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1、上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子有限公司有限公司有限公司有限公司 Shanghai Zhiqin Electronics Ltd. ADD: 上海市定西路 1310 弄 2 号 605# ZIP: 200050 TEL: 86-21-52375161 WEB: www.sh- E-MAIL: 镍镉电池镍氢电池的原理及充电方法详解镍镉电池镍氢电池的原理及充电方法详解镍镉电池镍氢电池的原理及充电方法详解镍镉电池镍氢电池的原理及充电方法详解(转转转转) 镍镉/镍氢电池的发展 1899 年，Waldmar Jungner 在开口型镍镉电池中，首先使用了镍极板，几乎与此同时，Thoma
2、s Edison 发明了用于电动车的镍铁电池。遗憾的是，由于当时这些碱性蓄电池的极板材料比其它蓄电池的村料贵得多，因此实际应用受到了极大的限制。 后来，Jungner 的镍镉电池经过几次重要改进，性能明显改善。其中最重要的改进是在 1932 年，科学家在镍电池中开始使用了活性物质。他们将活性物质放入多孔的镍极板中，然后再将镍极板装入金属壳内。镍镉电池发展史上另一个重要的里程碑是 1947 年密封型镍镉电池研制成功。在这种电池中，化学反应产生的各种气体不用排出，可以在电池内部化合。密封镍镉电池的研制成功，使镍镉电池的应用范围大大增加。 密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、
3、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。 随着空间技术的发展，人们对电源的要求越来越高。70 年代中期，美国研制成功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池，并且于 1978 年成功地将这种电池应用在导航卫星上，镍氢电池与同体积镍镉电池相比，容量可提高一倍，而且没有重金属镉带来的污染问题。它的工作电压与镍镉电池完全相同，工作寿命也大体相当，但它具有良好的过充电和过放电性能。近年来，镍氢电池受到世界各国的重视，各种新技术层出不穷。镍氢电池刚问世时，要使用高压容器储存氢气，后来人们采用金属氢化物来储存氢气，从而制成了低压甚至常压镍氢电池。1992 年，日本三洋公司每月可生
4、产 200 万只镍氢电池。目前国内已有 20 多个单位研制生产镍氢电池， 国产镍氢电池的综合性能已经达到国际先进水平。 蓄电池参数 蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用 Ah(安时)表示，1Ah 就是能在 1A 的电流下放电 1 小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示，C 为蓄电池的额定容量。例如，用 2A 电流对 1Ah电池充电，充电速率就是 2C；同样
5、地，用 2A 电流对 500mAh 电池充电，充电速率就是 4C。 电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。 单元镍镉电池的标称电压约为 1.3V （但一般认为是 1.25V） ， 单元镍氢电池的标称电压为 1.25V。 电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。 蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充
6、电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为 1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压为 1.5V。 表 1-1 镍镉电池不同放电率时的放电终止电压 此主题相关图片如下： 上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子有限公司有限公司有限公司有限公司 Shanghai Zhiqin Electronics Ltd. ADD: 上海市定西路 1310 弄 2 号 605# ZIP: 200050 TEL: 86-21-52375161 WEB: www.sh- E-MAIL: 放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续
7、放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关。镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系如表 1-1 所列，镍氢电池的放电终止电压一般规定为 1V。 镍镉蓄电池的工作原理 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当环境温度较高时，使用密度为 1.171.19（15时）的氢氧化钠溶液。当环境温度较低时，使用密度为 1.191.21（15时）的氢氧化钾溶液。在-15以下时，使用密度为 1.251.27（15时）的氢氧化钾溶液。为兼顾
8、低温性能和荷电保持能力，密封镍镉蓄电池采用密度为 1.40（15时）的氢氧化钾溶液。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氧化锂（大约每升电解液加 1520g）。 镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍NiOOH，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。 1.放电过程中的电化学反应 （1）负极反应 负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子 Cd2+，然后立即与溶液中的两个氢氧根离子 OH-结合生成氢氧化镉Cd(OH)2，沉积到负极板上。 此主题相关图片如下： （2）正极反应 正极板上的活性物质是
