鎳氫電池綜述報告

1、能源化學工程專業(yè)小學期實踐作業(yè)1041101 班 程士堅 1120112597二次電池：鎳氫電池領域綜述報告前言：鐐氫電池作為當今迅速發(fā)展起來的一種高能綠色充電電池，憑借能量密度高、可快速充 放電、循環(huán)壽命長以及無污染等優(yōu)點在筆記本電腦、便攜式攝像機、數(shù)碼相機及電動自行車 等領域得到了廣泛應用。接下來將對這一領域的歷史背景、前人工作、爭論焦點、研究現(xiàn)狀 與發(fā)展前景等方面作出一個較為詳盡分析和報告。關鍵詞：鐐氫電池、電極材料、電化學、用途與特性研究、HEV、市場現(xiàn)狀及個人看法正文：鐐氫電池發(fā)展歷史與現(xiàn)狀鐐氫電池是二十世紀九十年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，具有高能量、長壽命、無 污染等特點，因而

2、成為世界各國競相發(fā)展的高科技產品之一。鐐氫電池的誕生應該歸功于儲氫合金的發(fā)現(xiàn)。早在20世紀六十年代末，人們就發(fā)現(xiàn)了 一種新型功能材料儲氫合金，儲氫合金在一定的溫度和壓力條件下可吸放大量的氫鐐氫蓄電池形象地稱為“吸氫海綿”。其中有些儲氫合金可以在強堿性電解質溶液中， 反復沖放電并長期穩(wěn)定存在，從而為我們提供了一種新型負極材料，并在此基礎上發(fā)明了鎳 氫電池。儲氫合金的主要來源是稀土，而中國的稀土資源占世界總儲量的70%以上，發(fā)展 鐐氫電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。我國通過該項目的實施，使鐐氫電池的裝備水平得到了大大的提高，由過去的手工操作 跨越到連續(xù)化，自動化大規(guī)模生產，明顯地提高了電池的均勻性和綜合性

3、，滿足了移動通訊， 便攜式電腦，電動工具以及電動車輛對電池的需要。同時，通過該項目的實施，促進了中國 鐐氫電池與材料、設備、檢測儀器，下游產品等相關企業(yè)的相互協(xié)作，明顯提高了總體產業(yè) 的生產能力，技術水平和競爭能力，為鐐氫電池產業(yè)的發(fā)展和產品打入國際市場鋪平了道路。鐐氫電池現(xiàn)主要應用于混合電動車。2011年HEV市場占56%，零售市場占24%，無繩 電話占11%，其他市場為9%。世界鐐氫電池主要由中國和日本企業(yè)生產，占全球產量的 95%以上。全球鐐氫電池70%以上在中國生產，中國鐐氫電池企業(yè)主要包括超霸、豪鵬、比 亞迪、環(huán)宇、科力遠等。日本企業(yè)松下、湯淺、三洋已將小型鐐氫電池生產轉移到中國。

4、HEV用大型鐐氫電池主要在日本生產，生產企業(yè)主要為Primearth電動車能源公司和三洋電 機。我國鐐氫電池增長乏力，其發(fā)展空間仍然取決于混合電動車的應用情況。鐐氫電池的技術特性反應原理電解質：主要為KOH作電解液(電解質7moL/LKOH+15g/LLiOH)充電時：正極反應：Ni(OH)2 + OH- - NiOOH + H2O + e-負極反應：M + H2O + e- MH + OH-總反應：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH放電時：正極：NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-負極：MH + OH- M + H2O + e-總反應：MH + NiOOH

5、M + Ni(OH)2以上式中M為儲氫合金，MH為吸附了氫原子的儲氫合金。最常用儲氫合金為LaNi5。鎳氫電池中的“金屬”部分實際上是金屬氫化物。用在鎳氫電池的制造上，它們主要分 為兩大類。最常見的是AB5 一類，A是稀土元素的混合物再加上鈦；B則是鎳、鉆、錳， 還有鋁。而一些高容量電池的“含多種成分”的電極則主要由AB2構成，這里的A則是鈦 或者釩，B則是鋯或鎳，再加上一些鉻、鉆、鐵和錳。所有這些化合物扮演的都是相同的角 色：可逆地形成金屬氫化物。電池充電時，氫氧化鉀(KOH)電解液中的氫離子(H+)會 被釋放出來，由這些化合物將它吸收，避免形成氫氣(H2)，以保持電池內部的壓力和體積。 當

