电动汽车动力电池4.

《电动汽车动力电池4.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动汽车动力电池4.（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、新能源汽车专业规划教材 “十二五”职业教育国家规划教材 目录 第2章 电动汽车动力电池基本知识 第3章 铅酸动力电池及其应用 第4章 碱性动力电池及其应用 第5章 锂离子动力电池及其应用 第6章 用于电动汽车的其他动力源 第7章 电动汽车电源管理系统 第1章 电动汽车与动力电池发展历程 【引入】 v碱性电池包含的电池类型广泛，现阶段在电动车 辆上应用最多的是镍氢电池。该种电池技术成熟 、比功率大、无记忆效应，是产业化生产的混合 动力电动汽车用动力电池的主体，也是至今量产 的电动汽车中应用量最大的电池种类。 v本章将重点介绍镍氢电池的结构、工作原理、充 放电特性以及储氢合金的基本特性。 本章学习

2、目标 v1.掌握镍镉电池储能结构及原理 v2.掌握镍氢电池储能结构及原理 v3.掌握镍氢电池在电动汽车上的应用 第4章 碱性动力电池及其应用 1.碱性动力电池的储能原理与结构 2.碱性动力电池的性能及检测 3.碱性动力电池的应用 1.碱性动力电池的储能原理与结构 镍氢电池结构及储能原理2 镍镉电池结构及储能原理1 镍镉电池结构及储能原理 v镍镉电池(Ni-Cd，NickelCadmiun Battery)因其碱性氢氧化物中含有金属镍和镉 而得名。 图4-1镍镉电池结构示意图 v镍镉蓄电池的正极材料为球形氢氧化镍，充电时 为NiOOH,放电时为Ni(OH)2。负极材料为海绵 状金属镉或氧化镉粉以

3、及氧化铁粉，氧化铁粉的 作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，增加极板的 容量。电解液通常为氢氧化纳或氢氧化钾溶液， 为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解 液中加入少量的氢量的氢氧化锂（大约每升电解 液加1520g）。 v正极充放电反应为 v负极充放电反应为 v电池总反应为 v(1)镍电极反应机理 v镍电极充电时，首先是电极中Ni(OH)2颗粒表面 的Ni2+失去电子成为Ni3+，电子通过正极中的导 电网络和集流体向外电路转移；同时Ni(OH)2颗 粒表面晶格OH中的H+通过界面双电层进入溶 液，与溶液中的OH结合生成H2O。上述反应先 是发生在Ni(OH)2颗粒的表面层，使得表面层中 质子H

4、+浓度降低，而颗粒内部仍保持较高浓度的 H+。由于浓度梯度，H+从颗粒内部向表面层扩 散。 v镍电极充电时，由于质子H+在NiOOH Ni(OH)2，颗粒中扩散系数小，颗粒表面的质子 浓度降低，在极限情况下会降低到零，这时表面 层中的NiOOH几乎全部转化为NiO2。电极电势 不断升高，反应如下: v由于电极电势的升高，导致溶液中的OH-被氧化 ，发生如下反应: v因此,在充电过程中镍电极上会有O2析出，但 这并不表示充电过程已全部完成。通常情况下， 在充电不久时镍电极就会开始析氧，这是镍电极 的一个特点。在极限情况下,表面层中生成的 NiO2并非以单独的结构存在于电极中，而是掺杂 在NiOO

5、H晶格中。NiO2不稳定，会发生分解， 析出氧气。 v(2)镉电极的反应机理 v镍镉电池的负极活性物质是海绵状金属镉，放电 产物是难溶于KOH溶液的Cd(OH)2。镉电极的 放电反应机理是溶解一沉积机理，放电时Cd被氧 化，生成Cd(OH)3进入溶液，然后再形成 Cd(OH)2沉积在电极上。Cd(OH)3在碱液中 的溶解度为910-5mol/L，该浓度可以使镉电 极具有较高的反应速率，这也是镍镉电池能够高 倍率放电的主要原因。 电极的放电机理为首先发 生OH的吸附: v随着电板电势不断升高，镉进一步氧化，生成 Cd(OH)3进入溶液: v当界面溶液中Cd(OH)3过饱和时，Cd(OH)2 就沉

