鎳氫電池動(dòng)力電池課件

關(guān)于鎳氫電池動(dòng)力電池第1頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三【引入】堿性電池包含的電池類型廣泛，現(xiàn)階段在電動(dòng)車輛上應(yīng)用最多的是鎳氫電池。該種電池技術(shù)成熟、比功率大、無記憶效應(yīng)，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的主體，也是至今量產(chǎn)的電動(dòng)汽車中應(yīng)用量最大的電池種類。本章將重點(diǎn)介紹鎳氫電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、充放電特性以及儲(chǔ)氫合金的基本特性。第2頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握鎳鎘電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及原理2.掌握鎳氫電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及原理3.掌握鎳氫電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用第3頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三1.堿性動(dòng)力電池的儲(chǔ)能原理與結(jié)構(gòu)2.堿性動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)3.堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用第4頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三1.堿性動(dòng)力電池的儲(chǔ)能原理與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目的鎳氫電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理2鎳鎘電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理1第5頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳鎘電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理鎳鎘電池(Ni-Cd，Nickel—CadmiunBattery)因其堿性氫氧化物中含有金屬鎳和鎘而得名。圖4-1鎳鎘電池結(jié)構(gòu)示意圖第6頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳鎘蓄電池的正極材料為球形氫氧化鎳，充電時(shí)為NiOOH,放電時(shí)為Ni(OH)2。負(fù)極材料為海綿狀金屬鎘或氧化鎘粉以及氧化鐵粉，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，增加極板的容量。電解液通常為氫氧化納或氫氧化鉀溶液，為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫量的氫氧化鋰（大約每升電解液加15~20g）。第7頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三正極充放電反應(yīng)為負(fù)極充放電反應(yīng)為電池總反應(yīng)為第8頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(1)鎳電極反應(yīng)機(jī)理鎳電極充電時(shí)，首先是電極中Ni(OH)2顆粒表面的Ni2+失去電子成為Ni3+，電子通過正極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和集流體向外電路轉(zhuǎn)移；同時(shí)Ni(OH)2顆粒表面晶格OH－中的H+通過界面雙電層進(jìn)入溶液，與溶液中的OH－結(jié)合生成H2O。上述反應(yīng)先是發(fā)生在Ni(OH)2顆粒的表面層，使得表面層中質(zhì)子H+濃度降低，而顆粒內(nèi)部仍保持較高濃度的H+。由于濃度梯度，H+從顆粒內(nèi)部向表面層擴(kuò)散。第9頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳電極充電時(shí)，由于質(zhì)子H+在NiOOH／Ni(OH)2，顆粒中擴(kuò)散系數(shù)小，顆粒表面的質(zhì)子濃度降低，在極限情況下會(huì)降低到零，這時(shí)表面層中的NiOOH幾乎全部轉(zhuǎn)化為NiO2。電極電勢(shì)不斷升高，反應(yīng)如下:由于電極電勢(shì)的升高，導(dǎo)致溶液中的OH-被氧化，發(fā)生如下反應(yīng):第10頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三因此,在充電過程中．鎳電極上會(huì)有O2析出，但這并不表示充電過程已全部完成。通常情況下，在充電不久時(shí)鎳電極就會(huì)開始析氧，這是鎳電極的一個(gè)特點(diǎn)。在極限情況下,表面層中生成的NiO2并非以單獨(dú)的結(jié)構(gòu)存在于電極中，而是摻雜在NiOOH晶格中。NiO2不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生分解，析出氧氣。第11頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(2)鎘電極的反應(yīng)機(jī)理鎳鎘電池的負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鎘，放電產(chǎn)物是難溶于KOH溶液的Cd(OH)2。鎘電極的放電反應(yīng)機(jī)理是溶解一沉積機(jī)理，放電時(shí)Cd被氧化，生成Cd(OH)3－進(jìn)入溶液，然后再形成Cd(OH)2沉積在電極上。Cd(OH)3－在堿液中的溶解度為9×10-5mol/L，該濃度可以使鎘電極具有較高的反應(yīng)速率，這也是鎳鎘電池能夠高倍率放電的主要原因。

