镍氢电池制作实验报告Word文档格式.docx
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电池充电时，正极中Ni（OH）2被氧化为NiOOH，而负极则通过电解水生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。
放电时，正极中的NiOOH被还原为Ni（OH）2，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。
电极反应如下：
（“⇀”表示充电；
“↽”表示放电）
正极：
Ni（OH）2+OH-⇌NiOOH+H2O+e-
负极：
M+xH2O+xe-⇌MHx+xOH-
实际应用中镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，但在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此如何消除这些气体关系到电池的密封问题。
这可以通过优化电池设计得到解决，主要是采用正极限制电池容量和电解液加入量，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。
其中，电解液的加入量应使电池处于一定的贫液状态，主要是为了正极析出的气体能构迁移到负极表面被反应掉，以利于实现氧在电池内部的循环和负极尽量不析出氢气。
正负电极的容量之比一般控制在1:
1.3-1:
1.4之间，这样电池在充电末期和过充电时，正极析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为H2O，负极则因有较多的剩余容量而不容易析出氢气，从而保证电池具有合适的充电内压和电解液损耗率，最终保证电池的高循环寿命。
充放电过程中，镍氢电池正负电极上发生的反应：
“↽”表示放电）
Ni（OH）2+OH-⇌NiOOH+H2O+e-
过充电时:
4OH--4e-→2H20+O2
过充电时：
2H2O+O2+4e-→4OH-
电池：
xNi（OH）2+M⇌NiOOH+MHx
正极活性物质用量,根据法拉第定律,其理论用量:
Mo（g）=3600MQ/nF,其中M-摩尔质量,n——电极反应过程中得失电子数,Q——所设计电池容量A·
h数,F—法拉第常数,96500C,实际过程中要考虑利用率等因素,比计算值多10%—20%.负极活性物质用量应考虑电池充电后期产生过量气体的影响,必须过量20%—50%。
根据充放电时正负电极的反应不难看出，影响电池性能的因素是很多的，其中正负电极活性物质在反应过程中的稳定性能和反应活性，以及影响活性物质充分发挥作用的其它因素，包括制备电极时的辅助添加剂和粘结剂，组装电池时所使用的电解液、隔膜和密封材料等，都对电池的性能具有很大的影响[8-9]。
1.4实验目的
1.4.1通过制备一种方形镍氢电池，了解化学电源的工作原理和制备方法。
1.4.2通过对制备电池性能的测试，掌握表征电池性能的实验技术。
2.实验条件
2.1实验仪器与工具
点焊机（焊接泡沫镍与镍条）；
压片机（压缩极板）；
烘箱（烘干电极板）；
计算机控制充放电仪器（测试电池盒性能，绘制伏安曲线图）；
有机玻璃（电池壳材料）；
锯子（切割有机玻璃）；
砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；
环氧树脂+固化剂（粘结剂）；
钻孔器（在电池壳上打孔）
2.2实验试剂
氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量210mAh/g）；
贮氢合金粉（负极活性物质,放电比容量280mAh/g）；
隔膜（PE隔膜，作用：
隔开正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道）；
60％（PTFE+CMC）粘结剂；
Ni粉（提高极板导电性）；
4%CMC；
8mol·
L-1
KOH混合电解液（98%KOH+2%LiOH）。
3实验过程
根据电池的外壳尺寸和对性能的要求，确定正负极板和隔膜的尺寸以及活性物质的装填量，然后制备正负极板、裁制隔膜并配制电解液，再把正负极板与隔膜卷绕或折叠在一起放入电池壳中，加入适量的电解液后封口，最后把电池化成后检测性能。
具体步骤如下：
3.1正负极板和隔膜的裁剪
3.1.1根据电池比容量，裁剪正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm共7片，其中正级3片，负极4片，分别用电焊机焊接镍条，称量泡沫镍的质量，记录数据。
3.1.2再根据泡沫镍的大小，剪出比泡沫镍略大的隔膜。
3.2正负极板的制备
3.2.1正极板的制备
3.2.1.1粗测正极板所需涂料
按Ni（OH）288%与PTFE（聚四氟乙烯）7%和Ni粉5%的比例计算所需的质量。
先粗略配置2g涂料，即称取1.76gNi（OH）2固体粉末与0.14gPTFE和0.1g的Ni粉添加剂混合均匀，再加入约1.4g4%CMC调制成浆，发现，大概能均匀涂覆在2片泡沫镍上。
