镍氢电池深度全面培训.ppt

编辑 王图强 1 培训教程 镍氢电池基础知识 编辑 王图强 2 教程大纲 电池是什么电池的分类镍氢电池之电化学反应机理镍氢电池之应用领域ROHS指令几个认证镍氢电池之结构镍氢电池之工艺流程镍氢电池之生产设备镍氢电池主要材料镍氢电池之性能指标镍氢电池过充过放电镍氢电池充电控制镍氢电池组保护德飞电池之标识镍氢个型号电池尺寸 编辑 王图强 3 电池是什么 什么是电池是一种把化学能直接转变成低压直流电能的装置电池的主要组成部分电极 正负极 电解液隔膜外壳 编辑 王图强 4 主要电池种类划分 编辑 王图强 5 什么叫镍氢电池 镍氢电池是指Ni OH 2为正极 储氢合金粉为负极的二次电池 正极采用镍氢氧化合物Ni OH 2负极采用储氢合金粉电解质为溶解有KOH LiOH NaOH等碱性无机溶液 隔膜为PE PP或尼龙 编辑 王图强 6 镍氢电池电化学反应机理 编辑 王图强 7 镍氢电池特点 高能量密度可快速充放大电流放电特性长循环寿命电化学特性稳定无污染 环保无记忆效应 编辑 王图强 8 应用领域 动力电池系列个人护理系列灯具系列无绳电话系列仪表民用电池系列医疗器械 编辑 王图强 9 动力电池系列 电工工具吸尘器园林工具 编辑 王图强 10 动力电池系列 航模电动自行车电动汽车 编辑 王图强 11 个人护理系列 电推剪剃须刀 编辑 王图强 12 灯具电池 矿灯应急灯网标灯 编辑 王图强 13 灯具电池 手电筒草坪灯 编辑 王图强 14 无绳电话 民用系列 无绳电话民用高容量民用低自放电高低温电池 编辑 王图强 15 ROHS指令 名词解释RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准 它的全称是 关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令 RestrictionofHazardousSubstances 该标准已于2006年7月1日开始正式实施 主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准 使之更加有利于人体健康及环境保护 该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅 汞 镉 六价铬 多溴联苯和多溴联苯醚共6项物质 并重点规定了铅的含量不能超过0 1 编辑 王图强 16 ROHS有害物质含量指标 重金属 Lead铅 铅酸电池含有 Mercury汞 Cadmium镉 镍镉电池 Chromium VI 六价铬 某些溴化阻燃剂 Polybrominatedbiphenyls PBB s 多溴联苯 Polybrominateddiphenylethers PBDE s 多溴联苯醚最高限量指标是 镉 0 01 100ppm 铅 汞 六价铬 多溴联苯 多溴联苯醚 0 1 1000ppm 编辑 王图强 17 几个安全认证 欧盟CE认证美国UL认证中国3C认证 编辑 王图强 18 欧盟CE认证 CE 标志是一种安全认证标志 被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照 CE代表欧洲统一 CONFORMITEEUROPEENNE 凡是贴有 CE 标志的产品就可在欧盟各成员国内销售 无须符合每个成员国的要求 从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通 编辑 王图强 19 美国UL认证 UL是美国保险商试验所 UnderwriterLaboratoriesInc 的简写 UL安全试验所是美国最有权威的 也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构 它是一个独立的 非营利的 为公共安全做试验的专业机构 它采用科学的测试方法来研究确定各种材料 装置 产品 设备 建筑等对生命 财产有无危害和危害的程度 确定 编写 发行相应的标准和有助于减少及防止造成生命财产受到损失的资料 同时开展实情调研业务 编辑 王图强 20 中国3C认证 所谓3C认证 就是中国强制性产品认证制度 英文名称ChinaCompulsoryCertification 英文缩写CCC 需要注意的是 3C标志并不是质量标志 而只是一种最基础的安全认证 编辑 王图强 21 镍氢电池结构 正极活性物质 Ni OH 2 导电剂 溶剂 粘结剂 基体负极活性物质 储氢合金粉 粘合剂 溶剂 导电剂 基体隔膜 PP PE 电解液 KOH LiOH NaOH 外壳五金件 钢壳 盖帽 