電極的放電機(jī)理為首先發(fā)生OH－的吸附:第12頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三隨著電板電勢(shì)不斷升高，鎘進(jìn)一步氧化，生成Cd(OH)3－進(jìn)入溶液:當(dāng)界面溶液中Cd(OH)3－過飽和時(shí)，Cd(OH)2就沉積析出:生成的Cd(OH)2附著在電極表面上，形成疏松多孔的Cd(OH)2，有利于溶液中的OH－繼續(xù)向電極內(nèi)部擴(kuò)散，使內(nèi)部的海綿狀鎘也通過溶解沉積過程轉(zhuǎn)化為Cd(OH)2實(shí)現(xiàn)內(nèi)部活性物質(zhì)的放電。第13頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理鎳氫(MH-Ni)電池是在Ni-Cd電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相對(duì)于鎳鎘電池，其最大的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境友好．不存在重金屬污染。民用鎳氫電池又是以航天用高壓鎳氫電池為基礎(chǔ)，由于高壓鎳氫電池采用高壓氫，而且還需要用貴金屬作催化劑，這就很難為民用所接受。自20世紀(jì)70年代中期，研究者開始探索民用的低壓氫鎳電池。鎳氫電池于1988年進(jìn)入實(shí)用化階段，1990年在日本開始規(guī)模生產(chǎn)。第14頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三目前，以儲(chǔ)氫合金為負(fù)極材料的鎳氫電池能滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車所要求的高能量、高功率、長(zhǎng)壽命和足夠?qū)挼墓ぷ鳒囟确秶髣?dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，同時(shí)該類電池也已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電子工具、電動(dòng)自行車等日常生活用品上。第15頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三1.鎳氫電池結(jié)構(gòu)包括以鎳的儲(chǔ)氫合金為主要材料的負(fù)極板、具有保液能力和良好透氣性的隔膜、堿性電解液、金屬殼體、具有自動(dòng)密封的安全閥及其他部件。圖示的圓柱形電池，采用被隔膜相互隔離開的正、負(fù)極板呈螺旋狀卷繞在殼體內(nèi)，殼體用蓋帽進(jìn)行密封，在殼體和蓋帽之間用絕緣材質(zhì)的密封圈隔開。第16頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三儲(chǔ)氫合金在進(jìn)行吸氫／放氫化學(xué)反應(yīng)(可逆反應(yīng))的過程中，也伴隨著放熱／吸熱的熱反應(yīng)(可逆反應(yīng))，同時(shí)也產(chǎn)生充電／放電的電化學(xué)反應(yīng)(可逆反應(yīng))。具有實(shí)用價(jià)值的儲(chǔ)氫合金應(yīng)該具有儲(chǔ)氫量大、容易活化、吸氫／放氫的化學(xué)反應(yīng)速率快、使用壽命長(zhǎng)及成本低廉等特性。第17頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三2.鎳氫電池工作原理

鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時(shí))和Ni(OH)2(充電時(shí))，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2(放電時(shí))和H2O(充電時(shí))，電解液采用30%的氫氧化鉀溶液．電化學(xué)反應(yīng)如下：

負(fù)極反應(yīng)式

正極反應(yīng)式

電池反應(yīng)式第18頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充、放電過程中生成物不同。鎳氫電池在充、放電過程中，正、負(fù)極上在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)不發(fā)生任何中間態(tài)的可溶性金屬離子，也沒有電解液中的任何組分消耗和生成，因而鎳氫電池可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并加入少量的LiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。第19頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三為了防止充電過程后期電池內(nèi)壓過高，電池中裝有防爆裝置。當(dāng)鎳氫電池過充電時(shí)，金屬殼內(nèi)的氣體壓力將逐漸上升。當(dāng)該壓力達(dá)到一定數(shù)值后，頂蓋上的限壓安全排氣孔打開，因此可以避免電池因氣體壓力過大而爆炸。第20頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池放電時(shí)，正極上NiOOH得到電子還原成為Ni(OH)2；負(fù)極金屬氫化物(MHx)內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到表面形成吸附態(tài)氫原子，接著再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水和儲(chǔ)氫合金。在鎳氫電池出現(xiàn)過放電時(shí)，正極活性物質(zhì)中的NiOOH已經(jīng)消耗完了，這時(shí)正極上會(huì)發(fā)生水分子被還原為氫和OH-離子。負(fù)極上由于儲(chǔ)氫合金的催化作用，使OH-離子與氫反應(yīng)又生成水。第21頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三過充電時(shí)，正極上會(huì)析出氧，然后擴(kuò)散到負(fù)極上發(fā)生去極化反應(yīng)，生成0H離子。在電池過充電和過放電過程中，正、負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)可用正式表示

