華南師范大學(xué)方形鎳氫電池的制作與測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

華 南 師 范 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)專(zhuān) 業(yè)新能源材料與器件年級(jí)、班級(jí)2014課程名稱(chēng)化學(xué)與物理電源基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 方形鎳氫電池的制作與測(cè)試實(shí)驗(yàn)類(lèi)型 驗(yàn)證 設(shè)計(jì) 綜合實(shí)驗(yàn)時(shí)間2016年4月26日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師趙瑞瑞實(shí)驗(yàn)評(píng)分1. 【 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?】1. 熟悉、掌握鎳氫電池的結(jié)構(gòu)及充放電原理；2. 熟悉、掌握鎳氫電池制造的一般工藝步驟及其工藝方法；3. 熟悉、掌握鎳氫電池的電池充放電性能測(cè)試方法。2. 【 實(shí)驗(yàn)原理 】 鎳氫電池的正極活性物質(zhì)為 Ni(OH) 2 ，負(fù)極為貯氫合金，正負(fù)電極用隔膜分開(kāi)，根據(jù)不同使用條件的要求，采用 KOH 并加入 LiOH 或 NaOH 的電解液。電池充電時(shí)，正極中 Ni(OH) 2被氧化為 NiOOH，而負(fù)極則通過(guò)電解水生成金屬氫化物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的存儲(chǔ)。放電時(shí)，正極中的 NiOOH 被還原為 Ni(OH) 2 ，負(fù)極中的氫被氧化為水，同時(shí)在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中向外電路釋放出電量。電極反應(yīng)如下：(“ ”表示充電；“ ”表示放電)正極：Ni(OH) 2 + OH- NiOOH + H2 O + e-負(fù)極：M + xH 2 O + xe- MHx + xOH- 實(shí)際應(yīng)用中鎳氫電池一般要求是準(zhǔn)密閉的反應(yīng)體系， 但在充電過(guò)程中正負(fù)電極上不可避免地會(huì)發(fā)生副反應(yīng)生成氧氣和氫氣， 因此如何消除這些氣體關(guān)系到電池的密封問(wèn)題。 這可以通過(guò)優(yōu)化電池設(shè)計(jì)得到解決， 主要為采用用正極限制電池容量和電解液加入量的方法， 同時(shí)輔助于優(yōu)化正負(fù)極板工藝和電池組裝結(jié)構(gòu)等。 其中， 電解液的加入量以使電池處于一定的貧液狀態(tài)， 主要是為了正極析出的氣體能構(gòu)遷移到負(fù)極表面被反應(yīng)掉， 以利于實(shí)現(xiàn)氧在電池內(nèi)部的循環(huán)和負(fù)極盡量不析出氫氣。 把正負(fù)電極的容量之比一般控制在 1:1.3-1:1.4 之間， 這樣電池在充電末期和過(guò)充電時(shí)， 正極析出的氧氣可以通過(guò)隔膜擴(kuò)散到負(fù)極表面與氫復(fù)合還原為 H 2 O，負(fù)極則因有較多的剩余容量而不容易析出氫氣，從而保證電池具有合適的充電內(nèi)壓和電解液損耗率，最終保證電池的高循環(huán)壽命。充放電過(guò)程中，鎳氫電池正負(fù)電極上發(fā)生的反應(yīng)：(“ ”表示充電；“ ”表示放電) 正極：Ni(OH) 2 + OH- NiOOH + H2 O + e-過(guò)充電時(shí): 4OH- - 4e- 2H2 0 + O 2負(fù)極：M + xH 2 O + xe- MHx + xOH-過(guò)充電時(shí)：2H 2 O + O 2 + 4e- 4OH-電池：xNi(OH) 2 + M NiOOH + MHx正極活性物質(zhì)用量,根據(jù)法拉第定律,其理論用量:Mo(g) = 3600MQ/ nF ,其中 M- 摩爾質(zhì)量,n 電極反應(yīng)過(guò)程中得失電子數(shù),Q 所設(shè)計(jì)電池容量 Ah 數(shù),F法拉第常數(shù),96487C ,實(shí)際過(guò)程中要考慮利用率等因素,比計(jì)算值多 10% 20%. 