第5章镍氢电池设计与制造工艺

第五章镍氢电池设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺彭文杰冶金与环境学院中南大学2013年目录5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点5.2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺5.3镍氢电池设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺发明人StanfordOvshinsky可能并不是家喻户晓的名字，但确是改变历史的人，他发明的镍金属氢化物电池已经改变了我们的生活。在他50年的工作生涯中，共为美国提供了400多项技术专利，涵盖镍StanfordOvshinsky氢电池，氢燃料电池，和薄膜太阳能电池等各方面。1960年，斯坦福和他的妻子艾丽斯成立了能量转化设备公司（ECD），专门致力于开发能源相关的东西，而所有的产品都被关于Ovonics的标签。当然，在斯坦福所有的发明中，最优秀的莫过于镍氢反应电池。这是一款可用于为混合型汽车充电的便携电池，同时它也非常地环保。通用EV1汽车就采用了这种电池。《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺StanfordOvshinsky镍氢电池氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池镍氢电池的设计源於镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的进展。其主要的改变，在以储氢合金取代负极原来使用之镉，因此镍氢电池说是材料革新的典型代表。1982年美国OVONIC公司请求储氢合金用於电极制造之专利,使得此一材料受到重视,继之为1985年荷兰飞利浦公司突破了储氢合金在充放电过程中容量衰减的问题，终使镍氢电池脱颖而出。目前在日本有8家以上镍氢电池制造厂，德国，美国，香港，台湾亦有镍氢电池生产,市场反应良好。而且镍氢电池所造成之污染，会比含有镉之镍镉电池小很多，因此，目前镍镉电池已逐渐被镍氢电池取代。《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池应用《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具、动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。电动工具矿灯镍氢电池应用《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺应急灯网标灯民用电信产品镍氢电池应用《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺动力电池镍氢电池型号尺寸《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺通常有A、AA、AAA、AAAA、AAAAA、SC、D、F等，民用电池5号为AA电池，7号为AAA电池，1号为D电池，2号为C电池。AA大，AAA小D型电池SC电池镍氢各型号电池尺寸(圆柱型)与容量系列光身直径标准高度(mm)尖头高度(mm)容量范围(mAh)AAAA8.240.0300以下AAA10.043.044.5-0.5700以下10.143.01000以下AA13.949.050.5-0.51500以下14.150.02500以下A16.550.02500以下SC22.043.03500以下C25.249.050.0-0.54500以下D32.260.061.5-0.59000以下F32.290.013000以下电池高度可以根据客户的要求进行设计，直径一般不能更改。《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺工作原理电解质主要为KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）充电时正极反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极反应：M+H2O+e-→MH+OH-总反应：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放电时正极：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-→M+H2O+e-总反应：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺工作原理)()6()(NiOOHMKOHMHx氢氧化镍电极（正极）：吸氢电极（负极）：电池池总反应：OHOHNieOHNiOOH22)(OHMeOHMH22)(OHNiMNiOOHMH5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺工作原理（过放电）氢氧化镍电极（正极）吸氢电极（负极）OHHeOH22222OHeOHH22222过放电时，电池总反应的净结果为零，由于在正极上产生的氢气会在负极上新化合，同样也保持了电池体系的稳定。5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺工作原理（过充电）氢氧化镍电极（正极）吸氢电极（负极）2224OOHeOHOHeOOH4422氢氧化镍电极全充电态时产生的氧气，经过扩散在负极上重新化合为水。既保持了电池内压的恒定，同时又使电液浓度不致发生巨大变化。5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺工作原理5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺结构由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺结构正极:活性物质（Ni（OH）2)、导电剂、溶剂、粘结剂、基体。负极：活性物质（储氢合金粉)、粘合剂、溶剂、导电剂、基体隔膜：PP+PE电解液：KOH+LiOH外壳：钢壳、盖帽、极耳5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺优点:1.