镍-氢电池也是一种碱性电池,镍氢电池的标称电压为1.2V,比能量可达到70~80W·h/kg,有利于延长混合动力汽车的行驶里程。比功率可达到200W/kg,是铅酸蓄电池的2倍,能够提高车辆的启动性能和加速性能。有高倍率的放电特性,短时间可以3C(C为按额定电流放电时的实际放电容量)放电,瞬时脉冲放电率很大。镍氢电池的过充电和过放电性能好,能够带电充电,并可以快速充电,在15min内可充60%的容量,1h内可完全充满,应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下,循环寿命可达到1000次以上,是铅酸蓄电池的3倍。采用全封闭外壳,可以在真空环境中正常工作。低温性能较好,能够长时间存放。镍氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素,不会对环境造成污染,镍氢电池可以随充随放,不会出现镍镉电池在没有放完电后即充电而
产生的记忆效应。
(1)镍-氢(Ni-MH)电池的工作原理镍-氢电池的正极,是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属塑料和胶黏剂等制成的涂膏,用自动涂膏机涂在正极板上,然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料中添加钙、钴锌或稀土元素,对稳定电极的性能有明显的作用。采用高分子材料作为胶黏剂或用挤压和轧制方法制成的泡沫镍电极,并采用镍粉石墨等作为导电剂,可以提高大电流时的放电性能。
镍-氢电池负极的关键技术是储氢合金,要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块,用钛、钒、锆、镍、铬五种基本元素,与钴、锰等元素烧结的合金,经过加氢、粉碎成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能,对镍氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解,也不再结晶,电极不会有结构性的变化,在保持自身化学功能的同时还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理,以增加其防腐性能,这有利于提高镍氢电池的比能量比功率和使用寿命。
电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在电池充电过程中,水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧根离子,氢离子被负极吸收,负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中,氢离子离开了负极,氢氧根离子离开了正极,氢离子和氢氧根离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。
图2-45所示为镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型(2)镍-氢电池的构造镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍,负极是储氢合金,用氢氧化钾作为电解质,在正、负极之间有隔膜,共同组成镍-氢单体电池。在金属铂的催化作用下,完成充电和放电的可逆反应。镍-
氢电池的特性与镍镉电池基本相同,但氢气是没有毒性的物质无污染,安全可靠,使用寿命长,而且不需要补充水分镍-氢电池的极板有发泡体和烧结体两种,发泡体极板的镍氢电池放电电压不能低于0.9V,工作电压也不太稳定,特别是在存放一段时间后,会有近20%的电荷流失,老化现象比较严重。为避免发泡体极板的镍氢电池老化所造成的内阻增高,电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的镍-氢电池的烧结体极板本身就是活性物质,不需要进行活性处理,也不需要进行预充电,电压平衡、稳定,具有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。
图2-46所示为美国通用-奥旺尼克( GM-Ovonic)公司生产的圆形镍氢电池的构造。镍氢电池的基本单元是单体电池,每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成,额定电压为13.2V(充电时最大电压为16.0V),然后将单体电池按使用要求组合成不同电压和不同容量的镍氢电池总成。
镍氢电池比能量达到70W●h/
kg,能量密度达到165W·h/L,比功率在50%的放电深度下为220W/kg,在80%的放电深度下为200W/kg,可以大幅提高混合动力汽车的动力性能。通常镍-氢电池的外形有方形和圆形两种。
(3)镍-氢电池的充、放电特性①充电特性 松下电池公司生产的D型镍-氢电池的充电接受性很好,充电效率几乎达到100%,能够有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。另外,由于能量损耗较小,镍氢电池的发热量被抑制在最小范围内,可以有效地控制剩余电量,并用电流来显示电池的剩余电量。
②放电特性 D型镍-氢电池(6个单体电池组件)放电时2C的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上,3C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上,深度范围内质量比功率的变化比较平稳,对混合动力汽车动力性能的控制十分有利,电池的寿命可达到100000km以上。
日本各公司生产的镍氢电池技术性能见表2-10。
混合动力汽车动力电池组经常处于充、放电状态,而且充、放电是不规则地进行的,这对电池的寿命带来严重的影响,松下电池公司模拟混合动力汽车行驶工况对镍氢电池进行仿真试验,证实镍氢电池的特性几乎不发生变化,镍氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。
(4)镍-氢电池的特点镍-氢单体电池的电压为1.2V,3h比能量为75~80 W·h/kg,能量密度达到200W·h/L,比功率为160~230W/kg,功率密度为400~600W/L,充电18min可恢复40%~80%的容量,应急补充充电性能好,一次充电后续驶里程长,而且启动加速性能较好。
可以在环境温度为-28~80℃的条件下正常工作。循环寿命可达到6000次或7年。但在高温条件下使用时荷电量急剧下降,自放电损耗较大,价格较贵。镍-氢电池的比功率和放电能力不及镍-镉电池。镍氢电池在使用时还应充分注意各个单体电池之间的一致性(均匀性),特别是在高速率、深放电情况下,各个单体电池之间的容量和电压差较明显,应注重对电池组在充、放电过程中的导热管
理和电池安全装置的设计。
镍-氢电池的成本很高,约达600~800美元/(kW·h)。不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力,价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金,为我国生产镍-氢电池推广提供了有利条件,表2-11国内外采用镍-氢电池的电动汽车的基本情况。
镍-氢电池用于电动汽车上的主要优点是,启动加速性能好,次充电后的续驶里程较长,不会对周围环境造成污染,易维护快速补充充电时间短。
镍-氢电池在充电过程中容易发热,发热产生的高温会对镍氢电池产生负面影响。高温状态下,正极板的充电效率变差,并加速正极板的氧化,使电池的寿命缩短。镍-氢电池在充电后期,会产生大量的氧气,在高温的环境条件下,将加速负极储氢合金氧化,并使储氢合金平衡压力增加,使储氢合金的储氢量减少而降低镍氢电池的性能。尼龙无纺布隔膜在高温的作用下,会发生降解和氧化。尼龙无纺布隔膜发生降解时,产生铵离子和硝酸根离子,加速了镍-氢电池的自放电。尼龙无纺布隔膜发生氧化时,氧化成碳酸
根,使镍-氢电池的内阻增加。在镍-氢电池充电的过程中,电池温度迅速升高,会使充电效率降低,并产生大量氧气,如果安全阀不能及时开启,会有发生爆炸的危险在镍-氢电池的制造技术上进行一些改进,如正极板采用多极板技术,负极板采用端面焊接技术,在电解液中适当加入LiOH和NaOH,采用抗氧化能力强的聚丙烯毡制作隔膜等,可以有效地提高镍-氢电池耐高温能力。在镍-氢电池动力电池组的单体镍-氢电池之间,加大散热间隙,采取有效的散热措施和建立自动热管理系统,可以保证镍-氢电池正常工作并延长使用寿命。
