镍氢电池是怎么发展现状及展望

2018-07-04      5532 次浏览

镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极),电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。


由于化石燃料在人类大规模开发利用的情况下越来越少,近年来,氢能源的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。虽然镍氢电池确实是一种性能良好的蓄电池,但航天用镍氢电池是高压镍氢电池(氢压可达3.92MPa,即40kg/cm2),这样的高压力氢气贮存在薄壁容器内使用容易爆炸,而且镍氢电池还需要贵金属做催化剂,使它的成本变得很贵,这就很难为民用所接受,因此,国外自70年代开始探索民用的低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。高压镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制。用镍氢电池代替镉镍电池并应用于各种卫星上的趋势已经形成。


镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极),电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式及嵌渗式等,不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异,一般根据使用条件不同的工艺生产电池。通讯等民用电池大多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成电池。充放电化学反应如下[1]:


正极:Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-


负极:M+H2O+e-=MHab+OH-


总反应:Ni(OH)2+M=NiOOH+MH


注:M:氢合金;Hab:吸附氢;反应式从左到右的过程为充电过程;反应式从右到左的过程为放电过程。


充电时正极的Ni(OH)2和OH-反应生成NiOOH和H2O,同时释放出e-一起生成MH和OH-,总反应是Ni(OH)2和M生成NiOOH,储氢合金储氢;放电时与此相反,MHab释放H+,H+和OH-生成H2O和e-,NiOOH、H2O和e-重新生成Ni(OH)2和OH-。电池的标准电动势为1.319V。


镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。


低压镍氢电池具有以下特点:(1)电池电压为1.2~1.3V,与镉镍电池相当;(2)能量密度高,是镉镍电池的1.5倍以上;(3)可快速充放电,低温性能良好;(4)可密封,耐过充放电能力强;(5)无树枝状晶体生成,可防止电池内短路;(6)安全可靠对环境无污染,无记忆效应等。[1]


高压镍氢电池具有如下特点:(1)可靠性强。具有较好的过放电、过充电保护,可耐较高的充放电率并且无枝晶形成。具有良好的比特性。其质量比容量为60A·h/kg,是镉镍电池的5倍。(2)循环寿命长,可达数千次之多。(3)全密封,维护少。(4)低温性能优良,在-10℃时,容量没有明显改变。


镍氢电池在使用时应注意维护。


(1)使用过程忌过充电。在循环寿命之内,使用过程切忌过充电,这是因为过充电容易使正、负极发生膨胀,造成活性物脱落和隔膜损坏,导电网络破坏和电池欧姆极化变大等问题。


(2)防止电解液变质。在镍氢电池循环寿命期,应抑制电池析氢。


(3)镍氢电池的存放。保存镍氢电池应在充足电后,如果在电池中没有储存电能的情况下长期保存电池,将使电池负极储氢合金的功能减弱,并导致电池寿命减短。


(4)电量用尽后充电。镍氢电池和镍镉电池相同,都有“记忆效应”,即如果放电途中在电池还残存电能的状态下反复充电使用,电池很快就不能用了。


镍氢电池已经是一种成熟的产品,目前国际市场上年生产镍氢电池数量约7亿只,日本镍氢电池产业规模和产量一直高居各国前列,美国和德国仅此于日本,在镍氢电池领域也开发和研制多年。我国制造镍氢电池原材料的稀土金属资源丰富,已经探明储量占世界已经探明总储量的80%以上。目前国内研制开发的镍氢电池原材料加工技术也日趋成熟。镍氢电池可以和锌锰电池、镉镍电池互换使用,今后圆形电池主要朝着产品规格的多样性和商业化方面发展,而方形电池的发展重点是作为动力车的动力源。镍氢电池(Ni-MHBatteries)作为早期的镍镉电池的替代产品,它是目前最环保的电池,不再使用有毒的镉,可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池具有较大的能量密度比,这意味着可以在不为数码设备增加额外重量的情况下,使用镍氢电池能有效地延长设备的工作时间。镍氢电池另一个优点是:大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”,这使镍氢电池可以更方便地使用。


镍氢电池是目前在HEV汽车领域中应用最为成熟的二次电池。但客观来看,镍氢电池也存在一些“掣肘”之处:提炼技术不够成熟,成本过高。还有一大隐患是一旦大面积推广,将来面临回收的难题。从长期看,镍氢电池将面对锂离子电池的强力挑战,但短期内,镍氢电池在即将到来的新能源时代仍然前景看好。


锂电池未来之星


自1991年商业化以来整个锂离子电池产业发展很快,其中聚合物锂离子电池在安全性、体积、质量、容量和放电性能方面均优于液态锂离子电池,应用范围更广。


在日前举行的第5届北京国际电动汽车清洁能源车展览会上,记者采访时发现,各大客车生产商带来参展的纯电动客车几乎全部采用锂电池。一汽客车采用锂动力电池,中大青山纯电动客车、山东沂星采取了磷酸铁锂电池,还有包括磷酸基锂离子电子、磷酸亚鉄锂在内的多种锂电池得到了充分的展示。


清华大学汽车工程研究院常务副院长宋健表示,目前全球99%的混合动力电池市场份额为镍氢电池,镍氢电池技术在国内的发展也比较成熟。但镍的价格昂贵,镍氢电池在生产成本上比锂电池高出不少。与镍氢电池相比,新一代锂电池重量将减轻一半,蓄电容量则增加1倍以上,一次充电后行驶里程将大大提高。而且镍氢电池的寿命在未来3到5年内将达到极限。从长远来说,锂电池将成为未来新能源汽车发展更值得倚重的动力源。


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