镍氢电池的工作原理

镍氢电池的工作原理与同等容量的镍镉电池相比，镍氢电池具有双倍容量、更长的充放电循环寿命和无记忆效应。镍氢电池的正极活性物质是氢氧化镍(放电时)和氢氧化镍(充电时)。负极板的活性物质是H2(放电时)和H2O(充电时)。电解液采用30%氢氧化钾溶液。充放电过程中的电化学反应如下：JavaScript : this . width=picsize(this，600) border=0dypop=单击此处在新窗口中浏览图片从方程式中可以看出，在充电过程中，氢从负极释放并储存在容器中。正极由氢氧化镍转变为氢氧化镍和H2O；当放电时，氢在负电极上被消耗，并且正电极从氢氧化镍变为氢氧化镍。过充电时的电化学反应；JavaScript : this . width=picsize(this，600) border=0dypop=单击此处在新窗口中浏览图片从方程式可以看出，当电池过度充电时，氧从正极板分离出来，氢从负极板分离出来。由于带有催化剂的氢电极面积大，并且氢可以随时扩散到氢电极表面，氢和氧在蓄电池内很容易重新结合生成水，使得容器内的气体压力保持恒定，并且重新结合的速度非常快，使得蓄电池内的氧浓度不会超过千分之几。从以上反应式可以看出，镍氢电池的反应类似于镍镉电池，只是负极充放电过程中的产物不同。从后两个反应式可以看出，镍氢电池也可以制成密封结构。镍氢电池电解液大多采用氢氧化钾水溶液，并加入少量氢氧化锂。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了防止电池内部压力在充电过程的后期过高，在电池中安装了防爆装置。电池充电特性镍镉电池的充电特性曲线如图1所示。当恒定电流刚刚充入放电的电池时，由于电池内阻引起的电压降，电池电压迅速上升(点A)。之后，电池开始接受充电，电池电压继续以较低的速率上升。在这个范围内(在AB之间)，电化学反应以一定的速率产生氧，并且氧以相同的速率与氢结合。因此，电池内部的温度和气压非常低。JavaScript : this . width=picsize(this，600) border=0dypop=单击此处在新窗口中浏览图片图1镍镉电池充电曲线在电池充电过程中，当产生的氧气高于组合氧气时，电池的内部压力增加。电池中的正常压力*约为1磅/平方英寸。过充电时，电池内部压力会迅速上升至100磅/平方英寸或更高，具体取决于充电速率。镍镉电池中产生的气体是研究电池各种充电方法时的一个重要问题。气泡积聚在极板表面，这将减少参与化学反应的极板表面面积，并增加电池的内阻。过度充电时，如果电池中产生的大量气体不能快速混合，电池内部的压力将显著增加，从而损坏电池。此外，当压力过高时，密封的电池会打开气孔，从而让电解液逸出。如果电解液通过通气孔反复逸出，电解液的粘度增加，极板之间的离子传输变得困难，因此电池的内阻增加，容量降低。一段时间后(点C)，电解液中开始形成气泡，这些气泡聚集在极板表面，减少了极板的有效面积，因此电池的内部阻抗增加，电池电压开始快速上升。这是一个接近充足电力的信号。充电充足后，充入电池的电流不会转化为电池的储能，而是产生一个由于大量的氢氧根离子比少量的氢氧化镉更容易分解氧，电池中的温度急剧上升，从而降低了电池电压。因此，电池电压曲线具有峰值(点D)。在电解质中，氧的生成和复合是放热反应。当电池过度充电时(点E)，氧气不断产生，从而增加电池的温度和压力。如果气体被强制排放，电解液将减少，电池容量将减少，电池将被损坏。如果气体不能迅速释放，电池就会爆炸。当以低速率恒流细流充电时，电池中会产生树枝状晶体。这些枝晶可以通过隔板在板之间扩散。如果扩散严重，这些枝晶将导致电池部分或完全短路。镍氢电池的充电特性与镍镉电池相似。镍氢电池和镍镉电池充电时的电压和温度曲线如图1-2和1-3所示。可以看出，当充电终止时，镍镉电池的电压降远大于镍氢电池。当电池容量达到额定容量的80%时，镍镉电池的温度缓慢上升。当电池容量达到90%时，镍镉电池的温度迅速上升。当电池基本充满电时，镍镉/镍氢电池的温升速率基本相同。JavaScript : this . width=picsize(this，600)边框=0充电过程和充电方法电池的充电过程一般可分为四个阶段：预充电、快速充电、补充充电和涓流充电。当给长期未使用的或新的电池充电时，开始时快速充电会影响电池的寿命。因此，电池应该用小电流充电，以满足某些充电条件。这一阶段称为预充电。快速充电是用大电流充电并快速恢复电池电量。快速充电速率通常在1C以上，快速充电时间由电池容量和充电速率决定。为了避免过充电，一些充电器采用低电流充电。当镍镉电池正常充电时，它们可以接受C/10或更低的充电速率，因此充电时间超过10h。使用低电流充电，电池不会产生太多气体，电池温度也不会太高。