扣式镍氢电池的制备与性能表征

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1、扣式镍氢电池的制备与性能表征一、实验目的1）通过制备一种扣式镍氢电池，了解化学电源的工作原理和制备方法。2）通过对制备电池性能的测试，掌握表征电池性能的实验技术。二、实验原理1、实验背景化学电源也就是通常所说的电池， 是一类能够把化学能转化为电能的便携式移动 电源系统，现已广泛应用在人们日常的生产和生活中。电池的种类和型号( 包括 圆柱状、方形、扣式等 ) 很多，其中，对于常用的电池体系来说，通常根据电池 能否重复充电使用，把它们分为一次（或原）电池和二次（或可充电）电池两大 类，前者主要有锌锰电池和锂电池，后者有铅酸、 镍氢、锂离子和镍镉电池等1。 除此之外，近年来得到快速发展的燃料电池和电

2、化学电容器（也称超级电容器） 通常也被归入电池范畴， 但由于它们所具有的特殊的工作方式，这些电化学储能 系统需特殊对待。在这些电池的制备和使用方法上，有很多形似的地方，因此通 过熟悉一种电池可以达到了解其它电池的目的。本实验即通过制备一种扣式可充 电的镍氢电池， 并通过测试电池的性能， 以此使同学们在电池制备及其性能表征 等方面得到训练。镍氢电池在上世纪 90年代初实现了商业化。 镍氢电池于 1988年进入实用化阶段， 1990 年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加。目前在日本，三洋、松下和 东芝形成了三足鼎立的局面，所占市场份额分别为40% 、30% 和 20% ，生产能力 已达到 150

3、0万只/ 月。2007 年 8 月日本三洋电机公司在中国正式发售了一款新 型镍氢充电电池。在我国 ,2007 年春兰动力电源公司掌握镍氢动力电池最新封装 技术。高能动力镍氢电池是一种应用范围很广的大容量、大功率电池，同时，它 也是一种物质“活性”较强、容易外逸、封装技术要求很高的电池2-3。随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、高功率方向 发展。镍氢电池产业将成为21 世纪能源领域的重大产业之一。镍氢电池产业的 发展可获得城市环境的改善，使国民经济可持续发展；有助于移动通讯，无污染 电动车等的高新技术产业的发展；将带动上游原材料工业的发展。2、实验原理镍氢电池的正极活性物

4、质为具有P型半导体性质的 Ni(OH)2，负极为贮氢合金， 正负电极用隔膜分开， 根据不同使用条件的要求， 采用 KOH 并加入 LiOH 或 NaOH 的电解液。电池充电时，正极中Ni(OH)2被氧化为 NiOOH ，而负极则通过电解水 生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。放电时，正极中的NiOOH 被还原为 Ni(OH)2，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。 镍氢电池工作原理如图1 所示。图 1 镍氢电池的工作原理图需要指出的是， 实用的镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，但在充电过程中 正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此如何消除这些气体关

5、系到电池的密封问题。 这可以通过优化电池设计得到解决，主要为采用用正极限 制电池容量和电解液加入量的方法，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结 构等。其中，电解液的加入量以使电池处于一定的贫液状态，主要是为了正极析 出的气体能构迁移到负极表面被反应掉，以利于实现氧在电池内部的循环和负极 尽量不析出氢气。 把正负电极的容量之比一般控制在1:1.3-1:1.4之间，这样电 池在充电末期和过充电时， 正极析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复 合还原为 H2O ，负极则因有较多的剩余容量而不容易析出氢气，从而保证电池具 有合适的充电内压和电解液损耗率， 最终保证电池的高循环寿命。 充放电过程中

6、， 镍氢电池正负电极上发生的反应：正极: 过充电时负极: 过充电时电池: 正极活性物质用量 , 根据法拉第定律 , 其理论用量 :Mo(g) = 3600MQ/ nF ,其 中 M- 摩尔质量 ,n 电极反应过程中得失电子数,Q 所设计电池容量Ah 数,F 法拉第常数 ,96487C , 实际过程中要考虑利用率等因素, 比计算值多 10 % 20 %. 负极活性物质用量应考虑电池充电后期产生过量气体的影响, 必须 过量 20 % 50 %。根据充放电时正负电极的反应不难看出，影响电池性能的因素是很多的，其中正 负电极活性物质在反应过程中的稳定性能和反应活性，以及影响活性物质充分发 挥作用的其它

