华南师范大学方形镍氢电池的制作与测试实验报告.doc

华 南 师 范 大 学 实 验 报 告学生姓名学 号专 业新能源材料与器件年级、班级2014课程名称化学与物理电源基础实验实验项目 方形镍氢电池的制作与测试实验类型 验证 设计 综合实验时间2016年4月26日实验指导老师赵瑞瑞实验评分1. 【 实验目的 】1. 熟悉、掌握镍氢电池的结构及充放电原理；2. 熟悉、掌握镍氢电池制造的一般工艺步骤及其工艺方法；3. 熟悉、掌握镍氢电池的电池充放电性能测试方法。2. 【 实验原理 】 镍氢电池的正极活性物质为 Ni(OH) 2 ，负极为贮氢合金，正负电极用隔膜分开，根据不同使用条件的要求，采用 KOH 并加入 LiOH 或 NaOH 的电解液。电池充电时，正极中 Ni(OH) 2被氧化为 NiOOH，而负极则通过电解水生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。放电时，正极中的 NiOOH 被还原为 Ni(OH) 2 ，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。电极反应如下：(“ ”表示充电；“ ”表示放电)正极：Ni(OH) 2 + OH- NiOOH + H2 O + e-负极：M + xH 2 O + xe- MHx + xOH- 实际应用中镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系， 但在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气， 因此如何消除这些气体关系到电池的密封问题。 这可以通过优化电池设计得到解决， 主要为采用用正极限制电池容量和电解液加入量的方法， 同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。 其中， 电解液的加入量以使电池处于一定的贫液状态， 主要是为了正极析出的气体能构迁移到负极表面被反应掉， 以利于实现氧在电池内部的循环和负极尽量不析出氢气。 把正负电极的容量之比一般控制在 1:1.3-1:1.4 之间， 这样电池在充电末期和过充电时， 正极析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为 H 2 O，负极则因有较多的剩余容量而不容易析出氢气，从而保证电池具有合适的充电内压和电解液损耗率，最终保证电池的高循环寿命。充放电过程中，镍氢电池正负电极上发生的反应：(“ ”表示充电；“ ”表示放电) 正极：Ni(OH) 2 + OH- NiOOH + H2 O + e-过充电时: 4OH- - 4e- 2H2 0 + O 2负极：M + xH 2 O + xe- MHx + xOH-过充电时：2H 2 O + O 2 + 4e- 4OH-电池：xNi(OH) 2 + M NiOOH + MHx正极活性物质用量,根据法拉第定律,其理论用量:Mo(g) = 3600MQ/ nF ,其中 M- 摩尔质量,n 电极反应过程中得失电子数,Q 所设计电池容量 Ah 数,F法拉第常数,96487C ,实际过程中要考虑利用率等因素,比计算值多 10% 20%. 负极活性物质用量应考虑电池充电后期产生过量气体的影响,必须过量 20%50%。根据充放电时正负电极的反应不难看出， 影响电池性能的因素是很多的， 其中正负电极活性物质在反应过程中的稳定性能和反应活性，以及影响活性物质充分发挥作用的其它因素，包括制备电极时的辅助添加剂和粘结剂，组装电池时所使用的电解液、隔膜和密封材料等，都对电池的性能具有很大的影响。3. 【 仪器与试剂 】1 3.1 实验仪器与工具点焊机（焊接泡沫镍与镍条）；压片机（压缩极板）；烘箱（烘干电极板）；计算机控制充放电仪器（测试电池盒性能，绘制伏安曲线图）；有机玻璃（电池壳材料）；锯子（切割有机玻璃）；砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；环氧树脂+固化剂（粘结剂）；钻孔器（在电池壳上打孔）2 3.2 实验试剂（实验控制负极容量：正极容量=1.5:1）氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量 220mAh/g，本实验取200mAh/g，正极材料中活性物质占比90%）；贮氢合金粉（负极活性物质, 放电比容量 280mAh/g，本实验取200mAh/g，正极材料中活性物质占比95%）；隔膜(PE 隔膜，作用：隔开正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道)；60（PTFE + CMC）粘结剂（在正极和负极粉总质量各占比5%）；CoO 粉（提高极板导电性和物质反应可逆性）；Ni 粉（提高极板导电性）；8molL-1 KOH 混合电解液（98%KOH+2%LiOH）。