正極：過充電析出氧

過放電析出氫

負(fù)極：過充電消耗氧

過放電消耗氫

第22頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三儲(chǔ)氫合金既承擔(dān)著儲(chǔ)氫的作用，又起到催化劑作用，在電池出現(xiàn)過充和過放電時(shí)，可以消除由正極產(chǎn)生的O2和H2。從而使電池具有耐過充、過放電的能力。但隨著充、放電循環(huán)的進(jìn)行，儲(chǔ)氫合金的催化能力逐漸退化，電池的內(nèi)壓就會(huì)上升，最終導(dǎo)致電池漏液失效。第23頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三2.堿性動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)學(xué)習(xí)目的鎳鎘電池應(yīng)用存在的問題2鎳鎘電池的特性1鎳氫電池與鎳鎘電池的對(duì)比分析3第24頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳鎘電池的特性鎳鎘電池標(biāo)稱電壓為1.2V，具有使用壽命長(zhǎng)(可充放電循環(huán)1000次以上)、機(jī)械強(qiáng)度高、密封性能好、使用溫度范圍大(-40～+50℃)維護(hù)保養(yǎng)方便、能耐受大電流(高于正常使用電流的幾倍乃至10倍)的瞬時(shí)沖擊等優(yōu)點(diǎn)。第25頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(1)充放電性能鎳鎘電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)是1.299V，額定電壓是1.2V，平均工作電壓為1.20～1.25V。剮充完電的電池開路電壓較高，可以到達(dá)1.4V以上，放置一段時(shí)間后，正極不穩(wěn)定的NiO2發(fā)生分解，開路電壓會(huì)降低到1.35V左右。第26頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳鎘電池在充電開始時(shí)，電池電壓在1.3V左右，隨著充電進(jìn)行，電壓緩緩上升到l.4～1.5V并穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。充電電壓超過1.55V后，電解液中的水開始電解，產(chǎn)生氣體，電壓開始急劇上升，到充電末期，正、負(fù)極上都開始析出氣體．電池電壓達(dá)到1.7—1.8V。鎳鎘電池的放電曲線比較平穩(wěn)，只是在放電終止時(shí)電壓突然下降，一般以O(shè).2C放電時(shí)，電壓穩(wěn)定在1.2V左右。第27頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(2)倍率持續(xù)放電特性動(dòng)力鎳鎘電池允許大電流放電而不會(huì)損壞，允許放電倍率在10C以上，但是大電流放電時(shí)，電壓下降很快，電池可放出的能量下降。第28頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(3)高低溫放電性能溫度升高時(shí)，鎳鎘電池的容量會(huì)增加，但溫度超過50℃時(shí)，正極的析氧過電勢(shì)降低，正極充電不完全；同時(shí)鎘的溶解會(huì)隨著溫度上升而增大,遷移到隔膜中，容易形成鎘枝晶，導(dǎo)致電池內(nèi)部微短路；另外高溫還會(huì)加速鎳基板腐蝕和鎘膜氧化，導(dǎo)致電池失效。低溫情況下，電解液的電阻增加．會(huì)使鎳鎘電池的容量下降。如-45℃以O(shè).2C放電鎳鎘電池一般只能提供50%左右的額定容量；-18℃以3C放電一般可以放出30%以上的額定容量。第29頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(4)耐過充電和過放電性能鎳鎘電池具有很好的耐過充電和過放電能力。1C恒電流持續(xù)充電2h，或強(qiáng)迫過放電不超過2h，電池不會(huì)損壞。鉛酸電池及后續(xù)章節(jié)介紹的鋰離子電池在這種情況下，都將產(chǎn)生永久的損壞。第30頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳鎘電池應(yīng)用存在的問題（1）記憶效應(yīng)，鎳鎘電池長(zhǎng)期不徹底充電、放電，易在電池內(nèi)留下痕跡，降低電池容量，這種現(xiàn)象稱為電池記憶效應(yīng)。比如，鎳鎘電池長(zhǎng)期只放出80%的電量后就開始充電，一段時(shí)間后，電池充滿電后也只能放出80%的電量。

記憶效應(yīng)的出現(xiàn)主要是由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊，造成Ni電極膨脹或生成不導(dǎo)電的Ni(OH)2，從而引起電池電壓下降或容量減少，使電池放電時(shí)形成次級(jí)放電平臺(tái)。鎳鎘電池會(huì)儲(chǔ)存這一放電平臺(tái)并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點(diǎn)。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。第31頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三（2）環(huán)境污染

