6.4鎳-氫電池
    鎳-氫電池是90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負極活性物質(zhì)主要由儲氫合金制成，也是一種堿性蓄電池。
    鎳-氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽為“綠色電源”，鎳-氫電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，比能量可達到70～80 W·h/kg，有利于延長混合動力汽車的行駛里程，比功率可達到200 W/kg，是鉛酸電池的2倍，能夠提高車輛的啟動性能和加速性能。有高倍率的放電特性，短時間可以以3C （C為按額定電流放電時的實際放電容量）放電，瞬時脈沖放電率很大，鎳一氫電池的過充電和過放電性能好，能夠帶電充電，并可以快速充電，在15 min內(nèi)可充60％的容量，1h內(nèi)可以完全充滿，應(yīng)急補充充電的時間短。在80％的放電深度下，循環(huán)壽命可達到1000次以上，采用全封閉外殼，可以在真空環(huán)境中正常工作。低溫性能較好，能夠長時間存放，鎳一氫電池中沒有Pb和Cd等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染，鎳一福電池可以隨充隨放，不會出現(xiàn)鎳一福在沒有放完電后即充電而產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”。

    1．鎳-氫（Ni-MH）電池的工作原理
    鎳-氫電池的正極，是球狀氫氧化鎳粉末與添加劑鉆等金屬、塑料和豁全劑等制成的涂膏，用自動涂膏機涂在正極板上，然后經(jīng)過干燥處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。在正極材料Ni（OH）中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，對穩(wěn)定電極的性能有明顯的改進。采用高分子材料作為勃合劑或用擠壓和軋制成的泡沫鎳電極，并采用鎳粉、石墨等作為導(dǎo)電劑，可以提高大電流時的放電性能。
    鎳一氫電池的負極的關(guān)鍵技術(shù)是儲氫合金，要求儲氫合金能夠穩(wěn)定地經(jīng)受反復(fù)的儲氣和放氣的循環(huán)。對于理想的金屬儲氫材料應(yīng)具備以下條件：①在不太高的溫度下，儲氫量大，釋放氫量也大；②原料來源廣，價格便宜，容易制備；③經(jīng)多次吸、放氫，其性能不會衰減；④有較平坦和較寬的平衡壓力平臺區(qū)，即大部分氫均可在一持續(xù)壓力范圍內(nèi)放出；⑤易活化，反應(yīng)動力學(xué)性能好。儲氫合金是一種允許氫原子進入或分離的多金屬合金的晶格基塊，用欽-釩-鋯-鎳-鉻（Ti-V Co-Ni-Cr）五種基本元素，與鉆、錳等金屬元素?zé)�結(jié)的合金，經(jīng)過加氫、粉碎、成形和燒結(jié)成負極板。儲氫合金的種類和性能，對鎳一氫電池的性能有直接的影響。負極在充電或放電過程中既不溶解，也不再結(jié)晶，電極不會有結(jié)構(gòu)性的變化，在保持自身化學(xué)功能的同時，還保證本身的機械堅固性，儲氫合金一般需要進行熱處理和表面處理，以增加儲氫合金的防腐性能，這有利于提高鎳一氫電池的比能量、比功率和使用壽命。
    電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物，在電池充電過程中，水在電解質(zhì)溶液中分解為氫離子和氫氧離子，氫離子被負極吸收，負極由金屬轉(zhuǎn)化為金屬氫化物，在放電過程中，氫離子離開了負極，氫氧離子離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質(zhì)氫氧化鉀中結(jié)合成水并釋放電能。鎳-氫電池的化學(xué)反應(yīng)如下。

    如圖63所示為鎳一氫電池在堿性電解液中進行反應(yīng)的模型。

    2．鎳-氫電池的構(gòu)造
    鎳-氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳Ni（OH）2，負極為儲氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀，在正負極之間有隔膜，共同組成鎳一氫單體電池，在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳-氫電池的特性與鎳-隔電池基本相同，但氫氣是沒有毒性的物質(zhì)，無污染，安全可靠，使用壽命長，而且不需要補充水分。
    鎳-氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳一氫電池放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，特別是存放一段時間后，老化現(xiàn)象比較嚴重，會有近20％的電荷流失，電池在出廠前必須進行預(yù)充電，以避免發(fā)泡體極板的鎳一氫電池老化所造成的內(nèi)阻增高，經(jīng)過改進的鎳-氫電池的燒結(jié)體極板本身就是活性物質(zhì)，不需要進行活性處理也不需要進行預(yù)充電，電壓平衡、穩(wěn)定，具有低溫放電性能好、不易老化和壽命長的優(yōu)點。
    如圖64所示為圓形鎳-氫電池的構(gòu)造。鎳一氫電池的基本單元是單體電池，每個單體電池都由正極板、負極板和裝在正極板和負極板之間的隔板組成。每節(jié)電池的額定電壓為13.2V（充電時最大電壓16V），然后將電池按使用要求組合成不同電壓和不同容量的鎳一氫電池總成。該種鎳一氫電池比能量達到70 W·h/kg，能量密度達到165 W·h/L，比功率在50％的放電深度下為220 W/kg，在80％的放電深度下為200 W/kg，可以大幅提高混合動力汽車的動力性能，通常鎳-氫電池的外形有方形和圓形兩種。