6、积析出: v生成的Cd(OH)2附着在电极表面上，形成疏松 多孔的Cd(OH)2，有利于溶液中的OH继续向 电极内部扩散，使内部的海绵状镉也通过溶解沉 积过程转化为Cd(OH)2实现内部活性物质的放 电。 镍氢电池结构及储能原理 v镍氢(MH-Ni)电池是在Ni-Cd电池的基础上发展 起来的，相对于镍镉电池，其最大的优点是环境 友好不存在重金属污染。民用镍氢电池又是以 航天用高压镍氢电池为基础，由于高压镍氢电池 采用高压氢，而且还需要用贵金属作催化剂，这 就很难为民用所接受。自20世纪70年代中期， 研究者开始探索民用的低压氢镍电池。镍氢电池 于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开 始

7、规模生产。 v目前，以储氢合金为负极材料的镍氢电池能满足 混合动力电动汽车所要求的高能量、高功率、长 寿命和足够宽的工作温度范围要求动力电动汽车 动力电池市场的主流产品，同时该类电池也已经 广泛地应用在电子工具、电动自行车等日常生活 用品上。 v1.镍氢电池结构 v包括以镍的储氢合金为主要 材料的负极板、具有保液能 力和良好透气性的隔膜、碱 性电解液、金属壳体、具有 自动密封的安全阀及其他部 件。图示的圆柱形电池，采 用被隔膜相互隔离开的正、 负极板呈螺旋状卷绕在壳体 内，壳体用盖帽进行密封， 在壳体和盖帽之间用绝缘材 质的密封圈隔开。 v储氢合金在进行吸氢放氢化学反应(可逆反应) 的过程中，

8、也伴随着放热吸热的热反应(可逆反 应)，同时也产生充电放电的电化学反应(可逆 反应)。具有实用价值的储氢合金应该具有储氢量 大、容易活化、吸氢放氢的化学反应速率快、 使用寿命长及成本低廉等特性。 v2.镍氢电池工作原理 v 镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时) 和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2( 放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30%的氢 氧化钾溶液电化学反应如下： v 负极反应式 v 正极反应式 v 电池反应式 v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。 v镍氢电池在充、放电过程中，正、负极上在进行 电化学反应时不发生任何中间态的可溶

9、性金属离 子，也没有电解液中的任何组分消耗和生成，因 而镍氢电池可以做成密封型结构。 v镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液，并加入少 量的LiOH。 v隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。 v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。 v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。 v镍氢电池放电时，正极上NiOOH得到电子还原 成为Ni(OH)2；负极金属氢化物 (MHx)内部的 氢原子扩散到表面形成吸附态氢原子，接着再发 生电化学反应生成水和储氢合金。在镍氢电池出 现过放

10、电时，正极活性物质中的NiOOH已经消 耗完了，这时正极上会发生水分子被还原为氢和 OH-离子。负极上由于储氢合金的催化作用，使 OH-离子与氢反应又生成水。 v过充电时，正极上会析出氧，然后扩散到负极上 发生去极化反应，生成0H离子。在电池过充电和 过放电过程中，正、负极上发生的反应可用正式 表示 v 正极：过充电析出氧 v 过放电析出氢 v 负极：过充电消耗氧 v 过放电消耗氢 v储氢合金既承担着储氢的作用，又起到催化剂作 用，在电池出现过充和过放电时，可以消除由正 极产生的O2和H2。从而使电池具有耐过充、过放 电的能力。但随着充、放电循环的进行，储氢合 金的催化能力逐渐退化，电池的内压

11、就会上升， 最终导致电池漏液失效。 2.碱性动力电池的性能及检测 镍镉电池应用存在的问题2 镍镉电池的特性1 镍氢电池与镍镉电池的对比分析3 镍镉电池的特性 v镍镉电池标称电压为1.2V，具有使用寿命长(可 充放电循环1000次以上)、机械强度高、密封性 能好、使用温度范围大(-40+50)维护保养 方便、能耐受大电流(高于正常使用电流的几倍乃 至10倍)的瞬时冲击等优点。 v(1)充放电性能 v镍镉电池的标准电动势是1.299V，额定电压是 1.2V，平均工作电压为1. 201. 25V。剐充 完电的电池开路电压较高，可以到达1.4V以上， 放置一段时间后，正极不稳定的NiO2发生分解， 开

