1、第七讲第七讲 镍氢电池镍氢电池胡友根胡友根南昌大学材料学院南昌大学材料学院 氢是一种干净的燃料，水氢循环氢是一种干净的燃料，水氢循环永不枯竭。因此氢受到很大的关注。永不枯竭。因此氢受到很大的关注。将氢作为蓄电池的负极活性物质是实将氢作为蓄电池的负极活性物质是实现水氢循环能量体系的重要方法。现水氢循环能量体系的重要方法。以氢作为活性物质的蓄电池中，碱性以氢作为活性物质的蓄电池中，碱性水溶液的水溶液的H H2 2-Ni-Ni体系最具代表性。体系最具代表性。分为两种：一种以气体氢作为活性分为两种：一种以气体氢作为活性物质，内压高。以具有吸、脱氢能力物质，内压高。以具有吸、脱氢能力的金属氢化物作为活性
2、物质，表示为的金属氢化物作为活性物质，表示为MHMHNi,Ni,氢镍体系在理论和实际上氢镍体系在理论和实际上具有较高的比能量。具有较高的比能量。1.1.高压氢镍电池高压氢镍电池 高压氢镍电池是本世纪高压氢镍电池是本世纪7070年代初年代初由美国研制出来。由美国研制出来。优点：优点：具有较高的比能量；寿命长；耐具有较高的比能量；寿命长；耐过充过放，可通过氢压来指示电池过充过放，可通过氢压来指示电池的状态。的状态。应用：应用：美国已在卫星上有应用，日本及美国已在卫星上有应用，日本及我国也有这个体系。我国也有这个体系。在适应卫星大型化和长寿命方面，在适应卫星大型化和长寿命方面，该体系比该体系比Cd-
3、NiOOHCd-NiOOH体系更有利。在航体系更有利。在航天上有应用前景。天上有应用前景。高压氢镍电池在充电时不断析出高压氢镍电池在充电时不断析出氢气，并被贮存在作为电池壳体的耐氢气，并被贮存在作为电池壳体的耐压容器内；放电时，氢在铂钯贵金压容器内；放电时，氢在铂钯贵金属催化剂的作用下被氧化，形成水。属催化剂的作用下被氧化，形成水。缺点：缺点：航天用氢镍电池是高压氢镍电池，航天用氢镍电池是高压氢镍电池，氢压可达氢压可达39.439.4 105Pa 105Pa。压力很高，。压力很高，以这样高压力的氢气，贮存在薄壁容以这样高压力的氢气，贮存在薄壁容器内使用，对于民用来说安全性是个器内使用，对于民用
4、来说安全性是个问题；采用铂等催化剂贵金属催化剂，问题；采用铂等催化剂贵金属催化剂，最初投资较高。自放电损失与氢气压最初投资较高。自放电损失与氢气压力成正比，所以电池的密封需要解决。力成正比，所以电池的密封需要解决。改进：改进：在电池容器中事先放入一定量的在电池容器中事先放入一定量的吸氢材料（比如吸氢材料（比如LaNiLaNi5 5),),充电时放出充电时放出的氢气可被吸氢材料吸收，从而控的氢气可被吸氢材料吸收，从而控制了氢压的上升。低压氢镍电池，制了氢压的上升。低压氢镍电池，其压力可控制在其压力可控制在5.9 5.9 105Pa105Pa以下。以下。电池放电时消耗氢气，在放电同时电池放电时消耗
5、氢气，在放电同时放出足够的热量，这部分热量可促放出足够的热量，这部分热量可促使氢化物分解析出氢气。使氢化物分解析出氢气。2.2.金属氢化物镍电池金属氢化物镍电池 利用金属间氢化物和氢气形成的氢化物利用金属间氢化物和氢气形成的氢化物为负极材料，在电池工作范围内，其稳定为负极材料，在电池工作范围内，其稳定存在的氢分压为存在的氢分压为1 1105Pa105Pa，可用来制造压，可用来制造压力更低的金属氢化物镍电池。目前民用的力更低的金属氢化物镍电池。目前民用的主要品种。主要品种。历史：六十年代后期，发现储氢合金；历史：六十年代后期，发现储氢合金；19841984年，通过采用年，通过采用CoCo来取代来
6、取代LaNi5LaNi5中的部中的部分分NiNi，提高了，提高了LaNi5LaNi5寿命。从而在世界上寿命。从而在世界上掀起了掀起了MH-NiMH-Ni电池研制的热潮。电池研制的热潮。二十世纪九十年代，二十世纪九十年代，MH-NiMH-Ni电池进电池进入产业化阶段。日本居于世界前列，入产业化阶段。日本居于世界前列，19901990年，日本三洋公司开始批量生产，年，日本三洋公司开始批量生产，美国、德国相继开始生产。我国今年美国、德国相继开始生产。我国今年来发展很快，相继建立的一些电池生来发展很快，相继建立的一些电池生产企业。如天津和平海湾，深圳比亚产企业。如天津和平海湾，深圳比亚迪等。迪等。镍氢
