方镍电池实验报告

题目：方形XXmAh镍氢电池的制备及性能一.引言1.实验背景大量使用的镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，会使环境受到污染，因此人们用储氢合金做成的镍氢充电电池（Ni－MH）替代镍镉电池。从电池电量来讲，相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.5～2倍，且无镉的污染。根据镍氢电池在原材料供应、性能特点等方面所具有的优势，镍氢电池在小容量电池市场方面得到快速发展，还有望作为动力电源在混合动力汽车和电动工具中应用。2.实验目的（1）学习有关电池的基本概念和知识：正负极、黏合剂、电解液、隔膜、工作原理等，使自己对生活中常见的电池有更深入的认识；（2）亲身实践电池的制作：辊压极板、点焊镍网、切割有机玻璃和制作电池外壳等，使自己对电池制作的过程有一定的认识。二.实验部分1.镍氢电池的工作原理：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+H2O+e-负极：M+xH2O+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H2O，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+H2O+e-过充电时:4OH--4e-→2H20+O2负极：M+xH2O+xe-⇌MHx+xOH-过充电时：2H2O+O2+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A·h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%。2.实验仪器与试剂：2.1实验仪器：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）；有机玻璃（电池壳材料）；锯子（切割有机玻璃）；环氧树脂+固化剂（粘结剂）；钻孔器（在电池壳上打孔）砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；2.2实验试剂：氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量220mAh/g）；贮氢合金粉（负极活性物质,放电比容量280mAh/g）；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；Ni粉（提高极板导电性）；Co粉（提高极板导电性和物质反应可逆性）；30%KOH溶液（用于配置电解液）3.实验步骤：3.1正负极板的裁剪:裁剪正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm共5片，其中正极2片，负极3片，分别用电焊机焊接上镍条3.2正负极板的制备（1）正极板的制备:称取3.6gNi(OH)2固体粉末与0.49gPTFE，0.21gNi粉和0.13gCo3O4添加剂混合均匀，再加入粘结剂CMC乳液适量调制成浆，然后均匀涂覆在2片泡沫镍上。（2）负极板的制备：称取5.4g贮氢合金粉与和0.47gPTFE混合，再加入适量的粘结剂CMC乳液调制成浆，然后涂覆到3片泡沫镍上。（3）烘干：把制备好的极板置于烧杯中，于烘箱中约150℃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。3.3电池盒的制备：根据极板的大小，确定电池盒的规格用锯子在有机玻璃板上锯出电池盒的六个面，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，自然放置一周晾干，晾干后检验是否漏液，不漏即完成电池盒的制备。余下一片用点焊点出3个孔。3.4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。3.5电池盒的组装：将7片极板用隔膜分别抱住，再按照负-正-负-正-负的顺序排好，整理好放入电池盒中，加入KOH电解液，并将正极和负极的镍条从电池盖的两孔中分别穿出，用环氧树脂固定。组装完成后进行充放电测试。三.实验记录与分析：1.正负极板数据记录：正极材料用量材料Ni(OH)2CoO4NiPTFE总质量CMC用量/g3.600.130.210.494.430.30材料贮氢合金粉总质量PTFECMC用量/g5.405.870.470.392.正负极板的外观：正极板为绿色长方形薄片，负极为灰色长方形薄片，表面平整。3.电池循环充放电曲线图图14.电池放电容量随充放电循环次数关系曲线图图25.电池单次充放电曲线图图36.数据分析：①由图1可看到电池在循环充放电过程中，充放电曲线比较有规律，电压保持在一定水平，在5000min时依然保持电压值较恒定，说明电池性能比较稳定，充放电电压稳定②由图2看出，在前6次循环充放电过程中充放电电流逐渐增大，然后在150mA-650mA之间，随着次数的增加，电流开始有下降。后面充放电趋于稳定在580mA左右。可见电池充放电性能很好。③由图3可看出，电池充放电时间相接近，电池起初充电很快后才变缓慢下来，电池放电也是如此，起初放电相对较快，后才趋于缓慢。由以上三个图可知，总的来说，电池性能很稳定。四.实验评价：本次实验制备得的电池总体性能稳定，可能和以下原因有关：恰好选择了比较好的各物质成分的配比，使得有效的活性物质挥了很好的作用。②在泡沫镍上涂上电池材料时，原料涂得比较深入，使得泡沫镍上有足够的电池材料，保证了电子传递道路的通畅。③电池外壳的制作刚好与所做的电池正负极大小相配，使得加入的电解液的量刚刚好。五.参考文献：[1]何广平