6、電池放電時，這些氫離子便會經由相反的過程而回到原來的地方?，F(xiàn)階段鎳氫電池研究重點1無釹貯氫合金及無釹鎳氫電池本研究利用成分及工藝優(yōu)化，制備出了性能優(yōu)良的無釹貯氫合金，將電池的容量衰減率 較過去減少了 33%，而低溫性能也有了很大提升，低溫條件下放電能力比普通鎳氫電池多 放出6%。2寬溫區(qū)鎳氫電池在一些特殊條件下，如野外軍用電臺、飛機和坦克等軍事裝置及非常寒冷的地區(qū)，要求 在-40 r的環(huán)境下放電。為了解決這些問題，研究機構在無釹貯氫合金開發(fā)成功的基礎上開 發(fā)了寬溫區(qū)鎳氫電池，這種電池在低溫條件下工作可靠。3釩鈦貯氫合金近年來，隨著各類新能源汽車的發(fā)展，對高容量貯氫合金的需求更加迫切。傳統(tǒng)貯氫合

7、 金采用純釩制備而成，金屬釩價格十分昂貴，而含鈦的釩合金是獲得相對較低成本、高容量 釩基固溶體貯氫合金的基礎。四川大學在此方面的研究工作取得了較大的進展。4釩基貯氫電極合金目前，已商業(yè)化的鎳氫電池負極材料主要是稀土 AB5這種合金容量只有300mAh/g左 右。釩基固溶體型貯氫合金最大的問題是在堿液中的電化學催化活性較差。最近的工作發(fā)現(xiàn)， 溫度對釩基固溶體型貯氫合金電極放電性能的影響非常大。升高環(huán)境溫度(小于80 r )可 以使釩基貯氫合金放出大量容量，預示著這種合金有可能成為高能量密度的一次或二次鎳氫 電池負極材料。5 PAA堿性聚合物電解質薄膜目前，研究人員采用了很多方法試圖降低鎳氫電池負

8、極材料的腐蝕程度，但成效都不 明顯。固體電解質尤其是以聚合物為主體的固體電解質由于無液漏問題、易成型等優(yōu)點，越 來越受到人們的重視。其中聚丙烯酸(PAA)性聚合物電解質是一類具有高電導率的電解質。 因此針對含鎂合金電極存在的問題，使用PAA堿性聚合物電解質取代堿性水溶液，可制造 具有高能量密度的聚合物鎳氫電池。鎳氫電池應用前沿HEV鎳氫電池應用前沿HEV隨著經濟水平的發(fā)展，汽車的保有數(shù)量急劇增加，能源和環(huán)境問題變得日益嚴重。開發(fā) 和推廣電動汽車等清潔能源汽車已成為世界各國爭相研究的課題。以內燃機蓄電池共同驅動的混合動力車(HEV )首選的蓄電池采用的就是鎳氫電池。 鎳氫電池具有比功率高、耐過充

9、過放、可快速充電及壽命長和無污染等特點。下面介紹車用鎳氫電池的技術特點與難點：a型Ni(OH) 2的鐐氫電池體系因其在向Y型NiOOH轉化電子數(shù)多于B型間的電子數(shù)，一直是新材料研究的熱點，同時 a型在向Y型轉化時膨脹系數(shù)小被認為是最理想的鎳氫電池正極材料。其弱點是在強堿溶液 中的不穩(wěn)定性，易陳化轉化成B氫氧化亞鎳；同時其松裝密度太小，無法實現(xiàn)填充的需要， 解決這兩個問題將是技術發(fā)展研究的重點。AB2型貯氫合金粉在鐐氫電池體系AB2型貯氫合金粉被認為是理想的負極材料，420mAh/g的克容量一直是研究熱點，但 其使用壽命較短和低溫下性能較差，同樣影響它在鎳氫電池體系的使用，有針對性地開展提 高這

