閱讀材料：鎳鎘和鎳氫電池簡介

1、PAGE11鎳鎘和鎳氫電池簡介鎳鎘/鎳氫電池的發(fā)展1899年，WaldmarJungner在開口型鎳鎘電池中，首先使用了鎳極板，幾乎與此同時，ThomasEdison發(fā)明了用于電動車的鎳鐵電池。遺憾的是，由于當時這些堿性蓄電池的極板材料比其它蓄電池的村料貴得多，因此實際應(yīng)用受到了極大的限制。后來，Jungner的鎳鎘電池經(jīng)過幾次重要改進，性能明顯改善。其中最重要的改進是在1932年，科學(xué)家在鎳電池中開始使用了活性物質(zhì)。他們將活性物質(zhì)放入多孔的鎳極板中，然后再將鎳極板裝入金屬殼內(nèi)。鎳鎘電池發(fā)展史上另一個重要的里程碑是1947年密封型鎳鎘電池研制成功。在這種電池中，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各種氣體不用排出，

2、可以在電池內(nèi)部化合。密封鎳鎘電池的研制成功，使鎳鎘電池的應(yīng)用范圍大大增加。密封鎳鎘電池效率高、循環(huán)壽命長、能量密度大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，并且不需要維護，因此在工業(yè)和消費產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們對電源的要求越來越高。70年代中期，美國研制成功了功率大、重量輕、壽命長、成本低的鎳氫電池，并且于1978年成功地將這種電池應(yīng)用在導(dǎo)航衛(wèi)星上，鎳氫電池與同體積鎳鎘電池相比，容量可提高一倍，而且沒有重金屬鎘帶來的污染問題。它的工作電壓與鎳鎘電池完全相同，工作壽命也大體相當，但它具有良好的過充電和過放電性能。近年來，鎳氫電池受到世界各國的重視，各種新技術(shù)層出不窮。鎳氫電池剛問世時

3、，要使用高壓容器儲存氫氣，后來人們采用金屬氫化物來儲存氫氣，從而制成了低壓甚至常壓鎳氫電池。1992年，日本三洋公司每月可生產(chǎn)200萬只鎳氫電池。目前國內(nèi)已有20多個單位研制生產(chǎn)鎳氫電池，國產(chǎn)鎳氫電池的綜合性能已經(jīng)達到國際先進水平。氫鎳電池的結(jié)構(gòu)蓄電池參數(shù)蓄電池的五個主要參數(shù)為：電池的容量、標稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量通常用Ah安時表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1小時。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個參數(shù)是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用

4、充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是4C。電池剛出廠時，正負極之間的電勢差稱為電池的標稱電壓。標稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當環(huán)境溫度、使用時間和工作狀態(tài)變化時，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩余電量也有一定關(guān)系。單元鎳鎘電池的標稱電壓約為（但一般認為是），單元鎳氫電池的標稱電壓為。電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。蓄電池充足電時，極板

5、上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為，鎳氫電池的充電終止電壓為。表1-1鎳鎘電池不同放電率時的放電終止電壓放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后蓄電池繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復(fù)，從而影響電池的壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。鎳鎘電池的放電終止電壓和放電速率的關(guān)系如表1-1所列，鎳氫電池的放電終止電壓一般規(guī)定為1V。鎳鎘蓄電池的工作原理鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，

6、電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。當環(huán)境溫度較高時，使用密度為（15時）的氫氧化鈉溶液。當環(huán)境溫度較低時，使用密度為（15時）的氫氧化鉀溶液。在-15以下時，使用密度為（15時）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能和荷電保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為（15時）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加1520g）。鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嘚iOOH，負極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘?，負極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。1放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)（1）負極反應(yīng)負極上的鎘失去兩個

7、電子后變成二價鎘離子Cd2，然后立即與溶液中的兩個氫氧根離子OH-結(jié)合生成氫氧化鎘CdOH2，沉積到負極板上。（2）正極反應(yīng)正極板上的活性物質(zhì)是氫氧化鎳（NiOOH）晶體。鎳為正三價離子（Ni3），晶格中每兩個鎳離子可從外電路獲得負極轉(zhuǎn)移出的兩個電子，生成兩個二價離子2Ni2。與此同時，溶液中每兩個水分子電離出的兩個氫離子進入正極板，與晶格上的兩個氧負離子結(jié)合，生成兩個氫氧根離子，然后與晶格上原有的兩個氫氧根離子一起，與兩個二價鎳離子生成兩個氫氧化亞鎳晶體。將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池放電時的總反應(yīng)：2充電過程中的化學(xué)反應(yīng)充電時，將蓄電池的正、負極分別與充電機的正極和負極相連，電池內(nèi)部發(fā)生與

8、放電時完全相反的電化學(xué)反應(yīng)，即負極發(fā)生還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。（1）負極反應(yīng)充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極反應(yīng)：2正極反應(yīng)在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個二價鎳離子各失去一個電子生成三價鎳離子，同時，晶格中兩個氫氧根離子各釋放出一個氫離子，將氧負離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。然后，兩個三價鎳離子與兩個氧負離子和剩下的二個氫氧根離子結(jié)合，生成兩個氫氧化鎳晶體：將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池充電時的電化學(xué)反應(yīng)：蓄電池充電終了時，充電電流將

9、使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出，其電化學(xué)反應(yīng)如下：從上述電極反應(yīng)可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用。從電池反應(yīng)來看，充電過程中生成水分子，放電過程中消耗水分子，因此充、放電過程中電解液濃度變化很小，不能用密度計檢測充放電程度。3端電壓充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動勢可達左右，但很快就下降到。鎳鎘蓄電池的端電壓隨充放電過程而變化，可用下式表示：U充=E充I充R內(nèi)U放=E放-I放R內(nèi)從上式可以看出，充電時，電池的端電壓比放電時高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。當鎳鎘蓄電池以標準放電電流放電時，平均工

10、作電壓為。采用8h率放電時，蓄電池的端電壓下降到后，電池即放完電。4容量和影響容量的主要因素蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時，電池放出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量Q用放電電流與放電時間的乘積來表示，表示式如下：Q=ItAh鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)：活性物質(zhì)的數(shù)量；放電率；電解液。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。使用不同成分的電解液，對蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實驗證明：每升電解液中加入1520g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可

11、提高4%5%，在40時，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會使殘留在正極板上的鋰離子（Li）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。電解液的溫度對蓄電池的容量影響較大。這是因為隨著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時容易結(jié)晶，堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負極板作用，生成碳酸鎘附著在負極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降。5內(nèi)阻鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導(dǎo)電率、極板結(jié)構(gòu)及其面

12、積有關(guān)，而電解液的導(dǎo)電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18時氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。通常鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻可用下式計算：6效率與壽命在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率Ah為67%-75%，電能效率Wh為55%65%，循環(huán)壽命約為2000次。容量效率Ah和電能效率Wh計算公式如下：（U充和U放應(yīng)取平均電壓）7記憶效應(yīng)鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)。電

13、池全部放完電后，極板上的結(jié)晶體很小。電池部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完全變?yōu)闅溲趸?，剩余的氫氧化亞鎳將結(jié)合在一起，形成較大的結(jié)晶體。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。鎳氫電池的工作原理鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應(yīng)。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時）和NiOH2充電時，負極板的活性物質(zhì)為H2（放電時）和H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時的電化學(xué)反應(yīng)如下：從方程式看出：充電時，負極析出氫氣，貯存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（NiOOH）和H2O；放電時氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。過量充電時的電化學(xué)反應(yīng)：從方程式看出，蓄電池過量充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能