7、电池主要用于笔记本，摄像机，镍氢电池主要用于笔记本，摄像机，便携移动装置上，另外在大功率动力便携移动装置上，另外在大功率动力型电池方面也有很好的应用前景。型电池方面也有很好的应用前景。二、镍氢电池电极反应二、镍氢电池电极反应 1.1.高压氢镍电池高压氢镍电池 正极反应：正极反应：2NiOOH2NiOOH2H2H2 2O O2e2Ni(OH)2e2Ni(OH)2 22OH2OH 负极反应：负极反应：H H2 22 OH2H2 OH2H2 2O Oe e 过充电：过充电：OH1/4OOH1/4O2 2H H2 2O Oe e H H2 2O Oe 1/2He 1/2H2 2OHOH 1/2H1/2
8、H2 2O1/4OO1/4O2 21/4H1/4H2 2 过充电时发生电解反应，正极生过充电时发生电解反应，正极生成氧气，负极生成氢气。氧在负极成氧气，负极生成氢气。氧在负极和氢化合生成水。随着过充电的进和氢化合生成水。随着过充电的进行，行，KOHKOH浓度和水的总量不变。浓度和水的总量不变。过放电：过放电：OHOH1/4O1/4O2 2H H2 2O Oe e H H2 2O Oe 1/2He 1/2H2 2OHOH 过放电时，正极上产生氢气，在过放电时，正极上产生氢气，在负极上以同样的速率被消耗，电解负极上以同样的速率被消耗，电解液浓度没有变化。液浓度没有变化。过充或过放电（产生反极），电
9、过充或过放电（产生反极），电池内的电解液浓度不会发生改变，池内的电解液浓度不会发生改变，这是镍氢电池的突出特点。这是镍氢电池的突出特点。2.2.金属氢化物氢镍电池金属氢化物氢镍电池正极反应正极反应:2NiOOH 2NiOOH2H2H2 2O O2e2Ni(OH)2e2Ni(OH)2 22OH2OH正极反应与高压氢镍电池相类似。正极反应与高压氢镍电池相类似。负极反应氢是储存在储氢合金中，而不是存负极反应氢是储存在储氢合金中，而不是存在于电池壳体内的气体。在于电池壳体内的气体。负极反应负极反应:H:H2 22 OH2 OH2 H2 H2 2O O2e2e Hs Ha Hs HaHs Hs 固体里的
10、氢，固体里的氢，Ha Ha 气体氢气体氢总反应总反应 过充电，过充电，Ni(OH)Ni(OH)2 2产生氧气，与储氢合金中的产生氧气，与储氢合金中的氢反应，产生水；氢反应，产生水；过放电，过放电，NiOOHNiOOH产生氢气，可以被负极过量的产生氢气，可以被负极过量的储氢合金吸收。储氢合金吸收。储氢合金是由易于生成稳定氢化储氢合金是由易于生成稳定氢化物的元素，如（物的元素，如（La,Zr,Mg,V,TiLa,Zr,Mg,V,Ti)等等与其他元素（非氢化物形成元素，与其他元素（非氢化物形成元素，如如CrCr，MnMn，FeFe，CoCo，NiNi，CuCu，ZnZn，AlAl等）组成的金属间化合
11、物。等）组成的金属间化合物。复习题复习题1.1.氢镍电池的分类。氢镍电池的分类。2.2.高压氢镍电池原理及其缺点。高压氢镍电池原理及其缺点。3.3.金属氢化物电池原理及其优点。金属氢化物电池原理及其优点。4.4.氢镍电池的电极反应（高压、金属氢化物）？氢镍电池的电极反应（高压、金属氢化物）？5.5.氢化物分类？氢化物分类？6.6.储氢合金主要由哪些元素组成？储氢合金主要由哪些元素组成？7.7.实际使用对储氢合金的要求？实际使用对储氢合金的要求？8.8.对镍氢电池用储氢合金有什么要求对镍氢电池用储氢合金有什么要求9.LaNi9.LaNi5 5合金的发展过程？合金的发展过程？10.10.镁基合金的优缺点及其改进？为什么镁基镁基合金的优缺点及其改进？为什么镁基 合金循环寿命低？合金循环寿命低？11.11.为什么镍氢电池比能量比镍镉高？为什么镍氢电池比能量比镍镉高？12.12.目前金属氢化物镍电池设计原则。目前金属氢化物镍电池设计原则。
