镍氢电池的原理及与镍镉电池的比较_张鹏
-16- 新特器件应用
国外电子元器件 1997年第5期1997年5月
镍氢电池的原理及与镍镉电池的比较
西安通信学院
张鹏孟进许英
摘要:镍氢电池是一种性能非常优异的新型电池, 在不久的将来, 它一定会取代目前大量应用的镍镉电池。本文详细介绍了镍氢电池的基本工作原理、结构和特性, 还从多个方面对镍氢与镍镉电池进行了比较。关键词:镍氢电池
镍镉电池
充电速率
放电速率
剂的氢电极面积大, 而且氧气能够随时扩散到氢电极表面, 因此氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水, 使容器内的气
体压力保持不变, 这种再化合的速率很快, 可以使蓄电池的内部氧气的浓度, 不超过千分之几。
从以上各反应式可以看出, 镍氢电池的反应与镍镉电池相似, 只是负极充放电过程中生成物不同, 从后两个反应式可以看出, 镍氢电池可以做成密封型结构。镍氢电池的电解液多采用KOH 水溶液, 并加入少量的L-i
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1、镍氢电池
1. 1基本工作原理
镍氢电池正极的活性物质为N iOOH(放电时) 和N i(OH) 2(充电时) , 负极板的活性物质为H 2(放电时) 和H 2O(充电时) , 电解液采用30%的氢氧化钾溶液, 电化学反应如下:
充电
N iOOH +H 2O 正极:Ni(ON) 2+OH -e 放电
-
负极:H 2O+e 放电 2H 2+OH -充电
充电
总反应:N i(ON) 2放电 NiOOH +
OH 。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了防止充电过程后期电池内压过高, 电池中装有防爆装置。
1. 2密封镍氢电池的结构和规格型号
圆柱型密封镍氢电池的结构如图1所示。它由正极板、负极板、隔板、安全排气孔等部分驵成。正极板的材料为NiOOH , 负极板的材料为贮氢合金。当镍氢电池过充电时, 金属壳内的气体压力将逐渐上升。当该压力达到一定数值后, 顶盖上的限压安全排气孔打开, 因此可以避免电池因气体压力过大而爆炸。
国产密封镍氢电池的型号和主要技术参数如表1所列。
1. 3镍气电池的主要特性
在常温(20 ) 下, 采用1C 、0. 2C 和0. 5C 充电率时, 电池电压随充入电量的变化
从方程式看出:充电时, 负极析出的氢气贮存在容器中, 正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍(NiOOH ) 和H 2O; 放电时氢气在负极被消耗掉, 正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。
过量充电时的电化学反应:正极:2OH --2e
O 2+H 2O 2O 22
负极:2H 2O +2e H 2+2OH -总反应:H 2O H 2+
再化合:H 2+2O 2 H 2O
从方程式看出, 蓄电池过量充电时, 正极板析出氧气, 负极板析出氢气。由于有催化
镍氢电池的原理及与镍镉电池的比较
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图2
镍氢电池的充电特性曲线
环境温度为-20 时, 镍氢电池的放电特性
图1密封镍氢电池的结构
规律如图2所示。镍氢电池充足电后, 电压基本保持不变, 开始过充电后, 电池电压出现很小负增量。通常, 采用1C 充电速率时, 70分钟以内, 镍氢电池可以充足电。采用0. 2C 充电速率时, 充电时间约为7小时。
在常温(20 ) 下, 采用3C 、1C 和0. 2C 放电速率时镍氢电池的电压随放电容量的变化规律如图3所示。由图可以看出, 采用0. 2C 放电速率时, 电压下降到1. 2V 时, 镍氢电池已放出标称容量的90%以上。采用大电流(放电速率为1C) 放电时, 电池电压降到1. 2V 时, 放出的容量也已达到70%以上。
镍氢电池具有较好的低温放电特性。当
型号电压(V ) 容量(mAh)
标准充电快速充电尺寸(mm)
重量(g)
典型最小电流(mA ) 时间(h) 电流(mA ) 时间(min)
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高
A AA 1. 2440400807~840070直径44. 513
如图4所示。采用0. 2C 放电速率时, 镍氢电池放出容量可达到标称容量的90%, 采用大电流(放电速率为1C) 放电时, 镍氢电池放出的容量也能达到标称容量的85%以上。应当说明, 镍氢电池的自放电率很小, 在常温下, 镍氢电池充足电后, 放置28天, 电池容量仍能保持在标称容量的75~85%之间。
2、镍氢电池与镍镉电池比较
2. 1充电特性比较
镍氢电池的充电特性与镍镉电池类似, 充电过程中二者的电压和温度曲线如图5和图6所示。可以看出, 充电终止时, 镍镉电池的电压下降比镍氢电池要大得多。当电池容量达到额
AA 1. [1**********]07~811007010. 550. 526
A 1. [1**********]07~817007014. 550. 537
4/5A 1. [1**********]07~814007017. 54334
SC 1. [1**********]07~822007017. 54353
表1 密封镍氢电池的型号和技术参数
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月
图3
镍氢电池的放电特性曲线
图5镍氢、镍镉电池充电电压比较
图4镍氢电池低温放电特性
图6
充电过程中镍氢镍镉电池温度的变化规律
定容量的80%以前, 镍镉电池的温度缓慢上升, 当电池容量达到90%以后, 镍镉电池的温
度才很快上升。当电池基本充足电时, 镍镉/镍氢电池的温度上升率基本相同。
2. 2应用特点比较
镍氢电池的工作电压与镍镉电池完全相同, 均为1. 2V, 因此完全可以取代镍镉电池。
镍氢电池与同体积的镍镉电池相比, 容量可以增加一倍, 并且充放电循环次数达到500次以后, 镍氢电池的容量并无明显减少。通常充放电循环次数可达到1000次。
镍氢电池中, 不用价格很昂贵的有毒物质 金属镉, 因此, 镍氢电池生产、使用以及废弃后, 均不会污染环境, 因此被称为绿色电池。
镍氢电池无记忆效应, 可随时充电, 而且
充电前不需要先放空电, 使用非常方便。2. 3主要技术参数比较
镍氢、镍镉电池的主要技术参数比较如表2所列。
咨询编号:970504
表2 镍氢、镍镉电池的主要技术参数比较
参数和特性
能量、重量密度(kw/kg) 能量、体积蜜度(kw/L) 500次循环容量保持率(%) 1000次循环容量保持率(5) 大容量放大能力(%) 充电时间(hour) 循环次数环境污染记忆效应
镍氢电池镍镉电池N-i M H [1**********]0. 5-1>1000无无
N-i Cd 2770~80908460~701400严重有