鎘是鎳鎘電池的必備原材料，但有大量研究表明，在人體內(nèi)，鎘的半衰期長(zhǎng)達(dá)730年，可蓄積50年之久，攝入或吸人過量的鎘可引起腎、肺、肝、骨、生殖效應(yīng)及癌癥．在1993年，國(guó)際抗癌聯(lián)盟就將鎘定為L(zhǎng)A級(jí)致癌物。一般人在低劑量鎘環(huán)境中暴露即可導(dǎo)致腎功能損傷、骨密度降低、鈣排泄增加及生殖毒性。鎘及其化合物是補(bǔ)課降解的環(huán)境污染物，可通過廢水、廢氣、廢渣大量流人環(huán)境，產(chǎn)生環(huán)境污染及健康危害?；诃h(huán)境保護(hù)的原因，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已建議禁止使用鎳鎘電池。第32頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池與鎳鎘電池的對(duì)比分析同鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1)能量密度高，同尺寸電池，容量是鎳鎘電池的1.5～2倍。2)環(huán)境相容性好,無鎘污染，3)可大電流快速充放電，充放電倍率高。4)無明顯的記憶效應(yīng)。5)低溫性能好，耐過充放能力強(qiáng)。6)工作電壓與鎳鎘電池相同，為1.2V。第33頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池是鎳鎘電池的換代產(chǎn)品，電池的物理參數(shù)，如尺寸、質(zhì)量和外觀完全可與鎳鎘電池互換，電性能也基本一致，充放電曲線相似，放電曲線非常平滑，電快要消耗完時(shí)，電壓才會(huì)突然下降，故使用時(shí)完全可替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。第34頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三

鎳氫電池的缺點(diǎn)是自放電與壽命不如鎳鎘電池,但也能達(dá)到500次循環(huán)壽命和國(guó)際電工委員會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)。第35頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三吸氫電極自放電包括可逆自放電和不可逆自放電?？赡孀苑烹姷闹饕蛟谟诃h(huán)境壓力低于電極中金屬氫化物的平衡氫壓，氫氣會(huì)從電極中脫附出來。當(dāng)吸氫電極與氧化鎳正極組成MH/Ni電池時(shí)，這些逸出的氫氣與正極活性物質(zhì)NiOOH反應(yīng)生成Ni(OH)2，形成放電反應(yīng)，該部分自放電可以通過再充電復(fù)原。不可逆自放電主要是由于負(fù)極的化學(xué)或電化學(xué)因素所引起。如合金表面電勢(shì)較低的稀土元素與電解液反應(yīng)形成氫氧化物等，例如Pb稀土在表面偏析，并生成La(OH)5，使合金組成發(fā)生變化，吸氫能力下降，這種吸氫能力下降無法用充電方法復(fù)原。第36頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池特性1.充放電特性(1)充電特性鎳氫電池充電特性曲線如圖6-3所示，該曲線大致可分為三段。第37頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三開始時(shí)電壓上升較快，然后比較平坦。這是由于Ni(OH)2導(dǎo)電性極差但充電產(chǎn)物NiOOH導(dǎo)電性是前者的l0倍，因而充電剛開始時(shí)，電壓上升很快。有NiOOH生成后，充電電壓上升速率降低，電壓變得比較平坦。隨著充電過程的進(jìn)行，當(dāng)充電容量接近電池的額定容量的75%左右時(shí)，儲(chǔ)氫合金中的氫原子擴(kuò)散速度減慢。由于氧在儲(chǔ)氫合金中的擴(kuò)散速度受負(fù)極反應(yīng)速度的限制，以及此時(shí)正極開始逐步析出氧氣，因而充電電壓就再次呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。當(dāng)充電量超過電池設(shè)計(jì)容量之后就進(jìn)入過充電階段。此時(shí)正極析出的氧會(huì)在負(fù)極儲(chǔ)氫合金表面進(jìn)行還原、去極化，使負(fù)極電位正移，電池溫度迅速升高，加之鎳氫電池反應(yīng)溫度系數(shù)是負(fù)值，因此電池的充電電壓就會(huì)下降。第38頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池常用恒流充電的方式進(jìn)行充電，在充電過程中電池所達(dá)到的最高電壓是鎳氫電池的一個(gè)重要特性。充電最高電壓往往標(biāo)志著整個(gè)充電過程的電壓=充電電壓越低，說明電池在充電過程中的極化就越小，電池的充電效率就越高，電池的使用壽命就可能越長(zhǎng)。第39頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三采用該方法，充電過程的終點(diǎn)控制是一個(gè)非常實(shí)際的問題．充電終點(diǎn)控制的方式主要有:1)定時(shí)控制。設(shè)置一定的充電時(shí)間來控制充電終點(diǎn)，一般設(shè)定要充入110%額定容量所需的時(shí)間來控制。2)TCO，即最高溫度控制。考慮電池的安全和特性應(yīng)當(dāng)避免高溫充電，一般電池溫度升高到60℃時(shí)應(yīng)當(dāng)停止充電。3)電壓峰值控制。充電過程中電池的電壓達(dá)到峰值并保持，即ΔV=0，據(jù)此來判斷充電的終點(diǎn)。4)dT/dt即深度變化率控制。通過檢測(cè)電池溫度變化率峰值來判斷充電的終點(diǎn)。5)ΔT，即溫度差控制。溫度差為電池充滿電時(shí)溫度與環(huán)境溫度之差．6)-ΔV，即電壓降控制。當(dāng)電池充滿電時(shí)，電壓達(dá)到峰值后會(huì)下降一定的值，據(jù)此判斷充電終點(diǎn)。第40頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(2)放電特性鎳氫電池工作電壓為1.2V，指的是放電電壓的平臺(tái)電壓。它是鎳氫電池的重要性能指標(biāo)。鎳氫電池的放電性能隨放電電流、溫度和其他因素的改變而變化。如圖4-4所示。電池的放電特性受電流／環(huán)境溫度等因素的影響，電流越大，溫度越低，電池放電電壓和放電效率越低，長(zhǎng)期大電流放電對(duì)電池的壽命也會(huì)造成一定的影響。截止電壓一般設(shè)定在0.9～1.V，如果截止電壓設(shè)定得太高,則電池容量不能被充分利用，反之，則容易引起電池過放。第41頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三圖4-4典型的放電性能（不同放電倍率放電曲線）第42頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三2.容量特性