极耳 编辑 王图强 22 镍氢电池结构图 编辑 王图强 23 镍氢电池结构 正极 正极基体 发泡镍 约1 6 1 7mm厚 或冲孔镀镍钢带 0 06 0 08mm厚 正极物质 球镍 亚钴 PTFE 正极集流体 镍带 约0 1mm厚 焊点 约4 8个 编辑 王图强 24 镍氢电池结构 负极 负极基体 铜网 钢网 约0 22 0 32mm厚 钢带 约0 04 0 08mm厚 负极物质 MH HPMC TEN SBR 编辑 王图强 25 镍氢电池结构 隔膜 材质 维尼纶或者PP 聚丙烯 或者尼龙厚度 一般为0 10 0 18mm 编辑 王图强 26 镍氢电池结构 电解液 性质 无色透明液体 具有较强腐蚀性 应用 主要用于可充电镍氢电池的电解液 规格 溶质组成KOH LiOH NaOH 40 1 3 重量比 溶剂组成 水OH 浓度7mol l质量指标 密度 25 g cm31 3 0 03电导率 25 10 4 0 5ms cm 编辑 王图强 27 镍氢电池生产工艺流程 配料 卷绕 封口 包装 上粉或拉浆 切小片 化成 注液 裁大片 编辑 王图强 28 配料工艺流程 正极干粉处理 正极混干粉 配P粘结剂 加入导电剂 加入合金粉 负极搅拌 正极上粉 负极拉浆 正极 负极 编辑 王图强 29 正极上粉工艺流程 送带 上粉 正极粉料 碾压 裁小片 编辑 王图强 30 负极拉浆工艺流程 送带 上浆 负极浆料 负极裁片 烘烤 碾压 编辑 王图强 31 制片工艺流程 正极裁小片 正极浸胶 正极焊极耳 负极裁小片 负极称重 正极贴胶纸 卷绕 卷绕 正极软化 正极称重 编辑 王图强 32 装配工艺流程 卷绕 滚槽 压芯 注碱 正 负极片 配片 隔膜 隔膜裁剪 放面片 涂胶 圈盖组合 焊盖帽 压盖帽 封口 编辑 王图强 33 化成工艺流程 高温烘烤 化成 高温烘烤 半成品入库 补充电 分容 测电压 抽测内阻 预充电 编辑 王图强 34 单体电池包装工艺流程 挑外观 测内阻 测电压 客户 装盒 包装 单体包装 编辑 王图强 35 组装电池包装工艺流程 单体电池包装 点焊连接片 打胶水 客户 组合套管收缩 点焊引出片 喷码印字 装盒装箱 单体电池全检电压内阻 编辑 王图强 36 镍氢电池生产所用设备 搅拌机拉浆机 上粉机 裁切机辊压机卷绕机点焊机注液机化成检测柜 编辑 王图强 37 镍氢电池主要材料 正极 球形氢氧化亚镍NiO H 2绿色球形粉末粒径7 15 m半导体 电子不导电 需要氧化亚钴导电 覆钴球镍黑色粉末 包覆氧化亚钴导电 充电后形成黑色NiOOH 氧化亚钴CoO灰褐色粉末易氧化 真空包装粒径 0 45 m充电时能形成导电网络 正常充电形成CoOOH导电网络 过放后容易被破坏 发泡镍99 Ni 金属灰色多孔状 孔率 95 用于导电和支撑球镍的骨架 编辑 王图强 38 镍氢电池主要材料 负极 贮氢合金MH金属灰色粉末粒径30 40 m导体 电子导电 主要成分为稀土 Ni Co Mn Al 炭黑黑色粉末粒径3 10 m导体 电子导电 形成葡萄链状结构导电 铜网棕红色99 99 铜网状结构导电 合金粉的支持骨架 编辑 王图强 39 镍氢电池主要材料 电液 隔膜 钢壳 KOH 氢氧化钾含量90 95 白色片状固体 属强碱 有强腐蚀性 易溶于水 放出大量的热 碱液为30 KOH 含有NaOH LiOH H2O OH 浓度7 8ml L 比重1 30g mL 隔膜1 PP材质 多空结构 可以离子通过 但是电子不能通过 耐强碱液腐蚀 2 高性能的有磺化处理 接枝处理 提高自放电 钢壳1 CPCEN钢材 内外壳镀镍 耐强碱液腐蚀 2 柔韧性好 耐深冲 3 耐腐蚀 不生锈 4 圆柱形 一端开口 厚度0 2mm 编辑 王图强 40 镍氢电池材料 盖帽 密封圈 盖帽 正面1 CPCC钢材 表面镀镍 耐强碱液腐蚀 2 分上下两层 点焊连接 3 上盖有3 5个排气口 4 圆型 下盖有一个防爆孔 盖帽 反面5 中间为防爆球 三元乙丙橡胶 密封圈1 中空圆形 内径和盖帽配套 外径和钢壳内径配套 2 底部有突出的台阶 3 材料为尼龙 66 编辑 王图强 41 镍氢电池材料 正极胶带1 材质 PP 2 宽度4 10mm 3 厚度 0 06mm3 防卷绕短路以及极耳碰到钢壳 4 耐强碱腐蚀 正极极耳1 材质 纯镍带 镀镍钢带 2 宽度2 5 6mm 3 厚度 0 1 0 12mm3 作用为正极集流4 抗氧化以及耐强碱腐蚀 编辑 王图强 42 镍氢电池性能 常规性能 容量电压内阻可靠性性能 循环寿命放电平台自放电贮存性能高低温性能安全性能过充短路过放针刺跌落振动 编辑 王图强 43 