新能源汽車動力電池結(jié)構(gòu)與檢修22鎳氫堿性動力電池的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用課件

1、2-2堿性動力電池的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及應(yīng)用知識目標(biāo)：1、了解鎳鎘、鎳氫等堿性電池的性能特點；2、掌握鎳鎘、鎳氫電池結(jié)構(gòu)和儲能原理。能力目標(biāo)：能闡述鎳鎘、鎳氫電池的儲能原理，說明它們的性能特點。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查找資料、制定計劃的能力；2、培養(yǎng)學(xué)生具備從事汽車行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。學(xué)習(xí)檢測教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)教學(xué)重點：鎳鎘、鎳氫電池的性能特點及應(yīng)用教學(xué)難點：鎳鎘、鎳氫電池的儲能原理學(xué)習(xí)檢測教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)1.堿性電池的結(jié)構(gòu)和儲能原理2.鎳鎘、鎳氫電池的工作特性3.鎳氫、鎳鎘電池的實際應(yīng)用學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)檢測主要內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)學(xué)習(xí)小結(jié)一、堿性電池的結(jié)構(gòu)和儲能原理堿性電池包含的

2、電池類型廣泛，現(xiàn)階段在電動車輛上應(yīng)用最多的是鎳氫電池。該種電池技術(shù)成熟、比功率大、無記憶效應(yīng)，是混合動力電動汽車用動力電池的主體。1、鎳鎘電池(Ni-Cd，NickelCadmiun Battery) 鎳鎘蓄電池的正極材料為球形氫氧化鎳，充電時為NiOOH,放電時為Ni(OH)2。負(fù)極材料為海綿狀金屬鎘或氧化鎘粉以及氧化鐵粉，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，增加極板的容量。電解液通常為氫氧化納或氫氧化鉀溶液。1、鎳鎘電池正極充放電反應(yīng)為：負(fù)極充放電反應(yīng)為：電池總反應(yīng)為：(1)鎳電極反應(yīng)機(jī)理 充電時，電極中Ni(OH)2顆粒表面的Ni2+失去電子成為Ni3+，電子通過正極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和

3、集流體向外電路轉(zhuǎn)移；同時Ni(OH)2顆粒表面晶格OH中的H+通過界面雙電層進(jìn)入溶液，與溶液中的OH結(jié)合生成H2O。在充電過程中鎳電極上會有O2析出，但這并不表示充電過程已全部完成。通常情況下，在充電不久時鎳電極就會開始析氧，這是鎳電極的一個特點。1、鎳鎘電池(2)鎘電極的反應(yīng)機(jī)理 鎳鎘電池的負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鎘，放電產(chǎn)物是難溶于KOH溶液的Cd(OH)2。鎘電極的放電反應(yīng)機(jī)理是溶解一沉積機(jī)理，放電時Cd被氧化，生成Cd(OH)3進(jìn)入溶液，然后再形成Cd(OH)2沉積在電極上。Cd(OH)3在堿液中的溶解度為910-5mol/L，該濃度可以使鎘電極具有較高的反應(yīng)速率，這也是鎳鎘電池能夠高

4、倍率放電的主要原因。2、鎳氫電池 鎳氫(MH-Ni)電池是在Ni-Cd電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相對于鎳鎘電池，其最大的優(yōu)點是環(huán)境友好不存在重金屬污染。民用鎳氫電池又是以航天用高壓鎳氫電池為基礎(chǔ)，由于高壓鎳氫電池采用高壓氫，而且還需要用貴金屬作催化劑，這就很難為民用所接受。自20世紀(jì)70年代中期，研究者開始探索民用的低壓氫鎳電池。鎳氫電池于1988年進(jìn)入實用化階段，1990年在日本開始規(guī)模生產(chǎn)。2、鎳氫電池（1）鎳氫電池結(jié)構(gòu) 包括以鎳的儲氫合金為主要材料的負(fù)極板、具有保液能力和良好透氣性的隔膜、堿性電解液、金屬殼體、具有自動密封的安全閥及其他部件。 儲氫合金在進(jìn)行吸氫放氫化學(xué)反應(yīng)(可逆反應(yīng))的過

