新能源汽車動力電池結構與檢修22鎳氫堿性動力電池的結構、原理及應用課件

1、2-2堿性動力電池的結構組成、工作原理及應用知識目標：1、了解鎳鎘、鎳氫等堿性電池的性能特點；2、掌握鎳鎘、鎳氫電池結構和儲能原理。能力目標：能闡述鎳鎘、鎳氫電池的儲能原理，說明它們的性能特點。素質目標：1、培養(yǎng)學生自主學習、查找資料、制定計劃的能力；2、培養(yǎng)學生具備從事汽車行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。學習檢測教學目標主要內容學習小結教學重點：鎳鎘、鎳氫電池的性能特點及應用教學難點：鎳鎘、鎳氫電池的儲能原理學習檢測教學目標主要內容學習小結1.堿性電池的結構和儲能原理2.鎳鎘、鎳氫電池的工作特性3.鎳氫、鎳鎘電池的實際應用學習任務學習檢測主要內容教學目標學習小結一、堿性電池的結構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用最多的是鎳氫電池。該種電池技術成熟、比功率大、無記憶效應，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為：負極充放電反應為：電池總反應為：(1)鎳電極反應機理 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電網絡和

3、集流體向外電路轉移；同時Ni(OH)2顆粒表面晶格OH中的H+通過界面雙電層進入溶液，與溶液中的OH結合生成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)鎘電極的反應機理 鎳鎘電池的負極活性物質是海綿狀金屬鎘，放電產物是難溶于KOH溶液的Cd(OH)2。鎘電極的放電反應機理是溶解一沉積機理，放電時Cd被氧化，生成Cd(OH)3進入溶液，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，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年進入實用化階段，1990年在日本開始規(guī)模生產。2、鎳氫電池（1）鎳氫電池結構 包括以鎳的儲氫合金為主要材料的負極板、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。 儲氫合金在進行吸氫放氫化學反應(可逆反應)的過

5、程中，也伴隨著放熱吸熱的熱反應(可逆反應)，同時也產生充電放電的電化學反應(可逆反應)。具有實用價值的儲氫合金應該具有儲氫量大、容易活化、吸氫放氫的化學反應速率快、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為NiOOH(放電時)和Ni(OH)2(充電時)，負極板的活性物質為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反應如下： 負極反應式： 正極反應式： 電池反應式：2、鎳氫電池 (3)結構特點： 鎳氫電池的反應與鎳鎘電池相似，只是負極充、放電過程中生成物不同。 鎳氫電池在充、放電過程中，正、負極上在進行電化學反應時不發(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構。 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)結構特點：鎳氫電池放電時，正極上NiOOH得到電子還原成為Ni(OH)2；負極金屬氫化物 (MHx)內部的氫原子擴散到表面形成吸附態(tài)氫原子，接著再發(fā)生電化學反應生成水和儲氫合金。在鎳氫電池出現(xiàn)過放電時，正極活性物質中的NiOOH已經消耗完了，這時正極上會發(fā)生水分子被還原為氫和OH-離子。負極上由于儲氫合金的催化作用，使OH-離子與氫反應又生成水。為了防止充電過程后期電池內壓過高，電

7、池中裝有防爆裝置。當鎳氫電池過充電時，金屬殼內的氣體壓力將逐漸上升。當該壓力達到一定數(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)的進行，儲氫合金的催化能力逐漸退化，電池的內壓就會上升，最終導致電池漏液失效。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)、機械強度高、密封性能好、使用溫度范圍大(-40+5

8、0)維護保養(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準電動勢是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.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，將產生永久的損壞。2、鎳鎘電池應用存在的問題（1）記憶效應 鎳鎘電池長期不徹底充電、放電，易在電池內留下痕跡，降低電池容量，這種現(xiàn)象稱為電池記憶效應。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。 記憶效應的出現(xiàn)主要是由于傳統(tǒng)工藝中負極為燒結式，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，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，鎘的半衰期長達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、生殖效應及癌癥。基于環(huán)境保護的原因，許多發(fā)達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。 5)低溫性能好，耐過充放能力強。 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品，電池的物理參數(shù)，如尺寸、質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，而不需要對設備進行任何改造。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、過程的進行，當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。當充電量超過電池設計容量之后就進入過充電階段。此時正極析出的氧會在負極儲氫合金表面進行還原、去極化，使負極電位正移，電池溫度迅速升高，加之鎳氫電池反應溫度系數(shù)是負值，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。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。截止電壓一般設定在0.91V，截止電壓設定得太高,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，但與實際放電機制和應用工況密切相關。在高倍率即大電流放電條件下，電極的極化增強，內阻增大，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生影響。 充電電流倍率增大，導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，電化學極化內阻就大，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）內壓 鎳氫電池在充放電過程中，正極析出氧氣和負極析出氫氣，從而產生電池的內壓。鎳氫電池的內壓是一直存在的，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到20%25%。 鎳氫電池的存放條件為：存放區(qū)應保持清潔、涼爽、通風；

15、溫度應在1025之間，一般不應超過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用機制，即SOC在40%80%之間應用，因此電池的使用壽命已經可以達到5年以上,甚至達到10年以上。三、鎳鎘、鎳氫電池的實際應用1、應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，已經出臺法規(guī)或相關法律禁止鎳鎘電池的生產和應用。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品。20世紀90年代開始，鎳氫電池在多種電子產品上廣泛應用，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域，由于其特有的高功率特性和良好的低溫性能仍在應用。如在航空領域用做飛機發(fā)動機起動及隨航備用電源、電力裝置開關瞬間分合閘和事故照明電源、鐵路系統(tǒng)電力機車供電電源等。2、鎳氫動力電池在電動汽車上的應用 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