電池的實(shí)際容量受到理論容量的限制，但與實(shí)際放電機(jī)制和應(yīng)用工況密切相關(guān)。在高倍率即大電流放電條件F，電極的極化增強(qiáng)，內(nèi)阻增大，放電電壓下降很快，電池的能量效率降低，電池的實(shí)際容量一般都低于額定容量。相應(yīng)地，在低倍率放電條件下，放電電壓下降緩慢．電池實(shí)際放出的容量常常高于額定容量。鎳氫電池的充電電流、擱置時(shí)間、放電終止電壓和放電電流等均會(huì)對(duì)放電容量產(chǎn)生影響。第43頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(1)充電電流對(duì)放電容量的影響充電負(fù)極反應(yīng)方程式中消耗電荷生成OH，電荷不能再釋放利用，因而電池的充電效率總是小于100%。隨充電電流倍率增大，電極極化增加，將加劇鎳氫電池中氧氣析出的復(fù)合反應(yīng)，導(dǎo)致充電效率和放電容量降低?；谠摲磻?yīng)原理，放電容量隨充電容量的變化也體現(xiàn)為隨充電過程進(jìn)行，電池SOC升高，電池可放電容量增加，初期可放電容量增加較快，隨充電過程中復(fù)合反應(yīng)出現(xiàn)，可放電容量增加速度減緩，最終可放電容量將達(dá)到穩(wěn)定值。第44頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(2)擱置時(shí)間對(duì)放電容量的影響擱置時(shí)間對(duì)鎳氫電池放電容量的影響本質(zhì)上就是鎳氫電池的自放電問題。擱置時(shí)間對(duì)放電容量的影響是由于金屬氧化物不穩(wěn)定引起的，這種不穩(wěn)定性在剛充完電或高荷電狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，而后漸趨平衡和穩(wěn)定，因而鎳氫電池放電容量隨擱置時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，擱置的開始階段容量下降較快。第45頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(3)放電電流對(duì)放電容量的影響電池內(nèi)阻主要包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻兩部分。歐姆內(nèi)阻對(duì)一特定的電池來說也是一個(gè)定值，電化學(xué)極化內(nèi)阻則與發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的極化狀態(tài)有關(guān)，而放電電流是影響電極極化狀態(tài)的一個(gè)重要因素。放電電流增大，電極極化也增大，電化學(xué)極化內(nèi)阻就大，其端電壓相對(duì)較低。對(duì)于相同的放電終止電壓來說，最終反映為放電容量測(cè)試結(jié)果較低。第46頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三(4)放電終止電壓對(duì)放電容量的影響放電終止電壓直接影響放電時(shí)間，而放電容量實(shí)際是放電電流與放電時(shí)間的乘積，因而放電容量隨放電終止電壓的降低而增加。但鎳氫電池的放電電壓不能無限地降低，一般選定在0.9V左右。過低將出現(xiàn)過放電現(xiàn)象，影響鎳氫電池的使用壽命。第47頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三3.內(nèi)壓鎳氫電池內(nèi)壓產(chǎn)生的基本原因是電池在充放電過程中，正極析出氧氣和負(fù)極析出氫氣。從而產(chǎn)生電池的內(nèi)壓。鎳氫電池的內(nèi)壓是直存在的，通常都維持在正常水平，不會(huì)引起安全問題。但在過充或過放情況下，電池內(nèi)壓升高到一定程度，就有可能帶來安全問題鎳氫電池的內(nèi)壓與充電方式及荷電狀態(tài)有關(guān)。第48頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三圖4-5不同鎳氫電池充電過程中內(nèi)壓的變化曲線第49頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三當(dāng)電池荷電狀態(tài)達(dá)到100%以前，內(nèi)壓增加平緩，當(dāng)荷電超過100%后，內(nèi)壓急劇增加。因此，過充電的鎳氫電池存在一定的安全隱患。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著電池充電、放電循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)壓也會(huì)逐漸升高，同時(shí)電池中氫、氧氣體比例也會(huì)發(fā)生變化。鎳氫電池中電解液的量也會(huì)影響電池內(nèi)壓，電解液過多會(huì)使內(nèi)壓升得很高。第50頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三4.自放電和儲(chǔ)存性能