5、程中，也伴隨著放熱吸熱的熱反應(yīng)(可逆反應(yīng))，同時也產(chǎn)生充電放電的電化學(xué)反應(yīng)(可逆反應(yīng))。具有實用價值的儲氫合金應(yīng)該具有儲氫量大、容易活化、吸氫放氫的化學(xué)反應(yīng)速率快、使用壽命長及成本低廉等特性。2、鎳氫電池（2）鎳氫電池工作原理 鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時)和Ni(OH)2(充電時)，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2(放電時)和H2O(充電時)，電解液采用30%的氫氧化鉀溶液電化學(xué)反應(yīng)如下： 負(fù)極反應(yīng)式： 正極反應(yīng)式： 電池反應(yīng)式：2、鎳氫電池 (3)結(jié)構(gòu)特點： 鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充、放電過程中生成物不同。 鎳氫電池在充、放電過程中，正、負(fù)極上在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時不發(fā)生任

6、何中間態(tài)的可溶性金屬離子，也沒有電解液中的任何組分消耗和生成，因而鎳氫電池可以做成密封型結(jié)構(gòu)。 鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并加入少量的LiOH。 隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。2、鎳氫電池 (3)結(jié)構(gòu)特點：鎳氫電池放電時，正極上NiOOH得到電子還原成為Ni(OH)2；負(fù)極金屬氫化物 (MHx)內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到表面形成吸附態(tài)氫原子，接著再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水和儲氫合金。在鎳氫電池出現(xiàn)過放電時，正極活性物質(zhì)中的NiOOH已經(jīng)消耗完了，這時正極上會發(fā)生水分子被還原為氫和OH-離子。負(fù)極上由于儲氫合金的催化作用，使OH-離子與氫反應(yīng)又生成水。為了防止充電過程后期電池內(nèi)壓過高，電

7、池中裝有防爆裝置。當(dāng)鎳氫電池過充電時，金屬殼內(nèi)的氣體壓力將逐漸上升。當(dāng)該壓力達(dá)到一定數(shù)值后，頂蓋上的限壓安全排氣孔打開，因此可以避免電池因氣體壓力過大而爆炸。2、鎳氫電池 (4)鎳氫電池的失效儲氫合金既承擔(dān)著儲氫的作用，又起到催化劑作用，在電池出現(xiàn)過充和過放電時，可以消除由正極產(chǎn)生的O2和H2。從而使電池具有耐過充、過放電的能力。但隨著充、放電循環(huán)的進(jìn)行，儲氫合金的催化能力逐漸退化，電池的內(nèi)壓就會上升，最終導(dǎo)致電池漏液失效。二、鎳鎘、鎳氫電池的工作特性1、鎳鎘電池的特性 鎳鎘電池標(biāo)稱電壓為1.2V，具有使用壽命長(可充放電循環(huán)1000次以上)、機(jī)械強(qiáng)度高、密封性能好、使用溫度范圍大(-40+5

8、0)維護(hù)保養(yǎng)方便、能耐受大電流(高于正常使用電流的幾倍乃至10倍)的瞬時沖擊等優(yōu)點。1、鎳鎘電池的特性(1)充放電性能鎳鎘電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢是1.299V，額定電壓是1.2V，平均工作電壓為1. 201. 25V。剮充完電的電池開路電壓較高，可以到達(dá)1.4V以上，放置一段時間，正極不穩(wěn)定的NiO2發(fā)生分解，開路電壓會降低到1.35V左右。(2)倍率持續(xù)放電特性動力鎳鎘電池允許大電流放電而不會損壞，允許放電倍率在10C以上，但是大電流放電時，電壓下降很快，電池可放出的能量下降。(3)高低溫放電性能溫度升高時，鎳鎘電池的容量會增加，但溫度超過50時，電池可能失效。低溫情況下，鎳鎘電池的容量下降。如-