只要电池连接到充电器，低速率恒流充电器就可以向电池提供非常小的涓流充电电流。当电池以低电流充电时，电池中产生的热量可以自然消散。涓流充电器的主要问题是充电速度太慢。例如，对于容量为1Ah的电池，当采用C/10充电率时，充电时间超过10小时。此外，当电池以低充电速率反复充电时，会产生枝晶。大多数涓流充电器没有任何电压或温度反馈控制，因此不可能在电池充满电后立即关闭充电器。快速充电包括恒流充电和脉冲充电。恒流充电是恒流充电，脉冲充电是先用脉冲电流给电池充电。然后让电池放电，如此循环。电池脉冲具有大幅度和窄宽度。通常，放电脉冲的幅度大约是充电脉冲的3倍。尽管放电脉冲的幅度与电池容量有关，但与充电电流幅度的比值保持不变。当脉冲充电时，充电电流波形如图1-4所示。JavaScript : this . width=picsize(this，600)边框=0在充电过程中，镍镉电池中的氢氧化镍被还原成氢氧化镍，氢氧化镉被还原成镉。在此过程中产生的气泡聚集在极板的两侧，从而减少了极板的有效面积并增加了极板的内阻。随着极板的有效面积变得越来越小，充电所需的时间也越来越长。加入放电脉冲后，气泡离开极板并与负极板上的氧气结合。这种去极化过程降低了电池的内压、温度和内阻。同时，充入电池的大部分电荷被转化为化学能，而不是气体和热量。脉冲宽度的选择当采用一些快速充电停止方法时，在快速充电终止后，电池没有完全充电。为了确保100%的电力充电，还应该增加一个补充充电过程。补充充电率一般不超过0.3C.在补充充电的过程中，温度会继续上升。当温度超过规定限值时，充电器将进入涓流充电状态。在储存过程中，镍镉电池的电量将按照C/30至C/50的放电速率减少。为了补偿电池因自放电而损失的电量，充电器应在充电完成后自动切换到涓流电过程。涓流充电也称为维护充电。根据电池的自放电特性，涓流充电率通常很低。只要电池连接到充电器并且充电器连接到电源，充电器就会在维护充电状态下以一定的充电速率对电池充电，从而使电池始终处于充足的充电状态。快速充电终止控制方法采用快速充电方法时，充电电流是常规充电电流的几十倍。在提供足够的电力后，如果快速充电没有及时停止，电池的温度和内部压力将迅速上升。当内部压力过高时，密封的电池会打开气孔，从而使电解液逸出，导致电解液的粘度增加，电池的内阻增加，容量降低。从镍镉电池的快速充电特性可以看出，在提供足够的电源后，电池电压开始下降，电池温度和内部压力迅速上升。为了确保电池充满电但不过度充电，可以采用各种方法，例如定时控制、电压控制和温度控制。(1)定时控制当充电率为1.25时，电池可充足1小时；当充电速率为2.5C时，30分钟就足够了。因此，根据电池容量和充电电流，很容易确定所需的充电时间。这种控制方法是最简单的，但是因为电池的初始充电状态不完全相同，一些电池充电不足，一些电池充电过度，只有当充电率小于0.3C时才允许这种方法(2)电压控制在电压控制方法中，最容易检测到的是电池的最高电压。常见的电压控制方法有：从充电特性曲线可以看出最高电压(Vmax)。当电池电压达到最大值时，电池充满电。充电过程中，当电池电压达到规定值时，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是，充足的电池充电的最大电压随环境温度和充电速率而变化，并且电池组中每个单个电池的最大充电电压也不同，因此不可能通过这种方法准确地判断电池已完全充电。负电压增量(-V)由于电池的负电压增量与电池组的绝对电压无关，并且不受环境温度、充电速率和其他因素的影响，因此可以更准确地判断电池已充满电。这种控制方法的缺点是，在电池电压负增加之后，电池已经过充电，因此电池的温度相对较高。此外，镍氢电池充满电后，电池电压需要很长时间才会出现负增量，过充电现象严重。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。在零电压增量(0V)的镍氢电池充电器中，为了避免因等待负电压增量时间过长而损坏电池，通常采用0V控制方法。这种方法的缺点是，在有足够的电力可用之前，电池电压在一定时间内可能变化很小，从而导致快速充电过早停止。由于这个原因，大多数镍氢电池快速充电器目前使用高灵敏度-0V检测。当电池电压略微下降时，快速充电将立即停止。(3)温度控制为了避免损坏电池，当电池温度过低时，不能开始快速充电。在文学学士之后温升(T)为消除环境影响，可采用温升控制方法。当电池的温升达到规定值时，快速充电将立即停止。为了控制温度上升，必须使用两个热敏电阻分别检测电池温度和环境温度。温度变化率(T/T)镍氢电池和镍镉电池充满电后，电池温度迅速上升，上升率T/T基本相同。当电池温度每分钟上升1时，应立即停止快速充电。这种充电控制方法近年来已被广泛采用。应当注意，由于热敏电