镍氢动力电池基础知识讲座(20091028)

1、研发中心湖南神舟科技股份有限公司2009.10.28内容提要1，电池的定义、分类和基本术语2，电池的基本性能参数3，镍氢电池的发展历史、构成及特点4，镍氢电池充放电原理及基本特征5，电动汽车基本知识以及对电池的要求6，神舟镍氢动力电池基本电化学特征1.1，电池定义：化学能电 能？ 电池是通过电化学氧化还原反应将活性材料内存储的化学能直接转化为电能的装置。 本质上为一个能量转化器 通常在电池的能量转化过程中伴随着热能的产生。1.2电池分类1.2.1，从电极反应的可逆性而言可分为一次电池 和二次电池(蓄电池)；1.2.2，从电池的形状讲可分为圆形电池、方形电 池、扣式电池等；1.2.3，根据电池体

2、系不一样可分为碱性电池、酸 性电池等；1.2.4，根据电池用途不一样可分为常用电池、备 用电池等；1.2.5，根据能量功率的不同可分为能量型电池和 功率型电池； 1.3，电池基本术语CC：恒流充电，恒定电流的充电过程；CV：恒压充电，恒定电压的充电过程；Discharge：放电（一般用恒流放电表示）；Capacity：容量（电流对时间的积分）；DOD：放电深度 Depth of discharge;SOC：荷电状态 State of charge;Cut off Voltage：放电截止电压；Energy density：能量密度； In Volumetric，体积能力密度 In Gravim

3、etric，重量能力密度Power density：功率密度; In Volumetric，体积功率密度 In Gravimetric，重量功率密度C-rate：倍率充放电；HT/LT-charge/discharge performance： 高低温充电/放电能力；Cycling：循环；Self-discharge：自放电；Over-charge：过充电；Short Circuit：短路。Pulse-charge/discharge：脉冲充电/放电2.1，表征电池的基本性能参数：2.1.1，电池电压：通常具有开路电压和工作电压之分； 电池开路电压与温度和电池状态等因素有关。 电池工作电压又称

4、作放电电压或者负载电压， 工作电压与工作电流有关。2.1.2，电池容量 ：电池容量是指在一定放电条件下从电池 中获得的电能的多少。 分理论容量、实际容量、额定容量 理论容量是按照活性物质的理论化学能计算； 实际容量是电池在一定条件下实际能够放出的电能； 额定容量是规定电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的电量。2.1.3 ，电池内阻：电池内阻是电池(尤其是功率型电池)非 常重要的参数之一。 通常包括三部分： 欧姆电阻、电化学极化电阻，浓差极化电阻。2.1.4，电池能量： 电池在一定条件下对外做功所能输出的电能， W=CU2.1.5，电池的功率： 电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内电

5、 池输出的电量。 P=W/t 表示电池承受工作电流的大小。2.1.6，电池寿命： 电池的寿命与电池的使用方式密切相关。3.1，镍氢电池的发展历史： 主要分为3个阶段： (1)，上世纪60年代未至70年代末为可行性研究阶段； (2)，上世纪70年代末至80年代末为实用性研究阶段； 1984年开始，荷兰、美国、日本研究开发储氢合金电极、 1988年Ovonic公司，1989年日本等先后开发成功镍氢电池、 (3)，上世纪90年至今的产业化阶段； 中国上世纪80年代末研制成功电池用储氢合金，1990 年研制成功AA型镍氢电池。 通过国家“863”(国家高技术研究发展计划)计划的支持，目前镍氢电池正逐步

6、应用于电动汽车领域，并且发展速度较快。 3.2.1， 镍氢电池主要由五部分构成： (1)，氢氧化镍以及辅助材料构成正极； (2)，储氢合金以及辅助材料构成负极； (3)，电池隔膜；(4)，电解液；(5)，电池外壳。3.2，镍氢电池构成及特点：电池太极示意图正极片构成：活性材料为氢氧化镍，导电添加剂为Co类 材料，粘接剂，泡沫镍等；负极片构成：AB5型储氢合金为活性材料，导电添加剂为 Ni类材料，粘接剂，泡沫镍或镀镍钢带等；电池隔膜：阻止正负极之间直接电子导电，吸收电解液使 得正负极之间形成离子导电通道；电解液：主要是强碱性水溶液，腐蚀性强，在正负极之间 提供荷电粒子，在电极表面荷电粒子得失电子