容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量 以符号C或It表示 常用的单位为安培小时 简称安时 Ah 或毫安时 mAh 电池的容量可以分为理论容量 额定容量 实际容量 IEC容量测试方法 编辑 王图强 44 IEC容量测试方法 放电 0 2C 1 0V cell充电 0 1C 16hrs搁置 1 4hrs放电 0 2C 1 0V cell环境温度 20 5 编辑 王图强 45 容量分类 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值 为了比较不同系列的电池 常用比容量的概念 即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量 单位为Ah kg mAh g 或Ah L mAh cm3 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量 它等于放电电流与放电时间的乘积 单位为Ah或者mAh 其值小于理论容量 额定容量也叫保证容量 是按国家或有关部门颁布的标准 保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量 编辑 王图强 46 电压 开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压 电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差 工作电压工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压 又称放电电压 见放电曲线 在电池放电初始的工作电压称为初始电压 电池在接通负载后 由于欧姆电阻和极化过电位的存在 电池的工作电压低于开路电压 充电电压充电电压指电池在充电时电池两端的电位差 见充电曲线 编辑 王图强 47 充电曲线 V Vmax V1一般情况 V取5mV或10mV V V1 Vmax 编辑 王图强 48 镍氢电池不同电流充电特性 由图看出 在较高电流充电后期必然出现充电电压下降和温度上升的现象 由此可以作为快速充电的控制方法 即用 V和t控制 电流越大 充电电压越高 编辑 王图强 49 镍氢电池不同温度充电曲线 由图看出 环境温度越高 充电电压越低 编辑 王图强 50 内阻 电流通过电池内部时受到阻力 使电池的电压降低 此阻力称为电池的内阻 电池的内阻不是常数 在放电过程中随时间不断变化 因为活性物质的组成 电解液浓度和温度都在不断地改变 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻 极化内阻又包括电化学极化与浓差极化 内阻的存在 使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压 充电时端电压高于电动势和开路电压 欧姆电阻遵守欧姆定律 极化电阻随电流密度增加而增大 但不是线性关系 常随电流密度的对数增大而线性增大 编辑 王图强 51 循环寿命 电池在完全充电后完全放电 循环进行 直到容量衰减为初始容量的60 此时循环次数即为该电池之循环寿命循环寿命与电池充放电制度有关IEC寿命测试标准实达内部寿命测试标准镍氢电池室温下1C充放电循环寿命可达300 500次 行业标准 最高可达800 1000次 编辑 王图强 52 德飞电池内部寿命测试方法 放电 0 2C 1 0V Cell搁置 20min1充电 1C 72min或 V 10mV Cell2搁置 30min3放电 1C 1 0V Cell4搁置 2 min循环 从1到4循环500次结束 编辑 王图强 53 IEC寿命测试标准 编辑 王图强 54 放电平台 镍氢电池完全充电后 放电至1 2V时的容量记为C1 放电至1 0V时的容量记为C0 C1 C0称为该电池之放电平台行业标准1C放电平台为70 以上 我们现在可以作到83 85 放电平台对电池使用效果影响最大 关系到用户实际使用效果或使用时间的长短 编辑 王图强 55 典型放电曲线 编辑 王图强 56 镍氢电池不同电流放电曲线 编辑 王图强 57 镍氢电池不同温度下的放电曲线 编辑 王图强 58 镍氢电池温度特性 Ni MH电池在20 条件下的放电性能最佳 由于低温下 0 以下 MH的活性低和高温时 40 以上 MH易于分解析出H2 致使电池的放电容量明显下降 甚至不能工作 编辑 王图强 59 自放电 电池完全充电后 放置一个月 然后用1C放电至1 0V 其容量记为C2 电池初始容量记为C0 1 C2 