負(fù)極活性物質(zhì)用量應(yīng)考慮電池充電后期產(chǎn)生過(guò)量氣體的影響,必須過(guò)量 20%50%。根據(jù)充放電時(shí)正負(fù)電極的反應(yīng)不難看出， 影響電池性能的因素是很多的， 其中正負(fù)電極活性物質(zhì)在反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性能和反應(yīng)活性，以及影響活性物質(zhì)充分發(fā)揮作用的其它因素，包括制備電極時(shí)的輔助添加劑和粘結(jié)劑，組裝電池時(shí)所使用的電解液、隔膜和密封材料等，都對(duì)電池的性能具有很大的影響。3. 【 儀器與試劑 】1 3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與工具點(diǎn)焊機(jī)（焊接泡沫鎳與鎳條）；壓片機(jī)（壓縮極板）；烘箱（烘干電極板）；計(jì)算機(jī)控制充放電儀器（測(cè)試電池盒性能，繪制伏安曲線(xiàn)圖）；有機(jī)玻璃（電池殼材料）；鋸子（切割有機(jī)玻璃）；砂紙（打磨有機(jī)玻璃片，使其邊緣光滑，易于粘接，避免漏液）；環(huán)氧樹(shù)脂+固化劑（粘結(jié)劑）；鉆孔器（在電池殼上打孔）2 3.2 實(shí)驗(yàn)試劑（實(shí)驗(yàn)控制負(fù)極容量：正極容量=1.5:1）氫氧化鎳（正極活性物質(zhì)，放電比容量 220mAh/g，本實(shí)驗(yàn)取200mAh/g，正極材料中活性物質(zhì)占比90%）；貯氫合金粉（負(fù)極活性物質(zhì), 放電比容量 280mAh/g，本實(shí)驗(yàn)取200mAh/g，正極材料中活性物質(zhì)占比95%）；隔膜(PE 隔膜，作用：隔開(kāi)正負(fù)極，避免短路，儲(chǔ)存電解液，提供氣體通道)；60（PTFE + CMC）粘結(jié)劑（在正極和負(fù)極粉總質(zhì)量各占比5%）；CoO 粉（提高極板導(dǎo)電性和物質(zhì)反應(yīng)可逆性）；Ni 粉（提高極板導(dǎo)電性）；8molL-1 KOH 混合電解液（98%KOH+2%LiOH）。4. 【 實(shí)驗(yàn)步驟 】根據(jù)電池的外殼尺寸和對(duì)性能的要求， 確定正負(fù)極板和隔膜的尺寸以及活性物質(zhì)的裝填量，然后制備正負(fù)極板、裁制隔膜并配制電解液，再把正負(fù)極板與隔膜卷繞或折疊在一起放入電池殼中，加入適量的電解液后封口，最后把電池化成后檢測(cè)性能。具體步驟如下：4 .1 正負(fù)極板和隔膜的裁剪4.1.1 根據(jù)電池比容量，裁剪正負(fù)極泡沫鎳，約 3cm*2.5cm 共 5 片，其中中級(jí)兩片，負(fù)極 3片，分別用電焊機(jī)焊接鎳條，稱(chēng)量泡沫鎳的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。4.1.2 再根據(jù)泡沫鎳的大小，剪出比泡沫鎳略大的隔膜。4 4 2 .2 正負(fù)極板的制備4.2.1 正極板的制備按 Ni(OH) 2 90%與 CoO5%和 Ni5%的比例計(jì)算所需的質(zhì)量，根據(jù)粉添加劑總質(zhì)量，按 5%比例計(jì)算所要添加粘結(jié)劑（PTFE + CMC，60）質(zhì)量。稱(chēng)取 5.487g Ni(OH) 2 固體粉末與 0.3044g CoO 和 0.3011g 的 Ni 粉添加劑混合均勻，再加入約 1.5g 的粘結(jié)劑 PTFE (0.5g)+ CMC（1g）和適量的去離子水調(diào)制成漿，然后均勻涂覆在 2 片泡沫鎳上。4.2.2 負(fù)極板的制備按貯氫合金粉 95%，Ni 粉 5%的比例計(jì)算所需的質(zhì)量，再根據(jù)以上總重量，按 5%比例計(jì)算所要添加粘結(jié)劑（PTFE + CMC，60）質(zhì)量。稱(chēng)取 5.032g 貯氫合金粉與和 0.2507g Ni粉混合，再加入約 1.5g 的粘結(jié)劑 PTFE(0.4656g)+ CMC(1.0663g）和適量的水調(diào)制成漿，然后涂覆到 3 片泡沫鎳。