9、45以O(shè).2C放電鎳鎘電池一般只能提供50%左右的額定容量；-18以3C放電一般可以放出30%以上的額定容量。(4)耐過充電和過放電性能鎳鎘電池具有很好的耐過充電和過放電能力。1C恒電流持續(xù)充電2h，或強(qiáng)迫過放電不超過2h，電池不會損壞。鉛酸及鋰離子電池在這種情況下，將產(chǎn)生永久的損壞。2、鎳鎘電池應(yīng)用存在的問題（1）記憶效應(yīng) 鎳鎘電池長期不徹底充電、放電，易在電池內(nèi)留下痕跡，降低電池容量，這種現(xiàn)象稱為電池記憶效應(yīng)。比如，鎳鎘電池長期只放出80%的電量后就開始充電，一段時間后，電池充滿電后也只能放出80%的電量。 記憶效應(yīng)的出現(xiàn)主要是由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在完全放電

10、之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊，造成Ni電極膨脹或生成不導(dǎo)電的Ni(OH)2，從而引起電池電壓下降或容量減少，使電池放電時形成次級放電平臺。鎳鎘電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。（2）環(huán)境污染 鎘是鎳鎘電池的必備原材料，但有大量研究表明，在人體內(nèi)，鎘的半衰期長達(dá)730年，可蓄積50年之久，攝入或吸人過量的鎘可引起腎、肺、肝、骨、生殖效應(yīng)及癌癥?；诃h(huán)境保護(hù)的原因，許多發(fā)達(dá)國家已建議禁止使用鎳鎘電池。3、鎳氫電池與鎳鎘電池的對比分析同鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有以下顯著優(yōu)點： 1)能量密度高，

11、同尺寸電池，容量是鎳鎘電池的1.52倍。 2)環(huán)境相容性好,無鎘污染， 3)可大電流快速充放電，充放電倍率高。 4)無明顯的記憶效應(yīng)。 5)低溫性能好，耐過充放能力強(qiáng)。 6)工作電壓與鎳鎘電池相同，為1.2V。鎳氫電池的缺點是自放電與壽命不如鎳鎘電池。 鎳氫電池是鎳鎘電池的換代產(chǎn)品，電池的物理參數(shù)，如尺寸、質(zhì)量和外觀完全可與鎳鎘電池互換，電性能也基本一致，充放電曲線相似，放電曲線非常平滑，電快要消耗完時，電壓才會突然下降，故使用時完全可替代鎳鎘電池，而不需要對設(shè)備進(jìn)行任何改造。4、鎳氫電池特性（1）充電特性 充電特性曲線如圖所示，該曲線大致可分為三段。開始時電壓上升較快，然后比較平坦，隨著充電

12、過程的進(jìn)行，當(dāng)充電容量接近電池的額定容量的75%左右時，充電電壓就再次呈現(xiàn)快速上升的趨勢。當(dāng)充電量超過電池設(shè)計容量之后就進(jìn)入過充電階段。此時正極析出的氧會在負(fù)極儲氫合金表面進(jìn)行還原、去極化，使負(fù)極電位正移，電池溫度迅速升高，加之鎳氫電池反應(yīng)溫度系數(shù)是負(fù)值，因此電池的充電電壓就會下降。鎳氫電池常用恒流充電的方式進(jìn)行充電，充電電壓越低，電池在充電過程中的極化就越小，電池的充電效率就越高，電池的使用壽命就可能越長。4、鎳氫電池特性（2）放電特性鎳氫電池工作電壓為1.2V，指的是放電電壓的平臺電壓，是鎳氫電池的重要性能指標(biāo)。如下圖所示。電池的放電特性受電流環(huán)境溫度等因素的影響，電流越大，溫度越低，電池