10、兩項技術的研究是重點。電池寬溫度范圍通過在正極中添加Ca、Y、Er、Ti、Tm的氧化物以及對電解液的組成和配比進行研究， 提高鎳電極的析氧過電位來提高電池在高溫下的充電接受能力，特別是大電流時的充電效率， 從而減少體系中因氧氣產生、復合而引起的熱效應；電池制作中降低體系的內阻，減小電化 學極化，濃差極化和歐姆極化以減少相應熱量的產生。降低單體電池的厚度，設計適當?shù)碾?池間隙并配以冷卻系統(tǒng)以利于電池熱量的散發(fā)，同時配備熱管理系統(tǒng)。選擇鉆含量高的貯氫 合金，降低負極析氫平臺壓力，也是電池高溫性能應用的主要解決方法。電池在低溫時使用 的主要問題是負極。采用富鑭型的貯氫合金，同時采用低鉆合金與高鉆合金

11、混合使用，可以 有效改善負極在低溫下的性能。電池快速充電技術電池要進行快速充電就必須解決電池內壓和發(fā)熱問題。降低電池內壓，就要提高正極析 氧過電位，提高正極充電效率，抑制正極充電產生的氧氣。可以通過在正極中添加鉆類添加 劑、在電解液中加入提高正極充電效率的物質，提高負極預留容量和對負極進行表面處理都 是降低電池內壓的有效途徑。調整電池預充容量，提高負極活化后的容量和電池負極預充量 和預留量，使負極預留量保持較高比例，使負極在正極過充時保持良好的吸附氫能力，提高 正極充電效率和在組合結構上設置冷卻裝置也是解決發(fā)熱問題提高電池充電速度的方法。電池組結構優(yōu)化、組合設計研究在汽車上使用單體電池以串聯(lián)形

12、式組合，結構十分緊湊，但需充分考慮電池的散熱。在 電池組合方面，對容量、內阻、溫度、充放電特性曲線等因素的綜合考慮時，還需對電池進 行篩選組合，對組合電池位置分布進行研究。蓄電池組綜合管理系統(tǒng)包括熱管理系統(tǒng)、電池運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和維護系統(tǒng)等。熱管理系統(tǒng)可以在高溫下開啟 冷卻系統(tǒng)或通過正溫度系數(shù)，調整電池的充電電壓。根據(jù)電池組模塊在運行過程中短時間充 放電的電壓、溫度等參數(shù)變化，在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過軟件分析平臺，建立較為準 確的SOC判別數(shù)學模型。將整個電池組分為數(shù)十個模塊，實時監(jiān)控每一模塊的參數(shù)變化，對 出現(xiàn)的故障進行判別，并對某些可修復的故障進行自行彌補或修復。如果某電池遭受到永久

13、傷害，系統(tǒng)應能自動換入備用電池，從而避免因某個電池的損壞而影響到整個電池組的性能。 根據(jù)電動機工作特點，通過脈沖方式對電池充電，同時系統(tǒng)中必須具有欠壓保護、過流保護、 防短路等安全保護功能。硬件結構上采用高檔單片機，確保電池管理系統(tǒng)操作的可靠性，在 通訊方面采用CAN總線，確保汽車的中央控制單元對電池系統(tǒng)的有效控制，采用神經網(wǎng)絡控 制技術對電池的荷電量狀態(tài)進行有效的監(jiān)控。電池故障判斷專家系統(tǒng)技術研究建立電池故障診斷專家系統(tǒng)，隨時記錄電池系統(tǒng)的異?，F(xiàn)象，對外留有通訊接口，為車輛的 故障診斷提供條件。提高電池的循環(huán)壽命設計先進的電池、極板和安全閥結構，降低體系內壓以減少高溫大電流充電時氣體的析出，

14、 設計合理的外殼及密封方式以避免使用中水分的揮發(fā);研究電池組模擬和實際循環(huán)中的失效 模式，改進設計，控制電極與零部件的途徑或加大設計余量以達到系統(tǒng)最佳的效果。以上一共8個研究方向就是現(xiàn)有鎳氫電池在最新應用領域的主要改進方向。關于鎳氫電池產業(yè)的的個人看法目前，中國是鎳氫電池產業(yè)大國，但還不是鎳氫電池產業(yè)強國。無論是生產企業(yè)，還是 政府部門都有責任采用有效措施來共同促進我國鎳氫電池產業(yè)的健康發(fā)展。（一）注重技術創(chuàng)新，加強知識產權保護，提升企業(yè)核心競爭力隨著科技的迅速發(fā)展和經濟全球化進程的加快， 知識產權日益成為決定一個國家核心競爭力的關鍵。未來競爭將是知識產權的競爭，沒有創(chuàng) 新技術和自主知識產權積

