镍镉电池原理及充电方法.docx

1、镍镉电池原理及充电方法镍镉/ 镍氢电池的原理及充电方法作者：镍镉/ 镍氢电池的发展1899 年， WaldmarJungner 在开口型镍镉电池中，首先使用了镍极板，几乎与此 同时， ThomasEdison 发明了用于电动车的镍铁电池。遗憾的是，由于当时这些 碱性蓄电池的极板材料比其它蓄电池的村料贵得多， 因此实际应用受到了极大的 限制。后来， Jungner 的镍镉电池经过几次重要改进，性能明显改善。其中最重要的改 进是在 1932 年，科学家在镍电池中开始使用了活性物质。他们将活性物质放入 多孔的镍极板中， 然后再将镍极板装入金属壳内。 镍镉电池发展史上另一个重要 的里程碑是 1947

2、年密封型镍镉电池研制成功。在这种电池中，化学反应产生的 各种气体不用排出， 可以在电池内部化合。 密封镍镉电池的研制成功， 使镍镉电 池的应用范围大大增加。密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、重量轻、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛应用。随着空间技术的发展，人们对电源的要求越来越高。 70 年代中期，美国研制成 功了功率大、重量轻、寿命长、成本低的镍氢电池，并且于 1978 年成功地将这 种电池应用在导航卫星上，镍氢电池与同体积镍镉电池相比，容量可提高一倍， 而且没有重金属镉带来的污染问题。 它的工作电压与镍镉电池完全相同， 工作寿 命也大体相当， 但

3、它具有良好的过充电和过放电性能。 近年来， 镍氢电池受到世 界各国的重视， 各种新技术层出不穷。 镍氢电池刚问世时， 要使用高压容器储存 氢气，后来人们采用金属氢化物来储存氢气， 从而制成了低压甚至常压镍氢电池。 1992年，日本三洋公司每月可生产 200万只镍氢电池。目前国内已有 20 多个单 位研制生产镍氢电池，国产镍氢电池的综合性能已经达到国际先进水平。蓄电池参数 蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电 终止电压。电池的容量通常用 Ah（安时）表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1 小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量， 而活性物质的含

4、量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电 池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。 蓄电池的充电电流通常用充电速率 C表示，C为蓄电池的额定容量。例如，用2A电流对1Ah电池充电，充电速率就 是2C;同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是 4C。电池刚出厂时， 正负极之间的电势差称为电池的标称电压。 标称电压由极板材料 的电极电位和内部电解液的浓度决定。 当环境温度、使用时间和工作状态变化时， 单元电池的输出电压略有变化， 此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。单元镍镉电池的标称电压约为 1.3V （但一般认为是1.25V），单元镍氢

5、电池的标称电压为1.25V o电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。 在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态， 再继续充电，蓄电池的电 压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为 1.751.8V，镍氢电池的充电终止电压为 1.5Vo 表1-1镍镉电池不同放电率时的放电终止电压責1T裸桶电池乔同服电率吋前放电终 止电压歆电率歆电终止电压Cv33-率1.105力1. 0031*-率0. 8-卓0. 5放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。 如果电压低于放电终

6、止电压后 蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成 的生成物在正常充电时就不易再恢复， 从而影响电池的寿命。放电终止电压和放 电率有关。镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系如表 1-1所列，镍氢电池 的放电终止电压一般规定为1Vo 镍镉蓄电池的工作原理 镍镉蓄电池的正极材料为 氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉 和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当环境温度较高时，使用 密度为1.171.19 （15C时）的氢氧化钠溶液。当环境温度较低时，使用密度 为1.191.21（ 15C时）的氢氧化钾溶液。在-15C以下时，使用密度为1.251.

7、27（15C时）的氢氧化钾溶液。为兼顾低温性能和荷电保持能力， 密封镍镉蓄电池采用密度为1.40 （15C时）的氢氧化钾溶液。为了增加蓄电池的容量和循环寿 命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（大约每升电解液加 1520g）。镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍 NiOOH，负极板上的 活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍， 负极板上的活性物质变为氢氧化镉。1.放电过程中的电化学反应(1)负极反应负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子 Cd2+然后立即与溶液中的两个氢氧根离子0H纟吉合生成氢氧化镉Cd(0H)2沉积到负极板上。2e-Cd2+Cd+-

8、2e-h2OH_Cd(OH)3(2)正极反应 正极板上的活性物质是氢氧化镍(NiOOH晶体。镍为正三价离子(Ni3+)，晶 格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子 2Ni2+。与此同时，溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶 格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧 根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体。2NiQOH 二 2N严+2OET+2O旷+ N2N 甘迢3。-* 2H2OIT+ ) 2N产 +20+2申 +20ITf2NQOH+2 氐 0+2 耳2血(0氐+201?将以上两式相加，即得镍镉蓄电池放电