C0即为该电池之月自放电率国际IEC标准镍氢电池月自放电率为40 行业标准为30 我们可以做到20 以内 IEC荷电保持率测试 电池自放电与电池的放置性能有关 其大小和电池内阻结构和材料性能有关 编辑 王图强 60 IEC荷电保持率测试 在环境温度20 2 下 0 2C放电至1 0V Cell 0 1C充16小时 开路搁置28天后 再以0 2C放电至1 0V 要求放电时间不小于180min 额定容量的60 以上 编辑 王图强 61 记忆效应 记忆效应是针对镍镉电池而言的 由于传统工艺中负极为烧结式 镉晶粒较粗 如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电 镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台 电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点 尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上 在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量 同样在每一次使用中 任何一次不完全的放电都将加深这一效应 使电池的容量变得更低 要消除这种效应 有两种方法 一是采用小电流深度放电 如用0 1C放至0V 一是采用大电流充放电 如1C 几次 镍氢电池无记忆效应 编辑 王图强 62 镍氢电池过充电 过充电 即充电末期 时 两极上的反应为 氧化镍电极上 正极 4OH 4e 2H2O十O2 贮氢电极上 负极 2H2O O2 4e 4OH 电池过充电时的总反应 0 Ni MH电池的电容量一般均按正极容量限制设计 因此电池负极的容量应超过正极容量 正负极的容量比例可以达到1 1 2 甚至更高 这样在充电末期 正极产生的氧气可以通过隔膜在负极表面还原成H2O和OH 回到电解液中 从而避免或减轻了电池内部压力积累升高的现象 保持了电池内压的恒定 同时又使电解液浓度不致发生巨大变化 为了防止充电过程后期电池内压过高 电池中装有防爆装置 编辑 王图强 63 镍氢电池过放电 虽然过放电时 电池总反应的净结果为零 但要出现反极现象 由于在正极上产生的氢气会在负极上新化合 同样也保持了体系的稳定 另外 负极活性物质氢以氢原子态能以相当高的密度吸附于贮氢合金中 在这样的电极上 吸放氢反应能平稳地进行 放电性能较镉 镍电池而言得以提高 当电池过放电 即放电末期 时 电极反应为 氧化镍电极 正极 上 2H2O 2e H2 2OH 贮氢电极 负极 上 H2 2OH 2e 2H2O 电池过放电时的总反应 0 编辑 王图强 64 镍氢电池充电 第一阶段当恒定电流刚充入放完电的电池时 由于电池内阻产生压降 所以电池电压很快上升 A点 此后 电池开始接受电荷 电池电压以较低的速率持续上升 在这个范围内 AB之间 电化学反应以一定的速率产生氧气 同时氧气也以同样的速率与氢气化合 因此 电池内部的温度和气体压力都很低 编辑 王图强 65 镍氢电池充电特性 第二阶段经过一定时间后 C点 电解液中开始产生气泡 这些气泡聚集在极板表面 使极板的有效面积减小 所以电池的内阻抗增加 电池电压开始较快上升 这是接近充足电的信号 编辑 王图强 66 镍氢电池充电特性 第三阶段充足电后 充入电池的电流不是转换为电池的贮能 而是在正极板上产生氧气 氧气是由于电解液电解而产生的 在氢氧化钾和水组成的电解液中 氢氧离子变成氧 水和自由电子 反应式为4OH O2 2H2O 4e 虽然电解液产生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合 但是电池的温度仍显著升高 此外由于充电电流用来产生氧气 所以电池内的压力也升高 由于从大量的氢氧离子中很容易分解出氧气 所以电池内的温度急剧上升 这样就使电池电压下降 因此电池电压曲线出现峰值 D点 编辑 王图强 67 镍氢电池充电控制方法 充电终止控制方法 充足电后 如果不及时停止快速充电 电池的温度和内部压力将迅速上升 内部压力过大时 密封电池将打开放气孔 从而使电解液逸散 造成电解液的粘稠性增大 电池的内阻增大 容量下降 因此 为了既保证电池充足电 又不过充电 必须控制充电的终点 一般采用定时控制 电压控制和温度控制等多种方法 编辑 王图强 68 镍氢电池充电过程 电池的充电过程通常可分为预充电 快速充电 补足充电 涓流充电四个阶段 预充电 对长期不用的或新电池充电时 一开始就采用快速充电 会影响电池的寿命 因此 这种电池应先用小电流充电 使其满足一定的充电条件 