電池的自放電主要是由電極材料、制造工藝、儲(chǔ)存條件等多方面因素決定的。鎳氫電池自放電受控于儲(chǔ)氫合金電極。儲(chǔ)氫合金電極的自放電可以分為可逆與不可逆兩部分?？赡娣烹娛怯捎陔姌O合金的平臺(tái)壓力大于電池內(nèi)壓造成的而不可逆部分是由于電極合金的不斷氧化而使合金失效所致。鎳氫電池在自然擱置狀態(tài)時(shí)容量的衰減速率很快。在2℃下，鎳氫電池的月自放電率達(dá)到20%～25%。第51頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三影響自放電速率的因素主要是電池儲(chǔ)存的溫度和濕度條件等。溫度升高會(huì)使電池內(nèi)正負(fù)極材料的反應(yīng)活性提高，同時(shí)電解液的離子傳導(dǎo)速度加快，隔膜等輔助材料的強(qiáng)度降低，使自放電反應(yīng)速率大大提高。如果溫度太高，就會(huì)嚴(yán)重破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，發(fā)生不可逆反應(yīng)，最終會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的整體性能。濕度的影響與溫度條件相似，環(huán)境濕度太高也會(huì)加快自放電反應(yīng)。一般來說，低溫和低濕的環(huán)境條件下，電池的白放電率低，有利于電池的儲(chǔ)存。但是溫度太低也可能造成電極材料的不可逆變化，使電池的整體性能大大降低。第52頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三針對(duì)隔膜材料對(duì)鎳氫電池自放電的影響，可以選用丙烯酸改性的聚丙烯(PP)隔膜來改善鎳氫電池的荷電保持能力，降低電池的可逆自放電可以通過選擇合適的合金組分，來使其平臺(tái)壓力小于電池內(nèi)壓來實(shí)現(xiàn)，降低電池的不可逆自放電可以通過選擇合適的合金組分實(shí)現(xiàn)。

鎳氫電池自放電率較高，這不僅與正、負(fù)極材料的組成，電解液的組成和隔膜材料有關(guān)，而且還與電池的化成方法等有關(guān)。第53頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電池的儲(chǔ)存性能是指電池在一定條件下儲(chǔ)存一定時(shí)間后主要性能參數(shù)的變化，包括容量的下降、外觀情況和有無變形或滲液情況。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均有對(duì)電池的容量下降和外觀變化及漏液比例的限制電池在儲(chǔ)存過程中容量下降主要是由電極自放電引起的，自放電率高對(duì)電池儲(chǔ)存非常不利，所以一般鎳氫電池都遵從即充即用的原則，不適宜較長(zhǎng)時(shí)間放置。鎳氫電池的存放條件為：存放區(qū)應(yīng)保持清潔、涼爽、通風(fēng)；溫度應(yīng)在10—25℃之間，一般不應(yīng)超過30℃；相對(duì)濕度以不大于65%為宜。第54頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三除了合適的儲(chǔ)存溫度和濕度條件外，必須注意的是：1)長(zhǎng)期放置的電池應(yīng)該采用荷電狀態(tài)儲(chǔ)存，一般可預(yù)充50%~100%的電量后儲(chǔ)藏。2)在儲(chǔ)存過程中，要保證至少每3個(gè)月對(duì)電池充電一次，以恢復(fù)到飽和容量；這是因?yàn)榉磐觌姷碾姵?放電到終止電壓)在儲(chǔ)存的過程中，一方面會(huì)繼續(xù)自放電造成過放，而且電池內(nèi)的正負(fù)極、隔膜和輔助材料經(jīng)常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電解液腐蝕和漏液現(xiàn)象，對(duì)電池的整體性能造成致命的損害。第55頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三5.溫度特性鎳氫電池在中高溫環(huán)境下，由于溫度高有利于合金中氫原子的擴(kuò)散，提高了合金的動(dòng)力學(xué)性能，且電解液中KOH的電導(dǎo)率也隨溫度升高而增加，電池放電容量明顯比低溫時(shí)放電容量大。但溫度過高(一般超過45℃)，雖然電解質(zhì)電導(dǎo)率大，電流遷移能力增強(qiáng)，遷移內(nèi)阻減小，但電解液溶劑水分蒸發(fā)快，增加了電解液的歐姆內(nèi)阻，兩者相互抵消，放電容量將不再增加。第56頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池的正常存儲(chǔ)溫度是-20～45℃，最佳存儲(chǔ)溫度是在10～25℃。一般情況下，當(dāng)溫度降到低于-20℃時(shí)，電池中的電解液會(huì)凝固，電池內(nèi)阻會(huì)變得無窮大，電池內(nèi)部可能發(fā)生不可逆的變化，導(dǎo)致電池?zé)o法激活到正常狀態(tài)，甚至無法使用。當(dāng)溫度超過45℃時(shí)，電池自放電速率大大加快，電解液會(huì)發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生大量氣體，電極片中的輔助材料可能變質(zhì)失效，從而導(dǎo)致整個(gè)電池逐漸老化和容量衰減，甚至在短期內(nèi)失效。第57頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三6.循環(huán)壽命

