镍-氢(Ni-MH)电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成,负极活性物质主要由储氢合金制成,也是一种碱性蓄电池。 镍-氢电池具有高比能量、高功率,适于大电流放电,可循环充放电,无污染,被誉为“绿色电源”。镍-氢电池的比功率是铅酸蓄电池的2倍,可提高车辆的启动性能和加速性能。其有高倍率的放电特性,短时间可以3C(C是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-氢电池的过充电与过放电性能好,能够带电充电,并可快速充电,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。其在80%的放电深度下,循环寿命可达1000次以上,采用全封闭外壳,可在真空环境中正常工作,低温性能良好,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-氢电池可随充随放,不会发生镍-镉电池在没有放完电后即充电而产生的记忆效应。
(1)镍-氢电池的工作原理镍-氢电池的正极,是球状氢氧化镍粉末和添加剂钴等金属、塑料和胶黏剂等制成的涂膏,用自动涂膏机涂在正极板上,再经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni(OH)2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素,对稳定电极的性能有显著的改善作用。采用高分子材料作为胶黏剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极,并使用镍粉、石墨等作为导电剂,可提高大电流时的放电性能。
镍氢电池负极的关键技术为储氢合金,要求储氢合金可以稳定地经受反复的储气和放气的循环。对于理想的金属储氢材料应具有以下条件:在不太高的温度下,储氢量大,释放价格便宜,易于制备;经多次吸、放氢,其性能不会衰减;有较平坦及较宽的平衡压力平台区,即大部分氢都可在一持续压力范围内放出;易活化,反应动力学性能好。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,使用钛、钒、锆、镍、铬五种基本元素,与钴、锰等金属元素烧结的合金,通过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类及性能对镍-氢电池的性能有直接影响。负极在充电或放电过程中既不溶解,也不再结晶,电极不会出现结构性的变化,在保持自身化学功能的同时,还确保本身的机械坚固性,储氢合金通常需要进行热处理和表面处理,以增加储氢合金的防腐性能,这有助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与氢氧化锂的混合物,在电池充电过程中,水在电解质溶液中分解为氢离子与氢氧根离子,氢离子被负极吸收,负极由金属转化成金属氢化物,在放电过程中,氢离子离开了负极,氢氧根离子离开了正极,氢离子与氢氧根离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍氢电池的化学反应如下。
图2-26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Ni(OH)2,负极是储氢合金,电解质为氢氧化钾,在正、负极之间存在隔膜,共同组成镍-氢单体电池,在金属铂的催化作用下,完成充电与放电的可逆反应。镍-氢电池的特性和镍-镉电池基本相同,但氢气是无毒性的物质,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与烧结体两种,发泡体极板的镍-氢电池放电电压不得低于0.9V,工作电压也不太稳定,尤其是存放一段时间后,老化现象比较严重,会有近20%的电荷流失,电池在出厂前必须进行预充电,以免发泡体极板的镍-氢电池老化所造成的内阻增高,经过改良的镍-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,也无需进行预充电,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2-27所示为圆形镍-氢电池的构造。镍氢电池的基本单元为单体电池,每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板与负极板之间的隔膜组成。每节电池的额定电压为13.2V(充电时最大电压16V),然后将电池按照使用要求组合成不同电压和不同容量的镍-氢电池总成。这种镍-氢电池比能量达70W·h/kg,能量密度达165Wh/L,比功率在50%的放电深度下为220W/kg,在80%的放电深度下为20W/kg,能够大幅提高混合动力汽车的动力性能。镍-氢电池的外形一般有方形和圆形两种。
(3)镍-氢电池的充、放电特性D型镍-氢电池(6个单体电池组件)放电时,3C的功率输出时的质量比功率可达500W/kg以上,2C的功率输出时的质量比功率可达600W/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非常有利,电池的寿命可达100000km以上。
D型镍-氢电池的充电接受性很好,充电效率几乎达到100%,可以有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。此外,因为能量损耗较小,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。
混合动力汽车动力电池组常常处于充电和放电状态,而且充电和放电是不规则进行的,这对电池的寿命而言是一个严峻的考验。松下电池公司用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改变,镍-氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。
(4)镍-氢电池的特点镍氢电池单体电池的电压是1.2V,能量密度达200W·h/L，3h比能量为75~80W·h/kg,比功率为160~230W/kg,功率密度为400~600W/kg,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,而且启动加速性能良好,在环境温度为-28~80℃的条件下都可正常工作,但在高温条件下使用时电荷量急剧降低,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如镍-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),尤其是在高速率、深放电情况下,各个单体电池之间的容量和电压差较显著,应注意对电池组在充、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,不同的储氢合金具有不同的储氢能力,价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金,已经达到世界水平,为我国镍-氢电池的推广提供了有利条件。
镍-氢电池用于电动汽车上的主要优点为启动加速性能好次充电后的续驶里程较长,而且过充过放没有记忆效应,不会对周围环境造成污染,易于维护,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,并加快正极板的氧化,使电池的寿命缩短,镍-氢电池在充电后期,会生成大量的氧气,在高温的条件下,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,会发生降解及氧化,尼龙无纺布隔膜发生降解时,产生铵离子与硝酸根离子,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,电池温度快速升高,会使充电效率降低,并产生大量氧气,若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,例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LiOH和NaOH,应用抗氧化能力强的聚丙烯做隔膜等,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,增大散热间隙,采取有效的散热措施和建立自动热管理系统,可以确保镍氢电池正常工作并延长使用寿命。
