鉅大LARGE | 點擊量:1115次 | 2018年05月25日
探討鎳氫電池和其它充電電池的對比分析
可充電電池主要有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池兩種。目前使用的鎳鎘NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion)電池都是堿性電池。
鉛酸電池閥控式免維護鉛酸電池的基本結構如圖1所示。它由正負極板、隔板、電解液、安全閥、氣塞、外殼等部分組成。正極板上的活性物質是二氧化鉛(PbO2),負極板上的活性物質為海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成。電池槽中裝入一定密度的電解液后,由于電化學反應,正、負極板間會產生約為2.1V的電動勢。
新鉛酸電池初次使用時,必須先充滿電。如采用0.1C充電速率充電,大約需要55~75小時。蓄電池正常使用放完電后,應立即充電。通常采用的方法有:(1)分級定流充電法;(2)低壓恒壓充電法(帶負載充電);(3)快速充電法。快速充電的初充時間不超過5小時,正常充電時間可縮短到1小時左右。
鎳鎘電池NiCd電池正極板上的活性物質由氧化鎳粉和石墨粉組成,石墨不參加化學反應,其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成,氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴散性,防止結塊,并增加極板的容量。活性物質分別包在穿孔鋼帶中,加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比,NiCd電池的自放電率(即電池不使用時失去電荷的速率)適中。NiCd電池在使用過程中,如果放電不完全就又充電,下次再放電時,就不能放出全部電量。比如,放出80%電量后再充足電,該電池只能放出80%的電量。這就是所謂的記憶效應。當然,幾次完整的放電/充電循環將使NiCd電池恢復正常工作。由于NiCd電池的記憶效應,若未完全放電,應在充電前將每節電池放電至1V以下。
鎳氫電池NiMH電池正極板材料為NiOOH,負極板材料為吸氫合金。電解液通常用30%的KOH水溶液,并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。圓柱形密封NiMH電池的結構如圖2所示。
NiMH電池具有較好的低溫放電特性,即使在-20℃環境溫度下,采用大電流(以1C放電速率)放電,放出的電量也能達到標稱容量的85%以上。但是,NiMH電池在高溫(+40℃以上)時,蓄電容量將下降5~10%。這種由于自放電(溫度越高,自放電率越大)而引起的容量損失是可逆的,幾次充放電循環就能恢復到最大容量。NiMH電池的開路電壓為1.2V,與NiCd電池相同。
NiCd/NiMH電池的充電過程非常相似,都要求恒流充電。兩者的差別主要在快速充電的終止檢測方法上,以防止電池過充電。充電器對電池進行恒流充電,同時檢測電池的電壓和其它參數。當電池電壓緩慢上升達到一個峰值,對NiMH電池快速充電終止,而NiCd電池則當電池電壓第一次下降了一個-△V時終止快速充電。為避免損壞電池,電池溫度過低時不能開始快速充電,電池溫度Tmin低于10℃時,應轉入涓流充電方式。而電池溫度一旦達到規定數值后,必須立即停止充電。
鋰離子電池液態電解質圓柱型鋰離子電池基本構造如圖3所示。用LiCoO2復合金屬氧化物在鋁板上形成陽極,用鋰碳化合物在銅板形成陰極,極板間插入有亞微米級微孔的聚烯烴薄膜隔板,電解液為有機溶劑。為避免使用不當造成電池損壞,在鋰離子電池內設有3種安全機構:(1)正溫度系數元件(PTC)。當電池內的溫度過高,PTC的阻值隨之上升,會自動將陰極引線與陰極之間電路切斷;(2)特殊材料的隔板。當電池內溫度上升到一定數值時,隔板上微孔會自動溶解掉,從而使電池內的反應停止;(3)安全閥。當電池內部壓力升高到一定數值時,安全閥將自動打開。
鋰電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。充電速率通常不超過1C,最低放電電壓為2.7~3.0V,如再繼續放電則會損壞電池。鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進行充電。采用1C電流充電至4.1V時,充電器應立即轉入恒壓充電,充電電流逐漸減小,當電池充足電后,進入涓流充電過程。為避免過充電或過放電,鋰離子電池不僅在內部設有安全機構,充電器也必須采取安全保護措施,以監測鋰離子電池的充放電狀態。
隨著新材料、新工藝的出現,更為先進耐用的可再充電電池也在不斷出現。國外最新開發的固態聚合物(電解質)Li離子電池、Li金屬電池,不僅解決了漏液問題,而且電池的容量更大,體積更小,更為安全可靠。它們必將成為極有潛力的新一代電池產品。
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