下压板密封件密封件绝缘垫圈绝缘垫圈正
4、极柱正极柱上压板上压板负汇流条负汇流条焊接圈焊接圈负极柱负极柱注入孔注入孔氢镍单体电池剖面结构示意图氢镍单体电池剖面结构示意图电池组成：（1）压力容器（2）镍电极（3）氢电极 铂催化电极 活性炭作载体 聚四氟乙烯粘结的铂催化电极（4）隔膜 石棉膜和氧化锆布。具有热稳定性和具有贮存电解 液的作用。氧化锆布能够透过气体，称为双功能隔膜。（5）电解液 电解液为密度1.3g/cm3的KOH水溶液，添加确定 量的LiOH。（6）电极组 背对背式和重复循环式气体扩散网气体扩散网氢电极（氢电极（Pt）隔膜隔膜镍电极镍电极气体扩散网气体扩散网氢电极（氢电极（Pt）隔膜隔膜镍电极镍电极（a）背对背式）背对背式（
5、b）重复循环式）重复循环式氢镍电池中电极对排列形式氢镍电池中电极对排列形式3.3.高压氢镍电池的电性能高压氢镍电池的电性能1 1）氢）氢-镍电池的充放电性能镍电池的充放电性能2 2）自放电特性）自放电特性3 3）电池工作寿命）电池工作寿命（1 1）镍电极膨胀）镍电极膨胀 （2 2）密封壳体泄漏）密封壳体泄漏（3 3）电解液再安排）电解液再安排三三金属氢化物金属氢化物-镍镍(MH-Ni)电池电池电池组成：()MH/KOH/NiOOH(+)负极材料：储氢合金粉正极材料：Ni(OH)2单体电池电压：1.2V循环寿命500-1000次1.1.MH-Ni电池的工作原理电池的工作原理 副反应副反应固溶体固
6、溶体金属氢化物金属氢化物氢原子在合金中的扩闲逛骤为限制步骤氢原子在合金中的扩闲逛骤为限制步骤充放电过程中物质转换 MH-NiOOH电池正负极反应与气体流淌示意图 镍氢电池的工作状态可以划分为三种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。在不同工作状态下，电池内部发生的电化学反应是不同的。电极标准电位电极标准电位 四四储氢合金电极储氢合金电极H2、液氢、金属氢化物的氢密度与含氢率、液氢、金属氢化物的氢密度与含氢率固态储氢的优势：固态储氢的优势：1）体积储氢容量高）体积储氢容量高2）无需高压及隔热容器）无需高压及隔热容器3）平安性好，无爆炸危急）平安性好，无爆炸危急4）可得到高纯氢，提高氢的附加值）
7、可得到高纯氢，提高氢的附加值体积比较体积比较氢含量比较氢含量比较 副反应副反应1.1.贮氢合金的热力学原理贮氢合金的热力学原理 固溶体固溶体金属氢化物金属氢化物T4T3T2T1P1P2P3P4氢压力氢压力低低-氢浓度氢浓度-高高金属氢化物的金属氢化物的PCT曲线曲线ABT1T2T3T4 最大吸氢量最大吸氢量 贮氢合金吸取和释放出氢的过程，最便利的表示方法是压力贮氢合金吸取和释放出氢的过程，最便利的表示方法是压力组成等温线，即组成等温线，即P-C-T曲线。合金吸取的氢原子占据金属晶格曲线。合金吸取的氢原子占据金属晶格中的空隙位置，其密度取决于中的空隙位置，其密度取决于H2的压力，依据的压力，依据
8、Gibbs相律，温度相律，温度确定时，反应有确定的平衡压力。确定时，反应有确定的平衡压力。吸氢平台压力 吸氢时，首先形成固溶体-MHab，随着pH2的增加，M中的H浓度不断提高，达到确定值后，起先生成-MH，在相与相共存时，理论上pH2不变。这个氢气分压为平台氢压。当相完全形成时，pH2才起先上升。释氢平台压力 放氢过程的逆过程。2.2.储氢合金储氢合金 是由易生成稳定氢化物的元素是由易生成稳定氢化物的元素A A（如（如LaLa，ZrZr，MgMg，V V，TiTi等）与其他元素等）与其他元素B B（如（如 Ni Ni，MnMn，FeFe，CoCo，CuCu，ZnZn，AlAl，Cr Cr 等
9、）组成的金属键化等）组成的金属键化合物，它既可以大量储氢，也可以释放储存的氢。合物，它既可以大量储氢，也可以释放储存的氢。MH-Ni MH-Ni电池的负极是储氢合金，储氢合电池的负极是储氢合金，储氢合金是一种能大量吸取并释放氢的功能材料，其吸氢金是一种能大量吸取并释放氢的功能材料，其吸氢体积超过合金本身体积的体积超过合金本身体积的10001000倍，吸氢密度为液氢倍，吸氢密度为液氢的的1.41.4倍以上。一般适用于倍以上。一般适用于Ni-MHNi-MH电池的储氢材料有电池的储氢材料有两大系列：一类是以两大系列：一类是以LaNi5LaNi5稀土系储氢合金；另一类稀土系储氢合金；另一类是以是以Ti