4.2.3 烘干把制備好的極板做好編號(hào)，置于燒杯中，于烘箱中約 85烘干、一周后，取出用保鮮膜包住并用壓片機(jī)進(jìn)行壓片，稱(chēng)量，減去泡沫鎳的質(zhì)量，計(jì)算得到正負(fù)極的放電比容量。4 4 .3 電池盒的制備根據(jù)極板的大小，確定電池盒的規(guī)格約為 5cm*5cm*1.5cm，用鋸子在有機(jī)玻璃板上鋸12電池盒的六個(gè)面，并用砂紙打磨平滑，將五個(gè)面用粘合劑（環(huán)氧樹(shù)脂+固化劑）粘連起來(lái)唉，自然放置一天晾干，晾干后檢驗(yàn)是否漏液，不漏即完成電池盒的制備。余下一片請(qǐng)人用電鉆鉆孔 2 個(gè)。4 4 .4 電解液的配制稱(chēng)取 KOH 固體（含量=85%）約 8.75g,LiOH 約 0.75g,加去離子水配成 25g 溶液，攪拌均勻，冷卻至室溫后待用。4 4 .5 電池盒的組裝將 5 片極板按負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)的順序排好，并在每?jī)善虚g加入隔膜，整理好放入電池盒中，加入電解液，并將正極和負(fù)極鎳條穿過(guò)電池蓋，用環(huán)氧樹(shù)脂固定即可，并插入一支毛細(xì)管用于排氣。組裝完成后進(jìn)行充放電測(cè)試。5. 【 數(shù)據(jù)記錄與處理 】5.1 電池外觀尺寸長(zhǎng)x寬x高=5cmx1.5cmx5cm5.2 正負(fù)極板數(shù)據(jù)記錄：正負(fù)極材料的用量，電池理論容量鎳條在運(yùn)輸途中斷裂，實(shí)驗(yàn)失敗5.2 電池充放電曲線(xiàn)：充放電參數(shù)設(shè)置、電池的循環(huán)充放電性能、 （循環(huán)次數(shù)-容量圖）鎳條在運(yùn)輸途中斷裂，實(shí)驗(yàn)失敗6. 【 實(shí)驗(yàn)評(píng)注與拓展 】實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)已列入實(shí)驗(yàn)步驟里面，相關(guān)知識(shí)補(bǔ)充以實(shí)際生產(chǎn)補(bǔ)充在實(shí)驗(yàn)步驟里面。7. 【 提問(wèn)與思考 】1. 鎳氫電池的化學(xué)原理鎳氫電池：(-)MH|KOH|NiOOH(+)正極：負(fù)極：總反應(yīng)：2. 常用鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料的比較(1) 金屬（或合金）儲(chǔ)氫材料 氫幾乎可以同周期表中的各種元素反應(yīng)，生成各種氫化物或氫化合物。但并不是所有金屬氫化物都能做儲(chǔ)氫材料，只有那些能在溫和條件下大量可逆的吸收和釋放氫的金屬或合金氫化物才能做儲(chǔ)氫材料用。例如：目前以開(kāi)發(fā)的具有實(shí)用價(jià)值的金屬型氫化物有稀土系A(chǔ)B5型；鋯、鈦系Laves相AB2型；鈦系A(chǔ)B型；鎂系A(chǔ)2B型；以及釩系固溶體型等幾種。金屬與氫反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1-1所示。(2) 非金屬儲(chǔ)氫材料 從目前的研究的情況分析，能夠可逆的吸放氫的非金屬材料9,10僅限于碳系材料、玻璃微球等非金屬材料，是最近幾年剛發(fā)展起來(lái)的新型儲(chǔ)氫材料。例如碳納米管、石墨納米纖維、高比表面積的活性炭、玻璃微球等。這類(lèi)儲(chǔ)氫材料均屬于物理吸附模型，是一種很有前途的新一代儲(chǔ)氫材料。 (3) 有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料 某些有機(jī)液體11,12，在合適的催化劑作用下，在較低壓力和相對(duì)高的溫度下，可做氫載體，達(dá)到貯存和輸送氫的目的。其儲(chǔ)氫功能是借助儲(chǔ)氫載體（如苯和甲苯等）與H2的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。(4) 其他儲(chǔ)氫材料 除了上述3類(lèi)儲(chǔ)氫材料外，還有一些無(wú)機(jī)化合物和鐵磁性材料可用作儲(chǔ)氫，如KHNO3或NaHCO3作為儲(chǔ)氫劑13。磁性材料在磁場(chǎng)作用下可大量?jī)?chǔ)氫，儲(chǔ)氫量比鈦鐵材料大67倍