    3．鎳-氫電池的充、放電特性
    松下電池公司生產(chǎn)的混合動力汽車用D型鎳一氫電池的技術(shù)性能見表10。


    （1）放電特性。D型鎳一氫電池（6個單體電池組件）放電時，3C的功率輸出時的質(zhì)量比功率可達到500 W/kg以上，2C的功率輸出時的質(zhì)量比功率可達到600 W/kg以上，深度范圍內(nèi)質(zhì)量比功率的變化比較平穩(wěn)，對混合動力汽車的動力性能的控制十分有利，電池的壽命可以達到100000 km以上。
    （2）充電特性。D型鎳一氫電池的充電接受性很好，充電效率幾乎達到100%，能夠有效地接受混合動力汽車在制動時反饋的電能。另外，由于能量損耗較小，鎳一氫電池的發(fā)熱量被抑制在最小范圍內(nèi)，可以有效地控制剩余電量，并用電流來顯示電池的剩余電量。
    （3）壽命。混合動力汽車動力電池組經(jīng)常處于充電、放電狀態(tài)，而且充電、放電是不規(guī)則地進行的，這對電池的壽命來說是一個嚴酷的考驗，松下電池公司用模擬混合動力汽車行駛工況對鎳一氫電池進行仿真試驗，證實鎳一氫電池的特性幾乎不發(fā)生變化，鎳一氫電池用于混合動力汽車是比較合適的。
    4．鎳-氫電池的特點
    鎳-氫電池的單體電池的電壓為1.2V，能量密度達到200 W·h/L，3 h比能量75～80 W·h/kg，比功率160～230 W/kg，功率密度400～600 W/kg，充電18 min可恢復(fù)40%～80％的容量，應(yīng)急補充充電性能好，一次充電后行駛里程長，而且啟動加速性能較好，在環(huán)境溫度為－28～80℃的條件下均可正常工作，循環(huán)壽命可達到6000次或7年，但在高溫條件下使用時電荷量急劇下降，自放電損耗較大，價格較貴。鎳-氫電池的比功率和放電能力不及鎳-鎘電池，鎳-氫電池在使用時還應(yīng)充分注意各個單體電池之間的一致性（均勻性），特別是在高速率、深放電情況下，各個單體電池之間的容量和電壓差較明顯，應(yīng)注意對電池組在充、放電過程中的導(dǎo)熱管理和電池安全裝置的設(shè)計。
    鎳-氫電池的成本很高，約達600～800美元（kW·h）。不同的儲氫合金具有不同的儲存氫的能力，價格也不相同，我國自行研制了稀土系的儲氫合金，己達到世界水平，為我國生產(chǎn)鎳-氫電池推廣提供了有利條件，表11為國內(nèi)外采用鎳-氫電池的電動汽車的基本情況。

    鎳-氫電池用于電動汽車上的主要優(yōu)點是：啟動加速性能好，一次充電后的行駛里程較長，而且過充過放沒有記憶效應(yīng)，不會對周圍環(huán)境造成污染，易維護，快速補充充電時間短。
    鎳-氫電池在充電過程中容易發(fā)熱，發(fā)熱產(chǎn)生的高溫會對鎳-氫電池產(chǎn)生負面影響。高溫狀態(tài)下，正極板的充電效率變差，并加速正極板的氧化，使電池的壽命縮短，鎳-氫電池在充電后期，會產(chǎn)生大量的氧氣，在高溫的條件下，將加速負極儲氫合金氧化，并使氫合金平衡壓力增加，使儲氫合金的儲氫量減少而降低鎳-氫電池的性能，尼龍無紡布隔膜在高溫的作用下，會發(fā)生降解和氧化，尼龍無紡布隔膜發(fā)生降解時，產(chǎn)生錢離子和硝酸根離子，加速了鎳-氫電池的自放電，尼龍無紡布隔膜發(fā)生氧化時，氧化成碳酸根，使鎳一氫電池的內(nèi)阻增加，在鎳-氫電池充電的過程中，電池溫度迅速升高，會使充電效率降低，并產(chǎn)生大量氧氣，如果安全閥不能及時開啟，會有發(fā)生爆炸的危險。
    在鎳-氫電池的制造技術(shù)上進行一些改進，例如，正極板采用多極板技術(shù)，負極板采用端面焊接技術(shù)，在電解液中適當(dāng)加入LiOH和NaOH，采用抗氧化能力強的聚丙烯做隔膜等，可以有效地提高鎳一氫電池耐高溫能力，在鎳一氫電池動力電池組的單體鎳一氫電池之間，加大散熱間隙，采取有效的散熱措施和建立自，動熱管理系統(tǒng)，可以保證鎳一氫電池正常工作并延長使用壽命。

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