Ni-H电池.ppt

1、高功率Ni-H電池的發展,郏成明,前言,鎳氫電池具有高能 量密度，壽命長，快速 充電這些優點，所以非 常適合用在油電混合車 (HEV)上。 氫貯存合金對電力 性能和使用期限有非常 重要的影響。,鎳氫電池介紹,正極：鎳氫電池正極活性物質為氫氧化鎳粉末 負極：負極儲氫合金為影響鎳氫電池性能之關鍵所 在，其主要構成為兩大類金屬共同熔煉所 得，大致可分為AB5 、AB2、A2B及 AB 系列 合金 A類： 表強吸氫能力金屬如 Mg、Al、Ti、V、La系 金屬。 B類：則為具觸媒能力之過渡金屬元素，如Fe、 Co、Ni、Mn、Al、Cr、V等。,鎳氫電池介紹,鎳氫電池由氫氧化鎳正 極，儲氫合金負極，隔

2、膜 紙，電解液，鋼殼，頂蓋， 密封圈等組成。在圓柱形電 池中，正負極用隔膜紙 分開捲繞在一起，然後密封 在鋼殼中的。在方形電池 中，正負極由隔膜紙分開後 疊成層狀密封在鋼殼中,鎳氫電池介紹,原理：儲氫合金在氫氧化鉀電解液中充電時，合金 表面進行電化學反應。脫離水分子的微小氫 原子在合金表面移動，進而擴散溶解於合金 內,並與合金反應生成金屬氧化物。 優點：具有高能量密度，壽命長，快速充電，安全 無公害。,鎳氫電池介紹-反應式,正極反應Ni(OH)2 + OH- NiOOH +H2O + e- 負極反應M + H2O + e- Mhab + OH- 電池反應Ni(OH)2 + M NiOOH +

3、MHab M:儲氫合金 Mhab:金屬氫化物,結果與討論,NiMH電池系統的高功率性能是作為電動車的主要關鍵，最初為氫的 演變，且氫電池合金材料分裂水和氫原子的吸附在電極材料的表面 Eq(1)。 M + H2O + e MHads +OH (1) 被吸附氫的能用不同的方式起反應 。NiMH充電電 池最初的反應是根據 氫化物形成的階段(2)為依據。 MHads MHhydride (2) 然而，氫擴散到大多數的合金比電荷轉移慢的多，氫氣也可以通過泰費 定律轉換成公式(3)和(4)： 2MHads 2M + H2 (3) MHads +H2O + e M + H2 +OH (4),鎳氫電池的循環壽

4、命,鎳氫電池的週期和壽命已經有詳細研究，因為 改善循環壽命的重點儲氫合金已發展了許多年。但 它仍然是鎳氫電池持續研究的主題，特別對合金成 分的影響進行了密集的研究。在過去幾年裡越來越 多的基本原則證實合金成分影響了鎳氫電池的循環 壽命。鎳氫電池生命限制的延長，與腐蝕合金活性 物質有關。 忽略具體化學成分和合金的腐蝕反應簡化 式：2M + H2O MH + MOH,水的消耗量和生產的氫氣，都與合金腐蝕的影響有關。 這會嚴重損失活性合金材料，並可能因此影響鎳氫電池的壽 命。 當考慮電池的設計和平衡細節，在通常情況下，多餘的 合金用於密封鎳氫電池。因此，這些電池正極的能量是有 限。 鎳氫電池在充電時

5、，氧氣開始逐漸形成在正電極，它可 以非常迅速地消耗在負極，並且氫氣可以在負極產生高速率 或低溫的充電期間作為副反應。出於這個原因，鎳氫電池在 過度充電時的壓力會增加。,如果使用在低到中等電流，它是 穩定的，因為氫可以很容易地吸收多 餘的合金。然而，在腐蝕期間，過量 的負能減少，由於減少了合金含量和 吸收氫腐蝕所產生的反應。這就導致 了misbalancing電池。 當負極的過剩能量耗盡，電池充 電期間，氫開始逐漸形成，由于缺乏 過剩能量，不可能由合金再吸收。在 這種情況下，顯著的增加對電池的壓 力並觀察可能的後果。電化學電極電 位轉移到不同的標準和電池阻抗的增 加，顯示在右圖。,如果在AB5型

6、合金使用在阿方稀土 （菌），而不是純淨的鑭和B一方多元組成， 也不是純鎳，腐蝕過程會導致改變合金的化 學成分。發現稀土元素形成稀土氫氧化儲蓄 在合金微粒的表面。 合金型菌（鎳，鈷，鋁，錳）特別是， 鋁和錳溶解在鹼性電解質和被發現存放在正 極。損失的錳、鋁，由於腐蝕存活的可高達 40-50 ，對初始值（見右上圖）儲氫合金 腐蝕性取決於合金的化學成分，其物理性能 （硬度，彈性）和鎳氫電池(溫度、週期外形 等等)的循環和儲存條件。 鎳鈷替代AB5型合金可顯著改善循環壽 命。而用鎳錳代替，只改善了小部分的循環 壽命。此外，如果錳含量超過一定值，循環 壽命往往會減少（見右圖下）。,鈷對改進循環壽命的影響

7、有幾個原因。 斯里尼瓦桑和同事強調完整合金對循環的重要 性，合金的耐腐蝕性能在鹼性電解質，關於循 環壽命可能是更重要的。 Chartouni等把穩定作用的鈷用於對合金 機械性能的改善，導致在連貫氫吸收和解吸附 作用時有減少的趨勢。總之，結果在低粉化率 連續電化學週期下。 由於合金的粉化，腐蝕速率的增量不僅與 電極表面的增量，而且與新合金表面的瞬間腐 蝕有關的作用導致在graincracking過程。因 此，合金低晶格氫插在擴展應表現出較少的傾 向粉化 ，從而減少腐蝕，因此循環壽命更高， 如右圖所示。,循環制度本身對鎳氫電池的循環 壽命具有重要的影響。由於化學或電 化學的反應速率取決於溫度，增加

8、溫 度導致腐蝕速率增加。在電化學循環 期間氫被插入或不插入的相當數量取 决於放電(DOD)深度在具體循環的外 形。由於較高的晶格膨脹和收縮，因 此該爆裂率合金是更為明顯的高 DODs。 勒布朗等人。 證實所有的鋁，從大量 合金被分解，定量地被放置在正極。他們 得出結論認為，鋁含量的正極可作為直接 指標對鋁-載貯氫合金的腐蝕速率。假使 在100 DOD cycling的情況下，發現腐 蝕速率和循環次數的近線性關係（見右 圖）。,斜率隨著溫度的增加而 增加。從這個溫度的活化能 54 kJ mol-1 可以計算出 鎳、鈷、鋁和錳混合組成的 合金。 Alinear behaviourwas也 發現了在週期數量和腐蝕速 率之間不同的DODs合金