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1、第五章氢镍电池,学时:4学时 主要内容: 概述 高压氢镍电池 储氢合金电极 金属氢化物镍电池的电性能,本章重点: 两类氢镍电池的区别 贮氢合金电极:反应机理、特点、存在的问题及发展趋势,一、概述,在燃料电池和全密封Cd/Ni电池的基础上发展了(高压)氢-镍电池,称为第二代空间电池 高压氢镍电池 高压氢-镍电池的正极采用烧结式镍电极;负极以镍网为骨架,Pt、Pd等贵金属为催化剂,负极活性物质是电池内预先充入的高压氢气 优点:较高的比能量,循环寿命长,耐过充、过放能力强,以及可以通过氢压来指示电池荷电状态等,缺点:负极使用贵金属催化剂,电池成本高;电池内部氢压高,增加了电池密封的难度;壳体需要用较
2、重的耐压容器,降低了电池的比能量;电池自放电大;可能因氢气泄漏而出现安全问题 高压氢-镍电池目前仅应用于空间技术等特定的场合,低压氢镍电池(金属氢化物-镍电池) 20世纪70年代起,降低储氢材料吸氢压力的努力有了突破性进展,储氢材料实用化 以储氢合金为负极、Ni(OH)2为正极 优点: 较高的比能量,耐过充、过放能力强,循环寿命长,无毒及不使用贵金属等 缺点: 电池自放电较大,二、高压氢-镍电池,高压氢-镍电池的工作原理,正极,负极,电池,高压氢-镍电池的结构 压力容器 镍电极 氢电极 隔膜 电解液,高压氢-镍电池的电性能 充放电性能,高压氢-镍电池的充放电曲线,自放电特性,高压氢-镍电池的自
3、放电曲线,工作寿命 高压氢-镍电池的工作寿命长是其突出的优点 失效的主要因素: 镍电极膨胀 密封壳体泄漏 电解液再分配,三、储氢合金电极,储氢合金的发展历史 20世纪60年代后期荷兰菲利浦公司和美国布鲁克海文国家实验室分别发现LaNi5、TiFe、Mg2Ni等金属间化合物的储氢特性 在常温下能够可逆的吸放氢 金属氢化物的氢密度比H2和液态氢还高,储氢合金的热力学原理,在合金吸氢的初始阶段形成固溶体(相),合金结构保持不变 固溶体进一步与氢反应生成氢化物(相)进一步增加氢压,合金中的氢含量略有增加,储氢合金吸收和释放氢的过程,最方便的表示方法是压力-组成-等温曲线,即p-c-T曲线 储氢合金的平
4、台压力对其应用是非常重要的,储氢合金中氢的位置,储氢合金吸收氢后,氢进入合金晶格中,合金晶格可以看作容纳氢原子的容器,为什么储氢合金能够致密的吸收大量的氢?,LaNi5中氢原子的位置,用作MH/Ni电池的储氢合金应当满足以下条件 电化学储氢容量高,在较宽的温度范围内不发生太大变化,合金氢化物的平衡压力适当(0.01MPa-0.5MPa,298K),对氢的阳极氧化具有良好的催化作用; 在氢的阳极氧化电位范围内,储氢合金具有较强的抗氧化能力; 在碱性电解质中合金组分的化学性质相对稳定; 反复充放电过程中合金不易粉化,制得的电极能保持形状稳定; 合金应具有良好的电和热的传导性; 原材料成本低廉,无污
5、染.,储氢合金的分类 按组成分类 稀土类如LaNi5、MmNi5等;钛系类如TiNi、TiNi2等;镁系类如Mg2Ni、Mg2Cu等;锆系类如ZrMn2 按组分的配比分类 稀土类为AB5型,锆系类为AB2型,镁系类为A2B型, TiNi为AB型,储氢合金的制备 通常采用熔炼法制备储氢合金并对其进行热处理 采用机械粉碎法或氢碎法将得到的合金粉碎 储氢合金电极的制备 粘接法 泡沫电极法 烧结法,储氢合金电极的性能衰减 合金的微粉化及表面氧化扩展到合金内部 储氢合金电极的自放电 储氢合金的表面处理技术 化学处理法 酸、碱及氟化物处理法 微包覆处理,四、MH/Ni电池,工作原理,负极,正极,电池,电性能 MH/Ni电池具有能量密度较高,与Cd/Ni电池工作电压相当可互换,可快速充放电,低温性能好,耐过充、过放能力强,无毒等优点 MH/Ni电池的结构与Cd/Ni电池基本相同:正极为NiOOH电极,负极为储氢合金电极,隔膜一般为无纺布,常用聚丙烯或聚酰胺纤维为原料,MH/Ni电池的充放电曲线,不同温度下MH/Ni电池的充电曲线和放电容量比,自放电特性 MH/Ni电池的自放电比Cd/Ni电池大 循环寿命 储氢合金逐渐被氧化,从而丧失储氢能力; 电池内压(尤其是氢分压)逐渐升高,气体泄漏,电解液减少,电池容量下降; 正极活性物质反复膨胀、收缩造成软化脱落,谢谢大家!,