7、因素， 包括制备电极时的辅助添加剂和粘结剂，组装电池时所使用 的电解液、隔膜和密封材料等，都对电池的性能具有很大的影响8-9。电池的设计不仅应考虑电池的性能, 还应在结构上给予充分考虑. 所谓性能设计 是指电压、容量和寿命的设计, 而结构设计是指极板、单体电池壳、隔膜、电解 液和其他结构件的设计 . 根据所需电池的要求 , 确定电池的性能和结构最合理的 设计方案。三、实验仪器与试剂氢氧化镍，贮氢合金粉，隔膜，扣式电池壳，60（PTFE + CMC ）粘结剂， CoO 粉，Ni 粉，8molL-1 KOH混合溶液。计算机控制充放电仪器，压片机，烘箱，点焊机，封口机，电化学工作站。四、实验步骤4-

8、7,10根据电池的外壳尺寸和对性能的要求，确定正负极板和隔膜的尺寸以及活性物质 的装填量，然后制备正负极板、 裁制隔膜并配制电解液， 再把正负极板与隔膜卷 绕或折叠在一起放入电池壳中，加入适量的电解液后封口， 最后把电池化成后检 测性能。具体步骤如下：1）电池外壳、正负极板和隔膜的裁剪电池外壳的尺寸大小，剪出比外壳直径略小的两片圆形泡沫镍。再根据泡沫镍的大小， 剪出比泡沫镍直径略大的隔膜，称量泡沫镍的质量，记 录数据。2）正负极板的制备正极板的制备方法为：按Ni(OH)2 90%与 CoO5% 和 Ni5% 的比例计算所需的 质量，根据粉添加剂总质量， 按 5% 比例计算所要添加粘结剂 （PT

9、FE + CMC ，60） 质量。称取 4.0035g Ni(OH)2固体粉末与 0.2242g CoO和 0.2238g 的 Ni 粉添加剂混合均 匀，再加入 0.2713g 的粘结剂（ PTFE + CMC ，60）和适量的去离子水调制成浆， 然后均匀涂覆在泡沫镍上，置于烘箱中烘干，T=111-125。压片、刮去电极板 上其中一面及多余的粉末制成镍正极。称量，减去泡沫镍的质量， 计算得到正极 的放电比容量。负极板的制备方法为：按贮氢合金粉95% ，Ni 粉 5% 的比例计算所需的质量， 再根据以上总重量，按5% 比例计算所要添加粘结剂（PTFE + CMC ，60）质量。 按 5% 比例计

10、算所要添加粘结剂（PTFE + CMC ，60）质量。称取 4.0019g 贮氢合金粉与和 0.2112g Ni 粉混合， 再加入 0.3021g 的粘结剂 （PTFE + CMC ，60）和适量的水调制成浆，然后涂覆到泡沫镍集流体中，经烘干、压 片后制成金属氢化物负极。称量，减去泡沫镍的质量，计算得到负极的放电比容 量。3）电池组装把制作好的正负极浸在8molL-1KOH溶液几秒钟，隔膜浸一下即用镊子取出， 把正负电极和隔膜依次叠在一起并放入扣式电池壳中，然后在封口机上封口。4）电池性能测试观察电池外观， 看电池的外型尺寸是否达到要求，电池是否漏液。外形尺寸可 用卡尺测量（测量时小心短路）。

11、用万用表测量电池的开路电压，记录数据。电压通过测定内阻和充放电的方法来评价电池的电性能（由于时间关系和设备 问题没有进行此性能测试）。5）电池化成 （由于时间关系和设备问题没有进行此性能测试）制备好的电池要放置适当的时间后再化成，以保证加入的电解液能浸入到极板中 （1-3 小时）。预先把极板在电解液中浸泡的可免除这一步。然后，采用多次充 放电的方法， 可使正负电极得到充分活化并使电池达到额定放电容量。在化成过 程中，为了加速化成，可以在化成中间把电池放入约55的温度环境中 6-8 个 钟头。可参考以下方法：0.1C 充 3 h ，55的温度环境中放6-8h 后用 0.2C 放电到 1.0V，然