13、放電電壓和放電效率越低，長期大電流放電對電池的壽命也會造成一定的影響。截止電壓一般設(shè)定在0.91V，截止電壓設(shè)定得太高,電池容量不能被充分利用，反之，則容易引起電池過放。4、鎳氫電池特性（3）容量特性 電池的實際容量受到理論容量的限制，但與實際放電機(jī)制和應(yīng)用工況密切相關(guān)。在高倍率即大電流放電條件下，電極的極化增強(qiáng)，內(nèi)阻增大，放電電壓下降很快，電池的能量效率降低，電池的實際容量一般都低于額定容量。相應(yīng)地，在低倍率放電條件下，放電電壓下降緩慢電池實際放出的容量常常高于額定容量。鎳氫電池的充電電流、擱置時間、放電終止電壓和放電電流等均會對放電容量產(chǎn)生影響。 充電電流倍率增大，導(dǎo)致充電效率和放電容量降

14、低；擱置時間對鎳氫電池放電容量的影響本質(zhì)上就是鎳氫電池的自放電問題；放電電流增大，電極極化也增大，電化學(xué)極化內(nèi)阻就大，其端電壓相對較低；放電容量隨放電終止電壓的降低而增加。4、鎳氫電池特性（4）內(nèi)壓 鎳氫電池在充放電過程中，正極析出氧氣和負(fù)極析出氫氣，從而產(chǎn)生電池的內(nèi)壓。鎳氫電池的內(nèi)壓是一直存在的，通常都維持在正常水平，不會引起安全問題。但在過充或過放情況下，電池內(nèi)壓升高到一定程度，就有可能帶來安全問題。（5）自放電和儲存性能 電池的自放電主要是由電極材料、制造工藝、儲存條件等多方面因素決定的，在2下，鎳氫電池的月自放電率達(dá)到20%25%。 鎳氫電池的存放條件為：存放區(qū)應(yīng)保持清潔、涼爽、通風(fēng)；

15、溫度應(yīng)在1025之間，一般不應(yīng)超過30；相對濕度以不大于65%為宜。（6）溫度特性 鎳氫電池在中高溫環(huán)境下，電池放電容量明顯比低溫時放電容量大。（7）循環(huán)壽命鎳氫電池一般采用淺充淺放的應(yīng)用機(jī)制，即SOC在40%80%之間應(yīng)用，因此電池的使用壽命已經(jīng)可以達(dá)到5年以上,甚至達(dá)到10年以上。三、鎳鎘、鎳氫電池的實際應(yīng)用1、應(yīng)用概況最早的堿性蓄電池是瑞典W.Jungner于1899年發(fā)明的鎳鎘電池(Cd-Ni)和愛迪生1901年明的鎳鐵電池(Fe-Ni)。20世紀(jì)7080年代，鎳鎘蓄電池曾用作電動車輛的動力電池。但隨著新技術(shù)的發(fā)展以及對金屬鎘造成環(huán)境危害和對人的危害的認(rèn)識，其使用量逐年減少，以歐盟、美

16、因為主的工業(yè)國家，已經(jīng)出臺法規(guī)或相關(guān)法律禁止鎳鎘電池的生產(chǎn)和應(yīng)用。1984年荷蘭飛利浦公司成功研制出LaNi5儲氫合金用于制各鎳氫電池(MH-Ni)，它成為取代鎳鎘電池的理想產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代開始，鎳氫電池在多種電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用，并成為混合動力電池汽車的主流動力電源。目前豐田公司的PRIUS混合動力汽車和本田公司的CIVIC混合動力汽車都采用鎳氫動力電池。鎳鎘電池僅在某些領(lǐng)域，由于其特有的高功率特性和良好的低溫性能仍在應(yīng)用。如在航空領(lǐng)域用做飛機(jī)發(fā)動機(jī)起動及隨航備用電源、電力裝置開關(guān)瞬間分合閘和事故照明電源、鐵路系統(tǒng)電力機(jī)車供電電源等。2、鎳氫動力電池在電動汽車上的應(yīng)用 鎳氫電池能滿足混合動力電動汽車高功率密度的要求，該類電池目前在混合動力電動汽車尤其是在日系車型中應(yīng)用廣泛，如豐田凱美瑞混合動力車、普銳斯、雷克薩斯CT200.本田思域CIVIC等。福特公司推出的Escape混合動力汽車也采用了額定電壓在