3.2.1．2正极板的制备
按上述步骤计得4片泡沫镍大约需要4g涂料，所以称取3gNi（OH）2固体粉末与0.2gPTFE和0.2g的Ni粉添加剂混合均匀，再加入约3.8g4%CMC调制成浆，制得的涂料刚好能均匀涂覆在4片泡沫镍上。
3.2.2负极板的制备
按贮氢合金粉93%，PTFE7%的比例计算所需的质量。
称取7.4g贮氢合金粉与和0.6gPTFE混合，再加入约2.6g4%CMC调制成浆，然后涂覆到3片泡沫镍。
3.2.3烘干
把制备好的极板做好编号，置于烧杯中，于烘箱中约85℃烘干、一周后，取出用保鲜膜包住并用压片机进行压片，称量，减去泡沫镍的质量，计算得到正负极的放电比容量。
3.3电池盒的制备
根据极板的大小，确定电池盒的规格约为5cm*5cm*1.5cm，用锯子在有机玻璃板上锯出电池盒的六个面，并用砂纸打磨平滑，将五个面用粘合剂（环氧树脂+固化剂）粘连起来唉，自然放置一天晾干，晾干后检验是否漏液，不漏即完成电池盒的制备。
余下一片请人用电钻钻孔2个。
3.4电解液的配制
称取KOH固体（含量>
=85%）约8.75g,LiOH约0.75g,加去离子水配成25g溶液，搅拌均匀，冷却至室温后待用。
3.5电池盒的组装
将7片极板按负-正-负-正-负-正-负的顺序排好，并在每两片中间加入隔膜，整理好放入电池盒中，加入电解液，并将正极和负极镍条穿过电池盖，用环氧树脂固定即可，并插入一支毛细管用于排气。
组装完成后进行充放电测试。
4实验记录与分析
4.1电池外观
观察正极板为暗绿色长方形薄片，负极为灰色长方形薄片，表面平整。
电池外观外壳为长方体透明状，规格约为5cm*5cm*1.5cm,外形美观，粘合紧密，无漏液，有排气孔，总体符合要求，但是规格偏大，具体如下图。
图1正极板图2负极板
图3电池壳外观图4电池盒测面图
4.2正负极板数据记录
表1正极板材料用量（粗测）
正极
氢氧化镍
镍粉
PTFE
总质量
CMC
用量/g
1.76
0.1
0.14
2
1.4
表2正极板材料用量
3
0.2
3.4
3.8
表3负极板材料用量
负极
贮氢材料
PTEF
7.4
0.6
8
2.6
表4正负极板比容量
电极编号
涂前质量/g
烘干后质量/g
活性材料总质量/g
电池容量mA.h
正负极容量比
正极1
0.9636
4.6053
3.6417
764.757
2.438
正极2
正极3
负极1
1.2895
7.9489
6.6594
1864.632
负极2
负极3
负极4
故电池的容量为：
764.757mA.h
4.2电池充放电曲线
图5电池循环充放电曲线图
图6电池充（放）电容量随充放电次数关系曲线图
4.3数据分析
由图5可看到电池在循环充放电过程中，充放电曲线比较有规律，电压保持在一定水平，在5000多min时依然保持电压值较恒定，说明电池性能比较稳定，充放电电压稳定。
结合图6，在21次循环充放电过程中刚开始充放电电流逐渐增大，然后保持在180mA左右，随着次数的增加，电流有逐渐下降的趋势。
由欧姆定理可以估算电池的电阻值约为10欧姆左右，电阻比较大。
由极板制作算出理论电池容量为764.8mA.h，而实际性能测试时只有180mA.h左右，相差很远，说明电池性能不够优越,分析原因可能有：
4.3.1在设计电池盒的时候盒子规格过大，特别是电池盖的两个钻孔间距离比较大，所以极板需要错开排放，这样导致了极板间接触面比较小，气体通道也比较小，导致气体交换速率低，可能会造成容量过低。
4.3.2组装电池时可能由于电极接触不良使得容量过低。
4.3.3制备正负极板时由于浆料比较粘稠，可能会导致其中某些极板活性物质很多，其他极板活性物质则相对较少，这样不均匀的分布极有可能导致正负极板反应程度相差过大，导致电池容量降低。
4.3.4镍氢电池要求电解液应为贫液状态，而实际操作时则是富液状态，这会影响电池的容量。
4.4实验讨论
4.4.1极板制备过程中，由于损耗预算得较小，而实际制作过程中损耗较大，所以实际电池理论容量为764.8mA,低于原本设计的800mA.h，在实验过程中可以根据具体情况，适当调整损耗比例。
4.4.2在制备正极的时候只需要涂三片泡沫镍，而负极则需要涂四片，所以在加粘接剂的时候，正极可以适当加少一点，负极加多一点，这样负极材料就比较稀薄，比较容易均匀涂抹在四片泡沫镍上，避免出现活性物质不足，只够涂部分极板的情况。
4.4.3烘干极板使用的温度应低于100℃，避免破坏活性物质。
4.4.4极板在组装前，需要进行压片，压片时候要注意压片机的松紧程度，如果太紧就会造成断裂，故调整好松紧非常关键，使用保鲜膜包住压片可以避免压片机上的铁锈沾到极板上，影响电池性能。
4.4.5用隔膜隔开极板时，实验过程中发现，如果把隔膜剪开一片片夹在极板中心极易使极板在移动或加液过程中接触短路，所以用隔膜直接把极板底部包住，更加简易安全。
4.4.6电池盒制备时必须严格按照极板的大小和厚来裁切有机玻璃，否则电池盒规格不合适会造成不必要的麻烦。
所以只需要比极板略大即可，
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