7、而 发生电化学反应，产生电流。电池外壳：常用金属壳和塑料壳两种。需要耐碱腐蚀，易 于加工等3.2.2，电池基本组成部分及作用：3.2.3，镍氢电池基本特点： 电压：标称电压为1.2V， 工作电压一般在11.45V之间， 大电流放电工作电压范围：0.8V 1.7V之间， 放电最低电压不能低于0.2V， 充电最高电压不能高于1.8V。容量：根据需要可以设计成不同容量的电池，但是受 材料自身导电性能的限制，目前技术水平似乎 无法实现容量超过100Ah的电池。自放电：镍氢电池具有比铅酸、锂离子电池更大的自 放电。 4.1，镍氢电池充放电原理Discharge process： 正极：NiOOH + H

8、2O+e Ni(OH)2 + OH- 负极：MH + OH-e M + H2O 电池反应：MH + NiOOH M+Ni(OH)2Charge process: 正极：Ni(OH)2 + OH-e NiOOH + H2O 负极：M + H2O+e MH + OH- 电池反应：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH在正常的充放电过程中H2O并没有参与电池反应。过充电过程： 正极：4OH- 2H2O + O2 + 4e 负极： 2H2O + O2 + 4e 4OH-过放电过程： 正极：2H2O + 2e H2 + 2OH- 负极：合金被氧化、氢气被氧化等反应4.2，镍氢电池充放电基本特征：(

9、1)，电池内正极和负极属于串联式结构；(2)，通常负极设计容量高于正极，电池的放电容量 以正极总放电容量为准。以满荷电态为例，正负极容量状态可能为：情况A：电池放电完成时，正负极中均没有电量，放电 末期电压变化很快且不规则，当负极不荷电时 很容易被氧化，影响电池的使用寿命。情况C：当电池充满电时，稍有过充电，则正极上析氧 气，同时负极上析出氢气，严重影响电池内压， 同时带来不安全因素。情况B：既存在剩余充电容量，也存在剩余放电容量，同 时解决了上述两种情况的不足，是我们设计电池 必须考虑的因素之一。(3)，电池在使用过程中，按照情况B所示原理，满足 “氧循环”机制。(4)，电池负极中生产的氢气

10、在正极消耗的速度远远小 于正极产生的氧气在负极的消耗速度。O2 + 4MH 4M + 2H2O （较快的反应）H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2 （较慢的反应）？电池高温自放电测试过程中鼓胀后能否放气高温自放电鼓胀主要原因是负极析氢所致。主要发生负极析氢以及少量正极被还原；主要使氢气还原正极使得正负可利用容量一致。5.1，电动汽车基本知识：能源短缺、环境污染引起汽车的革命电动汽车(1)，什么是电动汽车？(2)，电动汽车的分类：纯电动汽车混合电动汽车HEV and PHEV 燃料电池车(3)，以电池为至少一种动力的电动汽车对电池的基本要求。神舟公司主要开发HEV用镍氢方形动力电池汽车动力电

11、池基本概念： 1，动力电池一般指具有较高的容量和输出功率能力，可用作电动车辆驱动电源的二次电池 2，一般情况下，混合动力汽车车用动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环混合动力系统对电池的特别要求： （1）大功率充放电能力：质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能力的指标，相对、于比能量要求，混合动力汽车对比功率要求更高。 （2）充放电效率：动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。 （3）相对稳定性：动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。评价HEV