4. 【 实验步骤 】根据电池的外壳尺寸和对性能的要求， 确定正负极板和隔膜的尺寸以及活性物质的装填量，然后制备正负极板、裁制隔膜并配制电解液，再把正负极板与隔膜卷绕或折叠在一起放入电池壳中，加入适量的电解液后封口，最后把电池化成后检测性能。具体步骤如下：4 .1 正负极板和隔膜的裁剪4.1.1 根据电池比容量，裁剪正负极泡沫镍，约 3cm*2.5cm 共 5 片，其中中级两片，负极 3片，分别用电焊机焊接镍条，称量泡沫镍的质量，记录数据。4.1.2 再根据泡沫镍的大小，剪出比泡沫镍略大的隔膜。4 4 2 .2 正负极板的制备4.2.1 正极板的制备按 Ni(OH) 2 90%与 CoO5%和 Ni5%的比例计算所需的质量，根据粉添加剂总质量，按 5%比例计算所要添加粘结剂（PTFE + CMC，60）质量。称取 5.487g Ni(OH) 2 固体粉末与 0.3044g CoO 和 0.3011g 的 Ni 粉添加剂混合均匀，再加入约 1.5g 的粘结剂 PTFE (0.5g)+ CMC（1g）和适量的去离子水调制成浆，然后均匀涂覆在 2 片泡沫镍上。4.2.2 负极板的制备按贮氢合金粉 95%，Ni 粉 5%的比例计算所需的质量，再根据以上总重量，按 5%比例计算所要添加粘结剂（PTFE + CMC，60）质量。称取 5.032g 贮氢合金粉与和 0.2507g Ni粉混合，再加入约 1.5g 的粘结剂 PTFE(0.4656g)+ CMC(1.0663g）和适量的水调制成浆，然后涂覆到 3 片泡沫镍。4.2.3 烘干把制备好的极板做好编号，置于烧杯中，于烘箱中约 85烘干、一周后，取出用保鲜膜包住并用压片机进行压片，称量，减去泡沫镍的质量，计算得到正负极的放电比容量。4 4 .3 电池盒的制备根据极板的大小，确定电池盒的规格约为 5cm*5cm*1.5cm，用锯子在有机玻璃板上锯12电池盒的六个面，并用砂纸打磨平滑，将五个面用粘合剂（环氧树脂+固化剂）粘连起来唉，自然放置一天晾干，晾干后检验是否漏液，不漏即完成电池盒的制备。余下一片请人用电钻钻孔 2 个。4 4 .4 电解液的配制称取 KOH 固体（含量=85%）约 8.75g,LiOH 约 0.75g,加去离子水配成 25g 溶液，搅拌均匀，冷却至室温后待用。4 4 .5 电池盒的组装将 5 片极板按负-正-负-正-负的顺序排好，并在每两片中间加入隔膜，整理好放入电池盒中，加入电解液，并将正极和负极镍条穿过电池盖，用环氧树脂固定即可，并插入一支毛细管用于排气。组装完成后进行充放电测试。5. 【 数据记录与处理 】5.1 电池外观尺寸长x宽x高=5cmx1.5cmx5cm5.2 正负极板数据记录：正负极材料的用量，电池理论容量镍条在运输途中断裂，实验失败5.2 电池充放电曲线：充放电参数设置、电池的循环充放电性能、 （循环次数-容量图）镍条在运输途中断裂，实验失败6. 【 实验评注与拓展 】实验注意事项已列入实验步骤里面，相关知识补充以实际生产补充在实验步骤里面。7. 【 提问与思考 】1. 镍氢电池的化学原理镍氢电池：(-)MH|KOH|NiOOH(+)正极：负极：总反应：2. 常用镍氢电池负极储氢材料的比较(1) 金属（或合金）储氢材料 氢几乎可以同周期表中的各种元素反应，生成各种氢化物或氢化合物。但并不是所有金属氢化物都能做储氢材料，只有那些能在温和条件下大量可逆的吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料用。例如：目前以开发的具有实用价值的金属型氢化物有稀土系AB5型；锆、钛系Laves相AB2型；钛系AB型；镁系A2B型；以及钒系固溶体型等几种。金属与氢反应的实验模型如图1-1所示。(2) 非金属储氢材料 从目前的研究的情况分析，能够可逆的吸放氢的非金属材料9,10仅限于碳系材料、玻璃微球等非金属材料，是最近几年刚发展起来的新型储氢材料。例如碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表面积的活性炭、玻璃微球等。这类储氢材料均属于物理吸附模型，是一种很有前途的新一代储氢材料。 (3) 有机液体储氢材料 某些有机液体11,12，在合适的催化剂作用下，在较低压力和相对高的温度下，可做氢载体，达到贮存和输送氢的目的。其储氢功能是借助储氢载体（如苯和甲苯等）与H2的可逆反应来实现的。(4) 其他储氢材料 除了上述3类储氢材料外，还有一些无机化合物和铁磁性材料可用作储氢，如KHNO3或NaHCO3作为储氢剂13。磁性材料在磁场作用下可大量储氢，储氢量比钛铁材料大67倍