鉅大LARGE | 點擊量：1147次 | 2021年05月13日
鎳氫電池（柱式）的結(jié)構(gòu)、原理以及特性
鎳氫電池(柱式)是一種性能良好的蓄電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。鎳氫電池正極活性物質(zhì)為Ni（OH）2（稱NiO電極），負(fù)極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱儲氫合金（電極稱儲氫電極），電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。鎳氫電池作為氫能源應(yīng)用的一個重要方向越來越被人們注意。
由于化石燃料在人類大規(guī)模開發(fā)利用的情況下越來越少，近年來，氫能源的開發(fā)利用日益受到重視。鎳氫電池作為氫能源應(yīng)用的一個重要方向越來越被人們注意。雖然鎳氫電池確實是一種性能良好的蓄電池，但航天用鎳氫電池是高壓鎳氫電池（氫壓可達3.92MPa，即40kg/cm2），這樣的高壓力氫氣貯存在薄壁容器內(nèi)使用容易爆炸，而且鎳氫電池還要貴金屬做催化劑，使它的成本變得很貴，這就很難為民用所接受，因此，國外自70年代開始探索民用的低壓鎳氫電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。高壓鎳氫電池是20世紀(jì)70年代初由美國的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制。用鎳氫電池代替鎘鎳電池并應(yīng)用于各種衛(wèi)星上的趨勢已經(jīng)形成。
鎳氫電池正極活性物質(zhì)為Ni（OH）2（稱NiO電極），負(fù)極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱儲氫合金（電極稱儲氫電極），電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。活性物質(zhì)構(gòu)成電極極片的工藝方式重要有燒結(jié)式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式及嵌滲式等，不同工藝制備的電極在容量、大電流放電性能上存在較大差異，一般根據(jù)使用條件不同的工藝生產(chǎn)電池。通訊等民用電池大多采用拉漿式負(fù)極、泡沫鎳式正極構(gòu)成鎳氫電池。充放電化學(xué)反應(yīng)如下：
正極：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-
負(fù)極：M+H2O+e-=MHab+OH-
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
總反應(yīng)：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH
注：氫合金（M）,吸附氫(Hab),反應(yīng)式從左到右的過程為充電過程,反應(yīng)式從右到左的過程為放電過程。
充電時正極的Ni（OH）2和OH-反應(yīng)生成NiOOH和H2O，同時釋放出e-一起生成MH和OH-，總反應(yīng)是Ni（OH）2和M生成NiOOH，儲氫合金儲氫；放電時與此相反，MHab釋放H+，H+和OH-生成H2O和e-，NiOOH、H2O和e-重新生成Ni（OH）2和OH-。鎳氫電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢為1.319V。
鎳氫電池的重要有6大特性：表現(xiàn)工作特性的充電特性與放電特性，表現(xiàn)儲存特性的自放電特性與長期儲存特性，表現(xiàn)綜合的循環(huán)壽命特性與安全特性。它們都決定于鎳氫電池的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)于所處環(huán)境，顯著特點是受溫度與電流影響巨大。
1、充電特性：當(dāng)鎳氫電池充電電流增大和（或）充電溫度降低時會導(dǎo)致電池充電電壓上升。一般在0℃～40℃之間的環(huán)境溫度下采用不大于1C的恒定電流充電，而在10℃～30℃之間充電能獲得較高的充電效率。