这个阶段称为预充电 快速充电 就是用大电流充电 迅速恢复电池电能 快速充电速率一般在1C以上 快速充时间由电池容量和充电速率决定 编辑 王图强 69 镍氢电池电池充电过程 补足充电 采用某些快速充电止法时 快速充电终止后 电池并未充足电 为了保证充入100 的电量 还应加入补足充电过程 补足充电速率一般不超过0 3C 涓流充电 也称为维护充电 根据电池的自放电特性 涓流充电速率一般都很低 只要电池接在充电器上并且充电器接通电源 在维护充电状态下 充电器将以某一充电速率给电池补充电荷 这样可使电池总处于充足电状态 编辑 王图强 70 镍氢电池充电控制 定时控制 根据电池的容量和充电电流 很容易确定所需的充电时间 这种控制方法最简单 但是由于电池的起始充电状态不完全相同 有的电池充不足 有的电池过充电 因此 只有充电速率小于0 3C时 才允许采用这种方法 充电终止控制方法 编辑 王图强 71 镍氢电池充电控制 最高电压 Vmax 从充电特性曲线可以看出 电池电压达到最大值时 电池即充足电 充电过程中 当电池电压达到规定值后 应立即停止快速充电 这种控制方法的缺点是 电池充足电的最高电压随环境温度 充电速率而变 而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别 因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电 电压负增量 V 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关 而且不受环境温度和充电速率等因素影响 因此可以比较准确地判断电池已充足电 这种控制方法的缺点是 电池电压出现负增量后 电池已经过充电 因此电池的温度较高 此外镍氢电池充足电后 电池电压要经过较长时间 才出现负增量 过充电较严重 电压零增量 0 V 镍氢电池充电器中 为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池 通常采用0 V控制法 这种方法的缺点是 充足电以前 电池电压在某一段时间内可能变化很小 从而造成过早地停止快速充电 为此 目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏 0 V检测 当电池电压略有降低时 一般约为10mV 立即停止快速充电 电压控制 编辑 王图强 72 镍氢电池充电控制 温度控制 最高温度 Tmax 充电过程中 通常当电池温度达到45 时 应立即停止快速充电 电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测 这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长 温度检测有一定滞后 同时 电池的最高工作温度与环境温度有关 当环境温度过低时 充足电后 电池的温度也达不到45 温升 T 为了消除环境影响 可采用温升控制法 当电池的温升达到规定值后 立即停止快速充电 为了实现温升控制 必须用两只热敏电阻 分别检测电池温度和环境温度 温度变化率 T t 镍氢电池充足电后 电池温度迅速上升 当电池温度每分钟上升1 时 应当立即终止快速充电 这种充电控制方法 近年来被普遍采用 应当说明 由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的 因此 为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响 编辑 王图强 73 镍氢电池充电控制 综合控制 上述各种控制方法各有优缺点 为了保证在任何情况下 均能准确可靠地控制电池的充电状态 目前快速充电器中通常采用包括定时控制 电压控制和温度控制的综合控制法 编辑 王图强 74 镍氢电池组保护 PTC热敏电阻 也叫过流保护片PositiveTemperatureCoefficient 通过增大电阻来限制故障电流传输正常电流 120 C 大约 电阻 温度 PTC 基本功能 编辑 王图强 75 PTC聚合体工作原理 T Tm 居里温度 T Tm 宽敞的网络扩大的微晶限制了传输的通道 编辑 王图强 76 PTC聚合体工作原理 对温度有反应 温度升高聚合物膨胀 内阻升高 由于过电流引起的PTC温升 膨胀和转换到高电阻状态 稳定的高电阻状态持续到电流恢复到正常值时 编辑 王图强 77 PTC图片 电池中常用的有片状和环状两种 片状的直接串联到电池组里面 做连接片使用 环状在圆形锂电池盖帽中起保护作用 片状PTC 环状PTC 编辑 王图强 7