第1章 mh-ni电池概述

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1、第1章MH-Ni电池概述1.1MH-Ni电池的发展概况MH-Ni电池是继Cd-Ni电池之后的新一代高能二次电池，由于它具有高容量、大功率、无污染等特点而倍受人们的青睐，是当今二次电池重要的发展方向之一。与Cd-Ni电池相比，MH-Ni电池的容量提高50％以上，消除了Cd对环境的污染，可以实现快速充电；MH-Ni电池的工作电压为1.2V，可与Ni-Cd电池互换使用；MH-Ni电池比Cd-Ni电池有更高的能量贮存能力，高能型MH-Ni电池的比能量可达到95Wh•kg-1，高功率型镍氢电池的比功率达到900W•kg-1，循环使用寿命超过1000次，工作环境温度为-40℃～+55

2、℃，高低温工作容量损失小。MH-Ni电池是一种绿色环保电池，由于贮氢合金材料的技术进步，大大的推动了镍氢电池的发展，而且淘汰Cd-Ni电池的步伐也已加快，MH-Ni电池发展的黄金时刻已到来。MH-Ni电池的技术发展大致经历了三个阶段：第一阶段即六十年代末至七十年代末为可行性研究阶段；第二阶段即七十年代末至八十年代末为实用性研究阶段；1984年开始，荷兰、日本、美国都致力于研究开发储氢合金电极。1988年，美国Ovonic公司，1989年，日本松下东芝三洋等电池公司先后开发成功MH-Ni电池。第三阶段即九十年代初至今为产业化阶段。我国于80年代末研制成功电池用贮氢合金，19

3、90年研制成功AA型MH-Ni电池，截止2005年底，全国已有数一百多家企业能批量生产各种型号规格的MH-Ni电池，国产MH-Ni电池的综合性能已经达到国际先进水平。在国家“863”计划的推动下，MH-Ni动力电池是十五计划我国电池行业重点之一，MH-Ni电池作为动力在电动汽车和电动工具方面应用的研究已经取得了一定的成就，目前MH-Ni电池逐步向高能量型和高功率型双向发展。1.2MH-Ni电池的基本原理1.2.1MH-Ni电池的工作原理MH-Ni电池是一种碱性电池，负极采用由贮氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍（简称镍电极），电解质为氢氧化钾水溶液，其电化学

4、式可表示为：(－)M/MH︱KOH(6M)︱Ni(OH)2/NiOOH(+)式中M代表贮氢合金；MH代表金属氢化物。电池工作原理如图1-1所示：充电的时候，正极发生Ni(OH)2→NiOOH的转变，负极则发生水分解反应，合金表面吸附氢，生成氢化物。放电过程是上面过程的逆反应，即正极发生NiOOH转变为Ni(OH)2，负极贮氢合金脱氢，在表面生成水。15HOOHNiNi(OH)2OOHNiNiOOHOH-H2Oe-e-充电放电H负极正极图1-1MH-Ni电池电化学过程示意图1.2.2MH-Ni电池的电极反应（1）正常充放电反应电池在进行正常充放电时，MH-Ni电池正负极上发

5、生的电化学反应及整个电池的成流反应可表示为：正极：Ni(OH)2+OH－　　　　NiOOH+H2O+e－(1.1)φ°=+0.49V负极：　M　＋　xH2O+xe－　　　　　MHx+xOH－(1.2)φ°=-0.829V电池总反应：xNi(OH)2+MMHx+xNiOOH(1.3)φ°=1.319V由式（1.1）～(1.3)可以看出，充放电过程中发生在MH-Ni电池正负极上的电化学反应均属于固相转变机制，整个反应过程中不发生任何中间态的可溶性金属离子，也没有任何电解液组成的消耗和生成。因此，MH-Ni电池可以实现完全密封和免维护，其充放电过程可以看成是氢原子或质子从一个电

6、极移向另一个电极的往复过程。充电过程中，正极活性物质中的H+首先扩散到正极/溶液界面与溶液中的OH-反应生成H2O。接着，溶液中游离的H+通过电解质扩散到负极/溶液界面发生电化学反应生成氢原子并进一步扩散到负极材料贮氢合金中与之结合形成金属氢化物。放电过程正好是充电过程的逆过程。（2）过充放电反应电池在进行过充放电时，MH-Ni电池正负极反应可表示为：15正极：过充电(析出氧气)：　4OH－→2H2O＋O2↑＋4e－　(1.4)过放电(析出氢气)：　2H2O＋2e－→H2+2OH－　　(1.5)负极：过充电(消耗氧气)：　2H2O＋O2＋4e－→4OH－(1.6)过放电(

7、消耗氢气):　H2＋2OH－→2H2O＋2e－(1.7)从上面的过程可以看出，在过充和过放过程中，由于贮氢合金的催化作用，可以消除正极产生的O2和H2，从而使MH-Ni电池具有耐过充过放电能力。为了保证氧的复合反应，在电池设计方面，MH-Ni电池采用正极限容的方法设计，负极的容量大于正极的容量，正负极容量之比为1:1.2到1:1.4。这样，在充电末期和过充电时，正极上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和OH－进入电解液，从而避免或减轻了电池内部压力积累升高的现象，否则，在电池过充时，MH电极又会产生大量氢