假如經(jīng)常在高溫或低溫環(huán)境中對鎳氫電池充電，會導(dǎo)致鎳氫動電池性能的降低，關(guān)于0.2C以上的快速充電，充電控制措施是必不可少的。反復(fù)的過充也會降低鎳氫電池的性能，所以，高低溫以及大電流充電的保護措施一定要到位。
2、放電特性：鎳氫電池的放電平臺是1.2V，電流越大，溫度越低，鎳氫電池放電電壓和放電效率都會降低，鎳氫電池的最大持續(xù)放電電流為1C-2C。
鎳氫電池的放電截止電壓一般設(shè)定在0.9V，IEC標(biāo)準(zhǔn)充放電模式設(shè)定為1.0V，因為，1.0V以下一般還可以供應(yīng)穩(wěn)定的電流，而0.9V以下還可以供應(yīng)略小一些的電流，因此，鎳氫電池的放電截止電壓可以看作0.9V~1.0V的一個電壓區(qū)間，有些鎳氫電池則可以下標(biāo)到0.8V。一般情況下，假如截止電壓設(shè)定得太高，則鎳氫電池容量不能被充分利用，反之，則容易引起鎳氫電池過放。
3、自放電特性：是指鎳氫電池充足電開路（無負(fù)載）存放時容量自耗的現(xiàn)象，自放電特性重要受環(huán)境溫度的影響，溫度越高，鎳氫電池存放后容量自耗就越大。
4、長期存放特性：重要是指鎳氫電池的電量恢復(fù)能力。經(jīng)過較長時間（如一年）存放后使用時，鎳氫電池的容量可能會比存放前的容量小，但經(jīng)過幾次充放循環(huán)后，鎳氫電池能恢復(fù)到存放前的容量。
5、循環(huán)壽命特點：鎳氫電池的循環(huán)壽命受充放電制度、溫度和使用方法的影響。按照IEC標(biāo)準(zhǔn)充放電時，一次完全充放電就是鎳氫電池的充電周期，多次的充電周期就構(gòu)成了循環(huán)壽命，鎳氫電池的充放電循環(huán)可以超過500次。
6、安全性：鎳氫電池的安全性能是電池設(shè)計中較好的，這固然與其所采用的物質(zhì)材料有關(guān)，也與其結(jié)構(gòu)有密不可分的關(guān)系。在使用過程中，假如鎳氫電池使用不正當(dāng)造成過充、過放、短路，而促使鎳氫電池內(nèi)部壓力升高，這時，一個可恢復(fù)的安全閥將會打開，就能夠起到降低內(nèi)部壓力，從而防止電池爆炸的用途。
鎳氫電池的用途
（1）電氣設(shè)備：電力儀表、自動化控制、測繪儀器。
（2）家用便攜式：便攜式血壓、血糖測試儀、多參數(shù)監(jiān)護儀、按摩器、便攜式DVD等。
（3）燈具：探照燈、手電筒、應(yīng)急燈、太陽能燈。
（4）電子玩具：飛機航模、遙控車、遙控船。
（5）電動工具：電鉆、電刨、電鋸、電批消費性電子產(chǎn)品鎳氫電池被普及地應(yīng)用在消費性電子產(chǎn)品中。
鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池
低壓鎳氫電池具有以下特點：
（1）電池電壓為1.2~1.3V，與鎘鎳電池相當(dāng)。
（2）能量密度高，是鎘鎳電池的1.5倍以上。
（3）可快速充放電，低溫性能良好。
（4）可密封，相對其它電池耐過充放電能力強。
（5）無樹枝狀晶體生成，可防止電池內(nèi)短路（柱式型）。
（6）安全可靠對環(huán)境無污染，無記憶效應(yīng)等。
高壓鎳氫電池具有如下特點：
（1）可靠性強。具有較好的過放電、過充電保護，可耐較高的充放電率并且無枝晶形成。具有良好的比特性。其質(zhì)量比容量為60Ah/kg，是鎘鎳電池的5倍。
（2）循環(huán)壽命長，可達數(shù)500以上。
（3）全密封，維護少。
（4）低溫性能優(yōu)良，在-10℃時，容量沒有明顯改變。
鎳氫電池在使用時應(yīng)注意維護
（1）使用過程忌過充電。在循環(huán)壽命之內(nèi)，使用過程切忌過充電，這是因為過充電容易使正、負(fù)極發(fā)生膨脹，造成活性物脫落和隔膜損壞，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞和電池歐姆極化變大等問題。
（2）防止電解液變質(zhì)。在鎳氫電池循環(huán)壽命期，應(yīng)抑制電池析氫。
（3）鎳氫電池的存放。保存鎳氫電池應(yīng)在充足電后，假如在電池中沒有儲存電能的情況下長期保存電池，將使電池負(fù)極儲氫合金的功能減弱，并導(dǎo)致電池壽命減短。