12、后采用 0.2C 充电 7h 并用 0.2C 放电 1.0V，重复 3 次即可使电池得到活化。五、数据处理1、正负极极板试剂药品用量表 1 电极板各成分用量电池极板 药品质量（ g）正极Ni（OH ）24.0035 CoO 0.2326 Ni 粉0.2238 粘结剂0.2713 负极贮氢合金 4.0019 Ni 粉0.2112 粘合剂0.3021 2、电池容量比计算表 2 电池有关数据电池编号极板泡沫镍质 量/g 极板总质 量（g）极板有效成 分质量（ g）理论电池 容量 (mA/h) 正负极容量比万用表测电压 (V) 1正极0.0526 0.4615 0.3671 80.762 1:1.39

13、 0.260 负极0.0510 0.5653 0.4885 112.355 2正极0.0501 0.5360 0.4182 92.004 1:1.16 0.109 负极0.0514 0.5379 0.4621 106.283 3、电池外观观察电池外观，外壳为银白色，正极为平整面，负极为有摩擦突起面，两个电池 为圆形，直径 2 厘米，厚度 1 毫米多，电池无漏液 。用手指按电池表面，电池无 不平，内部物质分布均匀。六、结果与讨论本实验通过制备扣式镍氢电池，加深了对电池的理解， 对电池制备有了初步的了 解。在制备电池的过程中， 首先要注意圆形泡沫镍剪裁的大小，由于在后部分要 进行压片，泡沫镍会变大

14、， 但是又不能压片后在涂电极活性物质，否则会涂不上 去，所以在裁剪时候要先剪样品压片再剪出大小适合的圆形泡沫镍。在调电活性物质的时候，要调到浆糊状，如果想电极极板效果好点，美观，可以 调得略稀一点， 由于电池中装入正负极板的容量以1:1.3-1:1.4之间为准，故在 涂电活性材料的时候， Ni(OH)2正极厚一点，贮氢合金负极薄一点，由于我们的 电活性物质是调得比较稀，制备出来的电极极板就较为美观、平整，但是在烘干 的过程就用时较多，烘干的只要作用就是除去水和使粘结剂挥发，故温度要 100 以上，本实验设计温度是125。干燥完要进行压片， 压片时候要注意压片机的松紧程度， 如果太紧就会造成断裂

15、， 故调整好松紧实非常关键的，压片完成之后，考虑到正极板的导电性较差，可以 采用在正极板片上焊接上极耳并随后焊接到电池壳内壁，或者把极板与电池壳接 触一面上的附粉刮除， 以露出泡沫镍来增大其与电池壳的接触。本实验采取第二 种方法，刮去正极极板上其中一面及多余的粉末制成镍正极。为了使正负极板的 容量接近 1:1.3-1:1.4。贮氢合金负极也适量刮去一点粉末。把制作好的正负极浸在8molL-1KOH溶液几秒钟，隔膜浸一下即用镊子取出， 把正负电极和隔膜依次叠在一起并放入扣式电池壳中，注意隔膜必须足够大把正 负极分开，否则会短路。然后在封口机上封口，封口时由于正极一面平整，统一 把正极放在上面。而

16、在以上操作中，由我们小组2个同学共同完成，组装电池时候，我负责1 号电 池，她负责 2 号电池。测量开路电压的时候， 1 号电池较 2 号电池高，由于 2 电池理论正负极容量比不 同，还有在制备过程中，所加的电解液量也不等，所以才会有此差别。实验拓展1) 电池解剖。在对电池研究的过程中，有时为了检查电池性能改变的原因，需 要通过把电池解剖， 并分析电池两电极上活性物质的变化以及电解液和隔膜的状 况。在打开电池时， 要注意对具有强腐蚀性电解液的防护，同时要防止正负电极 因残余电量而引起的短路，以及负极板与空气接触时发生的氧化反应。2）电极活性物质。在电池充放电过程中，通过自身价态的变化实现化学能和电 能转化的物质， 这些物质的性能与它们的晶型、 组成（或制备该物质时添加剂） ， 以及组成电极时其它诸如粘结剂、周围的导电剂等因素有关。3）电池的额定（或标称）容量：在标称的充放电条件下，电