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1、题目：方形XXmAh镍氢电池的制备及性能.引言1. 实验背景大量使用的镍镉电池（Ni-Cd）中的镉有毒，会使环境受到污染，因此 人们用储氢合金做成的镍氢充电电池（Ni MH）替代镍镉电池。从电池电量 来讲，相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.52倍，且无镉的污 染。根据镍氢电池在原材料供应、性能特点等方面所具有的优势，镍氢电池 在小容量电池市场方面得到快速发展，还有望作为动力电源在混合动力汽车 和电动工具中应用。2. 实验目的（1）学习有关电池的基本概念和知识：正负极、黏合剂、电解液、隔膜、 工作原理等，使自己对生活中常见的电池有更深入的认识；(2) 亲身实践电池的制作：辊压极板、点焊
2、镍网、切割有机玻璃和制作 电池外壳等，使自己对电池制作的过程有一定的认识。二. 实验部分1.镍氢电池的工作原理：镍氢电池的正极活性物质为Ni(0H)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。电极 反应如下：(“亠”表示充电；“l表示放电)正极：Ni(OH)2 + OH- = NiOOH + H2O
3、+ e-负极：M + xH2O + xe- = MHx + xOH-实际应用中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
4、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，镍氢电池正负电极上发生的反应：(i 表示充电；“厂表示放电)正极：Ni(OH)2 + OH- = NiOOH + H2O + e-过充电时：4OH- - 4e- 2H20 + O2负极：M + xH2O + xe- = MHx + xOH-过充电时： 2H2O + O2 + 4e- 4OH-电池：xNi(OH)2 + M = NiOOH + MHx正极活性物质用量，根据法拉第定律，其理论用量:Mo(g)
5、 = 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%。2.实验仪器与试剂：2.1 实验仪器： 点焊机（焊接泡沫镍与镍条）；压片机（压缩极板）；烘箱（烘干电极板）；有机玻璃（电池壳材料）；锯子（切割有机玻璃）；环氧树脂+固化剂（粘结剂）；钻孔器（在电池壳上打孔） 砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；2.2 实验试剂： 氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量 220mAh
6、/g）； 贮氢合金粉（负极活性物质, 放电比容量 280mAh/g）；隔膜（PE隔膜，作用：隔开正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道）; 60%（PTFE + CMC）粘结剂；Ni粉（提高极板导电性）；Co 粉（提高极板导电性和物质反应可逆性）；30% KOH溶液（用于配置电解液）3.实验步骤：3.1 正负极板的裁剪:裁剪正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm共5片，其中正极2片，负极3片，分 别用电焊机焊接上镍条3.2 正负极板的制备（1）正极板的制备:称取 3.6gNi（OH）2 固体粉末与 0.49gPTFE, 0.21gNi 粉和 0.13gCo3O4 添加剂 混合均匀，再加入粘结剂
7、CMC乳液适量调制成浆，然后均匀涂覆在2片泡沫 镍上。（2）负极板的制备：称取5.4g贮氢合金粉与和0.47g PTFE混合，再加入适量的粘结剂CMC乳 液调制成浆，然后涂覆到3片泡沫镍上。（3）烘干：把制备好的极板置于烧杯中，于烘箱中约150 r烘干、一周后，取出用 保鲜膜包住并用压片机进行压片，称量，减去泡沫镍的质量，计算得到正负极 的放电比容量。3.3 电池盒的制备：根据极板的大小，确定电池盒的规格用锯子在有机玻璃板上锯出电池盒 的六个面，并用砂纸打磨平滑，将五个面用粘合剂（环氧树脂+固化剂）粘连 起来，自然放置一周晾干，晾干后检验是否漏液，不漏即完成电池盒的制备。 余下一片用点焊点出
8、3个孔。3.4 电解液的配制：称取KOH固体（含量=85%）约8.75g,LiOH约0.75g,加去离子水配成25g 溶液，搅拌均匀，冷却至室温后待用。3.5 电池盒的组装： 将7片极板用隔膜分别抱住，再按照负-正-负-正-负的顺序排好，整理好 放入电池盒中，加入KOH电解液，并将正极和负极的镍条从电池盖的两孔中 分别穿出，用环氧树脂固定。组装完成后进行充放电测试。三. 实验记录与分析1.正负极板数据记录正极材料用量材料Ni(OHbCoO4NiPTFE总质量CMC用量/g3.600.130.210.494.430.30材料贮氢合金粉总质量PTFECMC用量/g5.405.870.470.392
9、.正负极板的外观：正极板为绿色长方形薄片，负极为灰色长方形薄片，表面平整。3. 电池循环充放电曲线图aiaQQ 2qw 3aaa laoa sqqqTime/min图14. 电池放电容量随充放电循环次数关系曲线图EM-0BdCQocycle number/Times图25. 电池单次充放电曲线图图36. 数据分析： 由图 1 可看到电池在循环充放电过程中，充放电曲线比较有规律， 电压保持在一定水平，在 5000min 时依然保持电压值较恒定，说明电池性 能比较稳定，充放电电压稳定 由图 2 看出，在前 6 次循环充放电过程中充放电电流逐渐增大，然 后在 150mA-650mA 之间，随着次数的
10、增加，电流开始有下降。后面充放电 趋于稳定在 580mA 左右。可见电池充放电性能很好。 由图 3 可看出，电池充放电时间相接近，电池起初充电很快后才变缓慢下来，电池放电也是如此，起初放电相对较快，后才趋于缓慢。 由以上三个图可知，总的来说，电池性能很稳定。四. 实验评价：本次实验制备得的电池总体性能稳定，可能和以下原因有关： 恰好选择了比较好的各物质成分的配比，使得有效的活性物质挥 了很好的作用。 在泡沫镍上涂上电池材料时，原料涂得比较深入，使得泡沫镍上有足够的电池材料，保证了电子传递道路的通畅。 电池外壳的制作刚好与所做的电池正负极大小相配，使得加入的 电解液的量刚刚好。五. 参考文献：1 何广平 , 南俊民，孙艳辉 . 物理化学实验 . 化学工业出版社 , 2008, 170-174.2 陈军等编. 化学电源原理、技术与应用. 化学工业出版社， 2006.3 傅献彩, 沈文霞, 姚天扬. 物理化学. 高等教育出版社, 20084 清华大学化学系物理化学实验编写组 . 物理化学实验. 清华大学 出版社， 1991.