9、氢氧化镍（NiOOH）晶体。镍为正三价离子（Ni3+），晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子 2Ni2+。与此同时，溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体。 此主题相关图片如下： 上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子有限公司有限公司有限公司有限公司 Shanghai Zhiqin Electronics Ltd. ADD: 上海市定西路 1310 弄 2 号 605# ZIP: 200050 TEL: 86-21-5
10、2375161 WEB: www.sh- E-MAIL: 将以上两式相加，即得镍镉蓄电池放电时的总反应。 2.充电过程中的化学反应 充电时，将蓄电池的正、负极分别与充电机的正极和负极相连，电池内部发生与放电时完全相反的电化学反应，即负极发生还原反应，正极发生氧化反应。 （1）负极反应 充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应： (2) 正极反应 在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子，将氧负离子留在晶
11、格上，释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合，生成水分子。然后，两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子结合，生成两个氢氧化镍晶体： 此主题相关图片如下： 将以上两式相加，即得镍镉蓄电池充电时的电化学反应： 此主题相关图片如下： 蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分别有大量氧气和氢气析出，其电化学反应如下： 此主题相关图片如下： 上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子有限公司有限公司有限公司有限公司 Shanghai Zhiqin Electronics Ltd. ADD: 上海市定西路 1310 弄 2 号 605# ZIP: 20005
12、0 TEL: 86-21-52375161 WEB: www.sh- E-MAIL: 从上述电极反应可以看出，氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用。从电池反应来看，充电过程中生成水分子，放电过程中消耗水分子，因此充、放电过程中电解液浓度变化很小，不能用密度计检测充放电程度。 3. 端电压 充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达 1.5V 左右，但很快就下降到 1.31-1.36V。 镍镉蓄电池的端电压随充放电过程而变化，可用下式表示： U 充=E 充+I 充 R 内 U 放=E 放-I 放 R 内 从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电
13、压越高；放电电流越大，端电压越低。 当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为 1.2V。采用 8h 率放电时，蓄电池的端电压下降到 1.1V 后，电池即放完电。 4. 容量和影响容量的主要因素 蓄电池充足电后，在一定放电条件下，放至规定的终止电压时，电池放出的总容量称为电池的额定容量，容量 Q 用放电电流与放电时间的乘积来表示，表示式如下： Q=It(Ah) 镍镉蓄电池容量与下列因素有关： 活性物质的数量； 放电率； 电解液。 放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。 使用不同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。通常，在高温环境
14、下，为了提高电池容量，常在电解液中添加少量氢氧化锂，组成混合溶液。实验证明：每升电解液中加入 1520g 含水氢氧化锂，在常温下，容量可提高 4%5%，在 40时，容量可提高 20%。然而，电解液中锂离子的含量过多，不仅使电解液的电阻增大，还会使残留在正极板上的锂离子（Li+）慢慢渗入晶格内部，对正极的化学变化产生有害影响。 电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。这是因为随着电解液温度升高，极板活性物质的化学反应也逐步改善。 电解液中的有害杂质越多，蓄电池的容量越小。主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸盐。它们能使电解液的电阻增大，并且低温时容易结晶，堵塞极板微孔，使蓄电池容量显著下降。此外，碳酸根离子
15、还能与负极板作用，生成碳酸镉附着在负极板表面上，从而引起导电不良，使蓄电池内阻增大，容量下降。 上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子上海至秦电子有限公司有限公司有限公司有限公司 Shanghai Zhiqin Electronics Ltd. ADD: 上海市定西路 1310 弄 2 号 605# ZIP: 200050 TEL: 86-21-52375161 WEB: www.sh- E-MAIL: 5. 内阻 镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度有关。电池的内阻主要由电解液的电阻决定。氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变。18时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最小。 6. 效率与寿命 在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率Ah 为 67%-75%，电能效率Wh 为 55%65%，循环寿命约为 2000次。容量效率Ah 和电能效率Wh 计算公式如下： 此主题相关图片如下： （U 充和 U 放应取平均电压） 7. 记忆效应 镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出 80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出 80%的电量，这种现象称为记忆效应。 电池全部放