鎳氫電池的循環(huán)壽命受充放電濕度、溫度和使用方法的影響。在現(xiàn)在的技術(shù)狀態(tài)下，當(dāng)按照rEc標(biāo)準(zhǔn)充放電時(shí)，充放電循環(huán)可以超過500次。在電動(dòng)車輛上應(yīng)用，鎳氫電池一般采用淺充淺放的應(yīng)用機(jī)制，即SOC在40%～80%之間應(yīng)用，因此電池的使用壽命已經(jīng)可以達(dá)到5年以上,甚至達(dá)到10年以上。第58頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫電池失效的原因有多方面，主要?dú)w納如下：1)電解液的損耗。

氫鎳電池的電解液在電池的充放電循環(huán)過程中會(huì)在電極和隔膜中重新分配，增加了它們的表面積和孔隙率并導(dǎo)致電極膨脹，電池內(nèi)壓增大，從而導(dǎo)致氣體(氫氣和氧氣)的泄露，最終導(dǎo)致電解液的損耗。電解液的損耗將導(dǎo)致電池溶液內(nèi)阻增大，電導(dǎo)率降低。第59頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三2)電極材料的改變。氫鎳電池經(jīng)一定次數(shù)的充放電循環(huán)后,負(fù)極中的錳、鋁元素會(huì)發(fā)生偏析溶解，負(fù)極儲(chǔ)氫合金表面逐漸被腐蝕氧化，在電極表面形成一層氫氧化物,合金體積發(fā)生膨脹、收縮，最后導(dǎo)致合金粉化，嚴(yán)重影響了電池在充放電過程中的吸氫放氧性能。第60頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三3)隔膜的變化。隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池的隔膜結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，隔膜的電解液保持能力下降，電池自放電增大，電池壽命減小。另外，從電池電極上脫落下的電極材料逐漸堵塞隔膜上的孔隙，嚴(yán)重影響了鎳氫電池中氣體的滲透?jìng)鬏敚M(jìn)而增大了電池內(nèi)阻，影響電池充放電性能，導(dǎo)致電池失效。第61頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫動(dòng)力電池的檢測(cè)單體電池性能檢測(cè)充放電性能檢測(cè)充電20℃、-5℃、55℃充放電性能-30℃、70℃放電性能單體電池荷電保持與容量恢復(fù)能力檢測(cè)其荷電保持率應(yīng)不低于額定值的80%，容量恢復(fù)能力應(yīng)不低于額定值的90%貯存性能檢測(cè)循環(huán)壽命循環(huán)試驗(yàn)至放電容量低于額定容量的60%，不少于600次安全性：過放、過充、常溫短路、高溫短路、強(qiáng)制過放、跌落、擠壓、針刺、沖擊、振動(dòng)、加熱、低壓、溫度循環(huán)、析氣第62頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三蓄電池組的性能測(cè)試充放電性能檢測(cè)充電20℃放電容量一致性當(dāng)充電及放電到額定容量的80%時(shí)，測(cè)量電池組中每只電池的電壓。單體蓄電池電壓差別不超過20mV。安全性蓄電池組耐振動(dòng)試驗(yàn)蓄電池組的過放電、過充電、短路、加熱、擠壓、針刺等試驗(yàn)部分短路第63頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三3.堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用學(xué)習(xí)目的鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用2堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用概況1第64頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用概況最早的堿性蓄電池是瑞典W.Jungner于1899年發(fā)明的鎳鎘電池(Cd-Ni)和愛迪生1901年明的鎳鐵電池(Fe-Ni)。20世紀(jì)70~80年代。堿性蓄電池的鎳鎘蓄電池曾用作電動(dòng)車輛的動(dòng)力電池。但隨著新技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)金屬鎘造成環(huán)境危害和對(duì)人的危害的認(rèn)識(shí)，其使用量逐年減少，以歐盟、美因?yàn)橹鞯墓I(yè)國(guó)家，已經(jīng)出臺(tái)法規(guī)或相關(guān)法律禁止鎳鎘電池的生產(chǎn)和應(yīng)用。