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。[1]
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。[1]
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。[1]
镍氢和镍镉电池的工作电压都是1.2V。但是镍氢的体积比能量比镍镉电池高。根据制作电池的工艺不同的因素,镍镉电池有很强的记忆效应,镍氢的记忆效应很小。同时镍镉电池中含有重金属镉,目前已经禁止使用。但是由于镍镉电池优异的大倍率放电性能,在很多电动工具方面,镍氢电池还不能代替镍镉电池。所以在ROSH标准中就暂时允许镍镉电池用于电动工具领域。
锂电池和镍氢电池的区别:
在同样体积下,锂电池比镍氢电池容量大,故其通话、待机时间都比镍氢电池长,售价也比镍氢电池高些。还有,在一般情况下,镍氢电池无法做到随用随充,方便性大大减弱。
锂离子电池的发展是先有锂电池,再发展到锂离子电池的。早期的锂电池负极是用纯锂片。这种锂电很容易起火,造成危险。在此基础之上发展了锂离子电池。锂离子电池负极是石墨。离子传导的是锂离子,而不是金属锂。安全性大大提高。
锂离子电池工作电压为3.7V。体积比能量比镍氢更高。目前锂离子电池有铝壳,钢壳和软包装。在各自不同的领域占有市场。有些市场是共同的,如手机锂电。
但是由于之前一次性电池和镍氢电池的工作电压为1.2~1.5V,两只串连为2.4V~3.0V。大多用电器已经定下了这个工作电压标准。如随身听,收音机等。所以在民用电池这一块,锂电还不能取代镍氢电池。但在后期发展的新用电器,如MP3,MP4,等都采用锂电作为移动电源。
所以镍氢,镍镉,锂离子电池在目前各自的领域是无法被其他电池取代的。