方鎳電池實(shí)驗(yàn)報(bào)告

題目：方形XXmAh鎳氫電池的制備及性能一.引言1.實(shí)驗(yàn)背景大量使用的鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，會(huì)使環(huán)境受到污染，因此人們用儲(chǔ)氫合金做成的鎳氫充電電池（Ni－MH）替代鎳鎘電池。從電池電量來(lái)講，相同大小的鎳氫充電電池電量比鎳鎘電池高約1.5～2倍，且無(wú)鎘的污染。根據(jù)鎳氫電池在原材料供應(yīng)、性能特點(diǎn)等方面所具有的優(yōu)勢(shì)，鎳氫電池在小容量電池市場(chǎng)方面得到快速發(fā)展，還有望作為動(dòng)力電源在混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)工具中應(yīng)用。2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)有關(guān)電池的基本概念和知識(shí)：正負(fù)極、黏合劑、電解液、隔膜、工作原理等，使自己對(duì)生活中常見的電池有更深入的認(rèn)識(shí)；（2）親身實(shí)踐電池的制作：輥壓極板、點(diǎn)焊鎳網(wǎng)、切割有機(jī)玻璃和制作電池外殼等，使自己對(duì)電池制作的過(guò)程有一定的認(rèn)識(shí)。二.實(shí)驗(yàn)部分1.鎳氫電池的工作原理：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，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+H2O+e-負(fù)極：M+xH2O+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H2O，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+H2O+e-過(guò)充電時(shí):4OH--4e-→2H20+O2負(fù)極：M+xH2O+xe-?MHx+xOH-過(guò)充電時(shí)：2H2O+O2+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A·h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%。2.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑：2.1實(shí)驗(yàn)儀器：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）；有機(jī)玻璃（電池殼材料）；鋸子（切割有機(jī)玻璃）；環(huán)氧樹脂+固化劑（粘結(jié)劑）；鉆孔器（在電池殼上打孔）砂紙（打磨有機(jī)玻璃片，使其邊緣光滑，易于粘接，避免漏液）；2.2實(shí)驗(yàn)試劑：氫氧化鎳（正極活性物質(zhì)，放電比容量220mAh/g）；貯氫合金粉（負(fù)極活性物質(zhì),放電比容量280mAh/g）；隔膜(PE隔膜，作用：隔開正負(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；Ni粉（提高極板導(dǎo)電性）；Co粉（提高極板導(dǎo)電性和物質(zhì)反應(yīng)可逆性）；30%KOH溶液（用于配置電解液）3.實(shí)驗(yàn)步驟：3.1正負(fù)極板的裁剪:裁剪正負(fù)極泡沫鎳，約3cm*2.5cm共5片，其中正極2片，負(fù)極3片，分別用電焊機(jī)焊接上鎳條3.2正負(fù)極板的制備（1）正極板的制備:稱取3.6gNi(OH)2固體粉末與0.49gPTFE，0.21gNi粉和0.13gCo3O4添加劑混合均勻，再加入粘結(jié)劑CMC乳液適量調(diào)制成漿，然后均勻涂覆在2片泡沫鎳上。（2）負(fù)極板的制備：稱取5.4g貯氫合金粉與和0.47gPTFE混合，再加入適量的粘結(jié)劑CMC乳液調(diào)制成漿，然后涂覆到3片泡沫鎳上。（3）烘干：把制備好的極板置于燒杯中，于烘箱中約150℃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。3.3電池盒的制備：根據(jù)極板的大小，確定電池盒的規(guī)格用鋸子在有機(jī)玻璃板上鋸出電池盒的六個(gè)面，并用砂紙打磨平滑，將五個(gè)面用粘合劑（環(huán)氧樹脂+固化劑）粘連起來(lái)，自然放置一周晾干，晾干后檢驗(yàn)是否漏液，不漏即完成電池盒的制備。余下一片用點(diǎn)焊點(diǎn)出3個(gè)孔。3.4電解液的配制：稱取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。3.5電池盒的組裝：將7片極板用隔膜分別抱住，再按照負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)的順序排好，整理好放入電池盒中，加入KOH電解液，并將正極和負(fù)極的鎳條從電池蓋的兩孔中分別穿出，用環(huán)氧樹脂固定。組裝完成后進(jìn)行充放電測(cè)試。三.實(shí)驗(yàn)記錄與分析：1.正負(fù)極板數(shù)據(jù)記錄：正極材料用量材料Ni(OH)2CoO4NiPTFE總質(zhì)量CMC用量/g3.600.130.210.494.430.30材料貯氫合金粉總質(zhì)量PTFECMC用量/g5.405.870.470.392.正負(fù)極板的外觀：正極板為綠色長(zhǎng)方形薄片，負(fù)極為灰色長(zhǎng)方形薄片，表面平整。3.電池循環(huán)充放電曲線圖圖14.電池放電容量隨充放電循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖圖25.電池單次充放電曲線圖圖36.數(shù)據(jù)分析：①由圖1可看到電池在循環(huán)充放電過(guò)程中，充放電曲線比較有規(guī)律，電壓保持在一定水平，在5000min時(shí)依然保持電壓值較恒定，說(shuō)明電池性能比較穩(wěn)定，充放電電壓穩(wěn)定②由圖2看出，在前6次循環(huán)充放電過(guò)程中充放電電流逐漸增大，然后在150mA-650mA之間，隨著次數(shù)的增加，電流開始有下降。后面充放電趨于穩(wěn)定在580mA左右?？梢婋姵爻浞烹娦阅芎芎?。③由圖3可看出，電池充放電時(shí)間相接近，電池起初充電很快后才變緩慢下來(lái)，電池放電也是如此，起初放電相對(duì)較快，后才趨于緩慢。由以上三個(gè)圖可知，總的來(lái)說(shuō)，電池性能很穩(wěn)定。四.實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)：本次實(shí)驗(yàn)制備得的電池總體性能穩(wěn)定，可能和以下原因有關(guān)：恰好選擇了比較好的各物質(zhì)成分的配比，使得有效的活性物質(zhì)揮了很好的作用。②在泡沫鎳上涂上電池材料時(shí)，原料涂得比較深入，使得泡沫鎳上有足夠的電池材料，保證了電子傳遞道路的通暢。③電池外殼的制作剛好與所做的電池正負(fù)極大小相配，使得加入的電解液的量剛剛好。五.參考文獻(xiàn)：[1]何廣平