10、Ni2TiNi2为主体的储氢合金。为主体的储氢合金。储氢合金分类：储氢合金分类：AB5AB5型：稀土镍系合金，如型：稀土镍系合金，如LaNi5LaNi5AB2AB2型：型：LavesLaves相合金，如相合金，如ZrMn2ZrMn2ABAB型：型：Ti-Ni Ti-Ni系合金，如系合金，如TiNiTiNiA2BA2B型：镁基合金，如型：镁基合金，如Mg2NiMg2Ni 储氢合金的共同特点是在低温低压储氢合金的共同特点是在低温低压下能够可逆地吸取、释放氢。下能够可逆地吸取、释放氢。金属晶格中的晶格间位置金属晶格中的晶格间位置金属原子金属原子氢原子氢原子 Hydrogen on Tetrahedr
11、al Sites Hydrogen on Octahedral Sites用作电池材料需具备的条件：储氢容量高，温度影响小对氢的阳极氧化有催化作用，且合金有较强的抗氧化实力在电液中稳定充放电过程中不易粉化，不变形导电、导热性好3.3.贮氢合金电极的电化学容量贮氢合金电极的电化学容量 F法拉第常数；M贮氢材料的摩尔质量。4.4.储氢合金储氢合金制备方法制备方法电弧炉熔炼法快速冷凝气流雾化法中频感应炉熔炼法还原扩散法反应烧结法添加微量稀土元素法粉碎：氢碎法 机械粉碎法性能下降缘由：合金的微粉化 由于氢的多次吸取与释放，贮氢合金的晶格反复膨胀与收缩，引起贮氢合金材料裂开成更细的粉末。氧化 对稀土类材
12、料，充放过程中易发生某些元素的偏析，偏析元素易被腐蚀，即发生氧化，失去储氢性质。贮氢合金电极的自放电 有两方面缘由：一是电极的合金选用不当，即使在室温下，氢也会释放出来；另一种是贮氢合金中某种金属元素的化学性质在碱液中或氧气氛围中不稳定，易被腐蚀。5.5.贮氢合金的表面处理技术贮氢合金的表面处理技术化学处理法化学处理法 化学处理法有酸、碱及氟化物处理法。化学处理法有酸、碱及氟化物处理法。微包覆处理法微包覆处理法 用化学镀的方法可以在合金粉表面包覆用化学镀的方法可以在合金粉表面包覆一层厚度为微米级的金属膜，一般可包覆一一层厚度为微米级的金属膜，一般可包覆一层铜、镍、镍层铜、镍、镍-钴、铬或钯金属
13、膜。钴、铬或钯金属膜。热处理法热处理法 使沉积在晶界上的元素合金化提高抗氧使沉积在晶界上的元素合金化提高抗氧化实力和耐腐蚀实力。化实力和耐腐蚀实力。6.6.贮氢合金电极的制造贮氢合金电极的制造粘结法烧结法泡沫电极法 镍氢电池设计时，容量事实上是由正极限制的，负极容量设计过剩，以保证过充电时候，正极产生的氧气可以到负极反应，电池的内压不会有明显上升。五五MH-Ni电池的性能电池的性能充放电特性温度特性循环寿命自放电特性六、电池保存和复原方法六、电池保存和复原方法镍氢电池和镍镉电池特性不同，保存方法不同。镍氢电池和镍镉电池特性不同，保存方法不同。镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电镍镉电池应将
14、电用完保存，所以一般新镍镉电池是基本没有电的，须要自己来充。接受正池是基本没有电的，须要自己来充。接受正确的充电方法，或许须要充放确的充电方法，或许须要充放35次才能将次才能将电池复原到最佳状态。电池复原到最佳状态。镍氢电池要长期保存前，应当充电到镍氢电池要长期保存前，应当充电到80左右左右保存。保存。因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电，防止运输周转时间太长，而电池没电充电，防止运输周转时间太长，而电池没电受到影响。长期保存的镍氢电池用的时候，受到影响。长期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法充放先将余电用完，再用正确方法充放23次就次就可以复原到最佳状态。可以复原到最佳状态。复习题复习题1.MH-Ni电池的工作原理电池的工作原理?2.贮氢合金的贮氢原理及分类贮氢合金的贮氢原理及分类3.贮氢合金表面改性方法？贮氢合金表面改性方法？4.什么是平台氢压？其值凹凸对电池性能有什么是平台氢压？其值凹凸对电池性能有什么影什么影 响？响？Ni-Fe电池电极反应：电池反应：铁电极充放电曲线铁电极充放电曲线Ni-Zn电池