15、累的國家，是沒有前途的。在今天，創(chuàng)新能力已成了國家的核心競 爭力，也是企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵，是企業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展的第一步。”與世界發(fā)達國家相比，我國自主創(chuàng)新能力很弱，擁有核心和關鍵技術領域的自主知識產 權不僅數(shù)量少，而且質量偏低。據(jù)統(tǒng)計，我國擁有自主知識產權核心技術的企業(yè)僅為0.003%， 特別是在高端領域，核心技術幾乎都是被發(fā)達國家所占有。沒有關鍵材料和自主知識產權的 空心產業(yè)，這一點已成為制約我國技術進步、產業(yè)升級和經濟發(fā)展的重大障礙。在鎳氫電池 領域，這種現(xiàn)在尤為嚴重。只有在技術上領先于人，才能在市場上立于不敗之地。然而，企 業(yè)的技術創(chuàng)新不僅僅是企業(yè)自身的事情，需要全社會的支持。此外，由

16、于技術創(chuàng)新需要大量 的研發(fā)資金投入，存在較大的風險，使得中小企業(yè)，甚至一些大型企業(yè)望而卻步。政府的引 導和支持在鎳氫電池企業(yè)創(chuàng)新活動中起著至關重要的作用。（二）注重行業(yè)管理的規(guī)范化，提高企業(yè)的生產效率和經濟效益很多企業(yè)發(fā)展到一定的階段就止步不前，企業(yè)當中溝通不暢、效率低下等問題普遍盛行。 管理不規(guī)范，管理體系不科學是其重要原因。對很多企業(yè)而言，由于追求高成長，而忽視了 管理平臺的搭建與修繕，使得企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模之后難免遭遇管理瓶頸，以致企業(yè)膨脹的 越快死的越快的現(xiàn)象普遍存在。管理規(guī)范化是其關鍵之一，有效地避免產品責任。各國在實 踐中，由于對產品品質的投訴越來越頻繁，事故原因越來越復雜，追究責

17、任也就越來越嚴格。 所以規(guī)范化和高效化是十分重要的。結語：鎳氫電池產業(yè)的健康發(fā)展意義重大。通過對鎳氫電池產業(yè)現(xiàn)狀的分析，可以為鎳氫電池生產 企業(yè)制定自身發(fā)展戰(zhàn)略提供參考，同時也為進一步的科研和改進指明方向。然而，受限于筆 者本人認識水平，以及相關數(shù)據(jù)資料的不足，研究結論的科學性、客觀性存在一定的偏差。 因而，對鎳氫電池產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的研究工作需要持續(xù)進行，不斷總結經驗改進研究方法，更 新研究結論。參考文獻：【1】牛麗賢.我國鎳氫電池產業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展對策研究中國地質大學(北京)地球科學與 資源學院100083.【2】謝紅波.沉淀法制備納米氫氧化鎳及其電化學性能研究學位論文2008【3】卡索.正極材料

18、球形納米氫氧化鎳的制備及電化學性能研究學位論文2010【4】 Isidor Buehmann. Batteries in a Portable World： AHandbook on Reehargeable Batteries for NonEngineersM. Cadex Electronics Inc, 2001.【5】鄧凌峰等.聚合物自由基鋰二次電池正極材料的合成與電化學性ttJ .高分子學報， 2004,01.【6】林則青.Ni-MH電池高溫行為的研究哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文C.黑龍江：哈爾 濱工業(yè)大學出版社，2002.5【7】孫逢春;陳勇；何洪文 鎳氧電池充放電終止指標的實驗研究期刊論文-北京理工大 學學報2002(01)【8】劉振軍.林國發(fā).秦大同.胡明輝.林歆悠電動汽車鋰電池組溫度場研究及其結構優(yōu)化 期刊論文-汽車工程2012(1)【9】胡明輝.秦大同.葉心混合動力汽車用鎳氫蓄電池組熱管理方法期刊論文-江蘇大 學學報(自然科學版)2011(2)【10】肖紅林.郭明明.李洪亮電動汽車動力電池組散熱特性數(shù)值模擬研究期刊論文- 汽車工程2011(11)【11】朱松然編.蓄電池手冊M.天津：天津大學