12、用动力电池技术的指标主要有以下几点： （1）质量比功率（W/kg）：电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功率。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高 车速，对电动汽车的动力性能等有直接影响。在混合动力汽车中，电池的比功率是最关键的因素，因为电池的电耗尽后可以在内燃机工况下重新进行充电。 （2）质量比能量（Wh/kg）：标志着纯电动模式下的续驶能力。 （3）循环次数：动力电池的工作是一个不断充电-放电-充电-放电的循环过程，每充电和放电一次，动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。充电和放电的效率，最后部分或完全丧失其充电和放电 功能。动力电池的工作循环

13、次数是衡量动力电池寿命的重要指标，对动力电池的使用有直接影响。 （4）成本：电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比功率的动力电池成本较高。PEVE电池参数Cobasys电池参数6.1，神舟公司产品基本情况 湖南神舟科技股份有限公司在湖南神舟科技股份有限公司在“十五十五”、“十一五十一五” ” 期间获国家及地方政府期间获国家及地方政府33003300多万元多万元资助资助, , 用于电动汽车用镍氢动力电池及其管理系用于电动汽车用镍氢动力电池及其管理系统的研究开发和产业化准备。所开发的方型塑壳统的研究开发和产业化准备。所开发的方型塑壳镍氢动力电池是国家重点新产品

14、，具有低内阻、镍氢动力电池是国家重点新产品，具有低内阻、低内压、超长寿命等显著特点。经权威机构检测低内压、超长寿命等显著特点。经权威机构检测和广大汽车厂家使用以及示范运营的实践证明，和广大汽车厂家使用以及示范运营的实践证明，产品质量处国内领先、国际先进水平。产品质量处国内领先、国际先进水平。 (1)(1)、混合动力乘用车使用的高功率电池开发、混合动力乘用车使用的高功率电池开发 在在“十一五十一五”期间，神舟公司开发了混合动力乘期间，神舟公司开发了混合动力乘用车用的用车用的6Ah6Ah和和8Ah8Ah方形塑壳电池，已经完成产品化技方形塑壳电池，已经完成产品化技术冻结工作，并已通过国家发改委强制目

15、录检测。产术冻结工作，并已通过国家发改委强制目录检测。产品已实现小批量配套生产，到目前为止已生产品已实现小批量配套生产，到目前为止已生产200200多套，多套，用于国内整车企业的电动车配套。电池系统性能稳定，用于国内整车企业的电动车配套。电池系统性能稳定，多台配套混合动力乘用车的单车行驶里程已超过多台配套混合动力乘用车的单车行驶里程已超过6 6万公万公里。里。 (2)(2)、混合动力客车用高功率电池开发、混合动力客车用高功率电池开发 神舟公司在“十五”期间开发了混合动力客车用40Ah电池，“十一五”期间开发了混合动力客车用30Ah电池，目前已经和国内的东风电动车辆股份有限公司和一汽集团进行了配

16、套。装备神舟公司40Ah电池组的东风EQ6110混合动力公交车已经实现单套电池累计续驶里程超过18万公里的记录，电池运行状态正常，测试仍在继续。 6.2，神舟产品性能特征(1)，乘用车产品电池低温放电性能6Ah/8Ah电池已达到的技术水平 (2)，混合动力客车用产品高温5C充电低温-25度2C放电30Ah30Ah和和40Ah40Ah电池已达到的技术水平电池已达到的技术水平神舟公司技术开发规划神舟公司技术开发规划1 1、继续加强对电池和电池系统的开发工作，确保行业领先地位；、继续加强对电池和电池系统的开发工作，确保行业领先地位；2 2、在、在1 11.51.5年时间内完成现有主要产品年时间内完成现有主要产品(6Ah(6Ah、30Ah30Ah、40Ah)40Ah)技术升级；技术升级；3 3、从现在起利用、从现在起利用3 3年时间，形成方型和圆柱型镍氢动力电池产品系列化，年时间，形成方型和圆柱型镍氢动力电池产品系列化， 产品综合性能达到日本产品综合性能达到日本Panasonic EV Energy(PEVE)2007Pa