第65頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三1984年荷蘭飛利浦公司成功研制出LaNi5儲(chǔ)氫合金用于制各鎳氫電池(MH-Ni)，隨后鎳氫電池的研究取得了很大成果：由于鎳氫電池與鎳鎘電池電壓平臺(tái)相同，在充放電特性方面相似，并且對(duì)環(huán)境友好，它成為取代鎳鎘電池的理想產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代開始，鎳氫電池成為二次電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，在多種電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用，并成為混合動(dòng)力電池汽車的主流動(dòng)力電源。目前，商品化程度最高的豐田公司的PRIUS混合動(dòng)力汽車和本田公司的CIVIC混合動(dòng)力汽車就是采用的鎳氫動(dòng)力電池。第66頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三由于鎳鎘電池中鎘元素的污染問題和對(duì)人體的傷害，該類電池正逐步被其他種類電池取代。僅在某些領(lǐng)域，由于其特有的高功率特性和良好的低溫性能仍在應(yīng)用。如在航空領(lǐng)域用做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及隨航備用電源、電力裝置開關(guān)瞬間分合閘和事故照明電源、鐵路系統(tǒng)電力機(jī)車供電電源等。鎳氫電池逐步成為堿性動(dòng)力電池應(yīng)用的主體和主流。第67頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用由于鎳氫電池滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車高功率密度的要求，該類電池目前在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車尤其是在日系車型中應(yīng)用廣泛，如豐田凱美瑞混合動(dòng)力車、普銳斯、雷克薩斯CT200.本田思域CIVIC等。福特公司推出的Escape混合動(dòng)力汽車也采用了額定電壓在300V左右的鎳氫電池組。第68頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三豐田PRIUS普銳斯混合動(dòng)力汽車采用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。PRIUS普銳斯的HV蓄電池采用的就是288V，6.5A·h的鎳氫動(dòng)力電池。該電池組可以通過發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)充放電，且輸出功率大、重量輕、壽命長(zhǎng)、耐久性好。豐田凱美瑞混合動(dòng)力車也采用了鎳氫電池組。第69頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三新途銳混合動(dòng)力車采用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。第70頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三新途銳混合動(dòng)力車型是大眾汽車旗下第一款采用了電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的車型。途銳混合動(dòng)力通過結(jié)合電力驅(qū)動(dòng)、車輛滑行、能量回收和啟動(dòng)-停車系統(tǒng)四個(gè)方面的技術(shù)，使得這輛重達(dá)2.3噸的SUV在城市路況的燃油效率較同級(jí)別車型提高了25%；在城市、高速公路和鄉(xiāng)間的綜合路況，平均油耗則降低了17%。第71頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電驅(qū)動(dòng)：在這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車輛完全以電力驅(qū)動(dòng)前行(最高時(shí)速50公里/小時(shí))，實(shí)現(xiàn)了零排放，并且不消耗燃油。車輛滑行：駕駛者完全放開油門，在離合裝置的控制下，V6TSI發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器完全脫離，避免了不必要的摩擦損耗，以最小的能耗使車輛滑行距離更長(zhǎng)。能量回收：在制動(dòng)或減速過程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，將多余能量回收，存儲(chǔ)于高壓蓄電池中。起動(dòng)-停車：車輛制動(dòng)停止，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉；再次踩踏油門，車輛起動(dòng)前行。在擁堵的城市路況，節(jié)油效果明顯。第72頁，講稿共79頁，2023年5月2日，星期三電動(dòng)工具領(lǐng)域：鎳氫電池長(zhǎng)期以來在高功率和大電流性能方面一直不如鎳鎘電池，因此，小型電動(dòng)工具市場(chǎng)長(zhǎng)期以來幾乎被鎳鎘