能量密度高，是镍镉电他的1.5倍；2.电池电压为1．2v—1．3v，与镍镉电池相当；3.无记忆效应，循环寿命长；4.可大电流放电，承受过充电、过放电能力强；5.无污染，绿色环保电池。缺点:1.价格高于镍镉电池，负极材料为稀土合金材料；2.自放电速度大。5.1镍氢电池的工作原理、结构与特点《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺①电压=1.2V②能量∕重量=60-120Wh/kg（瓦特小时/千克）③能量∕体积=140-300Wh/L（瓦特小时/升）即504-1188kJ/kg（千焦耳/千克）④功率∕重量=250-1000W/kg⑤自放电率=一般为每月2-30%，见温度而定，低自放电型号为每年10-30%⑥充放电效率=66%⑦充放电循环次数=500-1800次特性5.2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物。用在镍氢电池的制造上，它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类，A是稀土元素的混合物（或者）再加上钛（Ti）；B则是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn），（或者）还有铝（Al）。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成，这里的A则是钛（Ti）或者钒（V），B则是锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和（或）锰（Mn）。所有这些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金属氢化物。电池充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气（H2），以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。正极正极基体：发泡镍（约1.6--1.7mm厚)，或冲孔镀镍钢带（0.06--0.08mm厚）正极物质：球镍+亚钴+PTFE正极集流体：镍带（约0.1mm厚）焊点：（约4～8个)《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺5.2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺从狭义上讲，储氢材料是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质；但是它与一般金属氢化物有明显的差异。即储氢材料必须具备高度的反应可逆性，而且，此可逆循环的次数必须足够多，循环次数超过5000次。实际上，它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料。目前，用于镍氢电池负极储氢材料的主要是金属(或合金)储氢材料，氢几乎可以同周期表中的各种元素反应，生成各种氢化物或氢化合物。但并不是所有金属氢化物都能做储氢材料，只有那些能在温和条件下大量可逆的吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料用。储氢合金材料在镍氢电池中有着重要地位，因此研究储氢材料对提高镍氢电池性能有着举足轻重的作用。5.2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺对于理想的金属储氢材料应具备以下条件：（1)合金贮氢容量高，不小于1wt%；（2）吸放氢电催化活性好,（3）在氢的阳极氧化电位范围内应具有较强的抗氧化能力;（4）在强碱性电解质溶液中，化学性质相对稳定;（5）反复充放电过程中，合金不易粉化;（6）充放电效率高;（7）循环使用寿命长；（8）具有良好的电和热的传导性;（9)原材料成本低廉。5.2镍氢电池关键电极材料设计与制造工艺《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺合金类型典型氢化物吸氢质量/%电化学容量mAh/gAB5LaNi5H61.3348330AB2ZrMn2H31.8482420ABTiFeH22.0536350A2BMg2NiH43.6965500固溶体V0.8Ti0.2H0.83.81018500典型Ni/MH负极材料及特征负极负极基体：铜网、钢网（约0.22~0.32mm厚)钢带（约0.04~0.08mm厚)负极物质：MH+HPMC+SBR《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺隔膜材质：维尼纶或者PP（聚丙烯）或者尼龙厚度：一般为0.10～0.18mm《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺电解液性质：无色透明液体，具有较强腐蚀性。应用：主要用于可充电镍氢电池的电解液。规格：溶质组成KOH:LiOH:NaOH=40:1:3（重量比）溶剂组成：水OH-浓度7mol/l质量指标：密度（25℃）g/cm31.3±0.03电导率（25℃）10.4±0.5ms／cm《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池生产所用设备搅拌机拉浆机（上粉机）裁切机辊压机卷绕机点焊机注液机化成检测柜《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池主要材料-正极球形氢氧化亚镍NiO(H)2绿色球形粉末粒径7~15μm半导体，电子不导电，需要氧化亚钴导电;覆钴球镍黑色粉末，包覆氧化亚钴导电，充电后形成黑色NiOOH氧化亚钴CoO灰褐色粉末易氧化，真空包装粒径≤0.45μm充电时能形成导电网络，正常充电形成CoOOH导电网络，过放后容易被破坏发泡镍99%Ni,金属灰色多孔状，孔率≥95%，用于导电和支撑球镍的骨架《化学电源设计与制造工艺学》-第五章镍氢电池设计与制造工艺镍氢电池主要材料-负极贮氢合金MH金属灰色粉末粒径30~40μm导体，电子导电；主要成分为稀土，Ni,Co,Mn,Al炭黑