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时间:2019-08-23
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1、第七讲镍氢电池胡友根南昌大学材料学院氢是一种干净的燃料,水-氢循环永不枯竭。因此氢受到很大的关注。将氢作为蓄电池的负极活性物质是实现水-氢循环能量体系的重要方法。以氢作为活性物质的蓄电池中,碱性水溶液的H2-Ni体系最具代表性。分为两种:一种以气体氢作为活性物质,内压高。以具有吸、脱氢能力的金属氢化物作为活性物质,表示为MH-Ni,氢-镍体系在理论和实际上具有较高的比能量。1.高压氢-镍电池高压氢-镍电池是本世纪70年代初由美国研制出来。优点:具有较高的比能量;寿命长;耐过充过放,可通过氢压来指示电池的状态。应用:美国已在卫星上有应用,日本及我国也有这个体系。在适应卫星
2、大型化和长寿命方面,该体系比Cd-NiOOH体系更有利。在航天上有应用前景。高压氢-镍电池在充电时不断析出氢气,并被贮存在作为电池壳体的耐压容器内;放电时,氢在铂-钯贵金属催化剂的作用下被氧化,形成水。缺点:航天用氢镍电池是高压氢镍电池,氢压可达39.4×105Pa。压力很高,以这样高压力的氢气,贮存在薄壁容器内使用,对于民用来说安全性是个问题;采用铂等催化剂贵金属催化剂,最初投资较高。自放电损失与氢气压力成正比,所以电池的密封需要解决。改进:在电池容器中事先放入一定量的吸氢材料(比如LaNi5),充电时放出的氢气可被吸氢材料吸收,从而控制了氢压的上升。低压氢镍电池,其压力
3、可控制在5.9×105Pa以下。电池放电时消耗氢气,在放电同时放出足够的热量,这部分热量可促使氢化物分解析出氢气。2.金属氢化物-镍电池利用金属间氢化物和氢气形成的氢化物为负极材料,在电池工作范围内,其稳定存在的氢分压为1×105Pa,可用来制造压力更低的金属氢化物镍电池。目前民用的主要品种。历史:六十年代后期,发现储氢合金;1984年,通过采用Co来取代LaNi5中的部分Ni,提高了LaNi5寿命。从而在世界上掀起了MH-Ni电池研制的热潮。二十世纪九十年代,MH-Ni电池进入产业化阶段。日本居于世界前列,1990年,日本三洋公司开始批量生产,美国、德国相继开始生产。我国今年
4、来发展很快,相继建立的一些电池生产企业。如天津和平海湾,深圳比亚迪等。镍氢电池主要用于笔记本,摄像机,便携移动装置上,另外在大功率动力型电池方面也有很好的应用前景。二、镍氢电池电极反应1.高压氢镍电池正极反应:2NiOOH+2H2O+2e→2Ni(OH)2+2OH-负极反应:H2+2OH→2H2O+e过充电:OH→1/4O2+H2O+eH2O+e→1/2H2+OH-1/2H2O→1/4O2+1/4H2过充电时发生电解反应,正极生成氧气,负极生成氢气。氧在负极和氢化合生成水。随着过充电的进行,KOH浓度和水的总量不变。过放电:OH-→1/4O2+H2O+eH2O+e→1/2
5、H2+OH-过放电时,正极上产生氢气,在负极上以同样的速率被消耗,电解液浓度没有变化。过充或过放电(产生反极),电池内的电解液浓度不会发生改变,这是镍氢电池的突出特点。2.金属氢化物氢镍电池正极反应:2NiOOH+2H2O+2e→2Ni(OH)2+2OH-正极反应与高压氢镍电池相类似。负极反应氢是储存在储氢合金中,而不是存在于电池壳体内的气体。负极反应:H2+2OH-→2H2O+2eHs→HaHs固体里的氢,Ha气体氢总反应过充电,Ni(OH)2产生氧气,与储氢合金中的氢反应,产生水;过放电,NiOOH产生氢气,可以被负极过量的储氢合金吸收。储氢合金是由易
6、于生成稳定氢化物的元素,如(La,Zr,Mg,V,Ti)等与其他元素(非氢化物形成元素,如Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Al等)组成的金属间化合物。复习题1.氢镍电池的分类。2.高压氢镍电池原理及其缺点。3.金属氢化物电池原理及其优点。4.氢镍电池的电极反应(高压、金属氢化物)?5.氢化物分类?6.储氢合金主要由哪些元素组成?7.实际使用对储氢合金的要求?8.对镍氢电池用储氢合金有什么要求9.LaNi5合金的发展过程?10.镁基合金的优缺点及其改进?为什么镁基合金循环寿命低?11.为什么镍氢电池比能量比镍镉高?12.目前金属氢化物镍电池设计原则。
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