12、路电压会降低到1.35V左右。 v镍镉电池在充电开始时，电池电压在1.3V左右， 随着充电进行，电压缓缓上升到l.41.5V并稳 定较长时间。充电电压超过1.55V后，电解液中 的水开始电解，产生气体，电压开始急剧上升， 到充电末期，正、负极上都开始析出气体电池 电压达到1.71.8V。镍镉电池的放电曲线比较 平稳，只是在放电终止时电压突然下降，一般以 O.2C放电时，电压稳定在1.2V左右。 v(2)倍率持续放电特性 v动力镍镉电池允许大电流放电而不会损坏，允许 放电倍率在10C以上，但是大电流放电时，电压 下降很快，电池可放出的能量下降。 v(3)高低温放电性能 v温度升高时，镍镉电池的容

13、量会增加，但温度超 过50时，正极的析氧过电势降低，正极充电不 完全；同时镉的溶解会随着温度上升而增大,迁移 到隔膜中，容易形成镉枝晶，导致电池内部微短 路；另外高温还会加速镍基板腐蚀和镉膜氧化， 导致电池失效。 v低温情况下，电解液的电阻增加会使镍镉电池 的容量下降。如-45以O.2C放电镍镉电池一般 只能提供50%左右的额定容量；-18以3C放 电一般可以放出30%以上的额定容量。 v(4)耐过充电和过放电性能 v镍镉电池具有很好的耐过充电和过放电能力。1C 恒电流持续充电2h，或强迫过放电不超过2h， 电池不会损坏。铅酸电池及后续章节介绍的锂离 子电池在这种情况下，都将产生永久的损坏。

14、镍镉电池应用存在的问题 v （1）记忆效应，镍镉电池长期不彻底充电、放电，易在 电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆 效应。比如，镍镉电池长期只放出80%的电量后就开始 充电，一段时间后，电池充满电后也只能放出80%的电 量。 v 记忆效应的出现主要是由于传统工艺中负极为烧结式 ，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在完全放电之前就重新充电 ，镉晶粒容易聚集成块，造成Ni电极膨胀或生成不导电的 Ni(OH)2，从而引起电池电压下降或容量减少，使电池 放电时形成次级放电平台。镍镉电池会储存这一放电平台 并在下次循环中将其作为放电的终点。同样在每一次使用 中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应

15、，使电池的 容量变得更低。 v（2）环境污染 镉是镍镉电池的必备原材料， 但有大量研究表明，在人体内，镉的半衰期长达 730年，可蓄积50年之久，摄入或吸人过量的镉 可引起肾、肺、肝、骨、生殖效应及癌症在 1993年，国际抗癌联盟就将镉定为LA级致癌物 。一般人在低剂量镉环境中暴露即可导致肾功能 损伤、骨密度降低、钙排泄增加及生殖毒性。镉 及其化合物是补课降解的环境污染物，可通过废 水、废气、废渣大量流人环境，产生环境污染及 健康危害。基于环境保护的原因，许多发达国家 已建议禁止使用镍镉电池。 镍氢电池与镍镉电池的对比分析 v同镍镉电池相比，镍氢电池具有以下显著优点： v 1)能量密度高，同尺

16、寸电池，容量是镍镉电池 的1.52倍。 v 2)环境相容性好,无镉污染， v 3)可大电流快速充放电，充放电倍率高。 v 4)无明显的记忆效应。 v 5)低温性能好，耐过充放能力强。 v 6)工作电压与镍镉电池相同，为1.2V。 v镍氢电池是镍镉电池的换代产品，电池的物理参 数，如尺寸、质量和外观完全可与镍镉电池互换 ，电性能也基本一致，充放电曲线相似，放电曲 线非常平滑，电快要消耗完时，电压才会突然下 降，故使用时完全可替代镍镉电池，而不需要对 设备进行任何改造。 v 镍氢电池的缺点是自放电与寿命不如镍镉电池, 但也能达到500次循环寿命和国际电工委员会的 推荐标准。 v 吸氢电极自放电包括可逆自放电和不可逆自放电。 v