9、时的总反应：2.充电过程中的化学反应充电时，将蓄电池的正、负极分别与充电机的正极和负极相连， 电池内部发生与 放电时完全相反的电化学反应，即负极发生还原反应，正极发生氧化反应。(1)负极反应 充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电 路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应： (2)正极反应在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个 电子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子， 将氧 负离子留在晶格上，释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合， 生成水分子。然 后，两个三价镍离子与两个氧负离

10、子和剩下的二个氢氧根离子结合， 生成两个氢 氧化镍晶体：2N?+ 2t产2OK_2O3_+2H+2Ni3*+202_+20H_-2NiOOH+) 2直+2OITf2Ni(OH)2 2e+2OH2Nl00H+2H2O将以上两式相加，即得镍镉蓄电池充电时的电化学反应:充电2Ni(OHJ2+Cd(OH)2律 ZHiOOH+Cd+2H2O蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应， 在正、负极板上将 分别有大量氧气和氢气析出，其电化学反应如下：员极2狂0十汁20左半）正极 込0-2L y O3+IO总反应 Hj + -Ozf从上述电极反应可以看出，氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参与反应， 只起导

11、电作 用。从电池反应来看，充电过程中生成水分子，放电过程中消耗水分子，因此充、 放电过程中电解液浓度变化很小，不能用密度计检测充放电程度。3.端电压充足电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达 1.5V左右，但很快就下降到 1.31-1.36V。镍镉蓄电池的端电压随充放电过程而变化，可用下式表示：U充=E充+1充R内U放=E放-I放R内从上式可以看出，充电时，电池的端电压比放电时高，而且充电电流越大，端电 压越高；放电电流越大，端电压越低。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时， 平均工作电压为1.2V。采用8h率放电时, 蓄电池的端电压下降到1.1V后，电池即放完电。4. 容量和影响容量的主

12、要因素 蓄电池充足电后， 在一定放电条件下， 放至规定的终止电压时， 电池放出的总容 量称为电池的额定容量，容量Q用放电电流与放电时间的乘积来表示， 表示式如 下：Q=I t(Ah)镍镉蓄电池容量与下列因素有关：1 活性物质的数量；2 放电率；3 电解液。放电电流直接影响放电终止电压。 在规定的放电终止电压下， 放电电流越大， 蓄 电池的容量越小。使用不同成分的电解液， 对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。 通常，在高温环 境下，为了提高电池容量，常在电解液中添加少量氢氧化锂，组成混合溶液。实 验证明：每升电解液中加入1520g含水氢氧化锂，在常温下，容量可提高4%5% 在40C时，容量可提高2

13、0%然而，电解液中锂离子的含量过多，不仅使电解液 的电阻增大，还会使残留在正极板上的锂离子( Li+ )慢慢渗入晶格内部，对正 极的化学变化产生有害影响。电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。 这是因为随着电解液温度升高， 极板活 性物质的化学反应也逐步改善。电解液中的有害杂质越多， 蓄电池的容量越小。 主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸 盐。它们能使电解液的电阻增大，并且低温时容易结晶，堵塞极板微孔，使蓄电 池容量显著下降。 此外，碳酸根离子还能与负极板作用， 生成碳酸镉附着在负极 板表面上，从而引起导电不良，使蓄电池内阻增大，容量下降。5. 内阻 镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、 极板结构及其面

14、积有关， 而电解液的导电 率又与密度和温度有关。 电池的内阻主要由电解液的电阻决定。 氢氧化钾和氢氧 化钠溶液的电阻系数随密度而变。18C时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系 数最小。通常镍镉蓄电池的内阻可用下式计算： 6. 效率与寿命在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率 n Ah为67%-75%电能效率n Wh为55%65%循环寿命约为2000次。容量效率n Ah和电能效率n Wh计算公式如下：弘了 x 100%1 以U匪 J腹* 除R他= 敦 100#U无T小（U充和U放应取平均电压） 7.记忆效应 镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电， 下次再放电时，就不 能放出全部电量

15、。比如，镍镉电池只放出 80%勺电量后就开始充电，充足电后， 该电池也只能放出80%勺电量，这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完 全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶体 变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。镍氢电池的工作原理镍氢电池和同体积的镍镉电池相比， 容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并 且无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为 NiOOH放电时）和Ni（OH）2（充电时）， 负极板的活性物质为H2 （放电时）和H2O（充电时），电解液采用30%勺氢氧化 钾溶液，充放电时的电化学反应如下：从方程式看出：充电时，负极析出氢气，贮存在容器中，正极由氢氧化亚镍变成 氢氧化镍（NiOOH和H2O放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由氢氧化镍变 成氢氧化亚镍。过量充电时的电化学反应：正极 20H 庄 6+锂0负极 K+20H-总反应汕0-4+ y Og再化合FU y 0EE0从方程式看出，蓄电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有 催化剂的氢电极面积大，而且氢气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧 气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水， 使容器内的气体压力保持