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收藏!新能源汽车电池技术相关介绍之镍氢电池篇
收藏!新能源汽车电池技术相关介绍之镍氢电池篇
【浩博电池资讯】 2025-02-06  429
一、镍氢电池简介


镍氢电池是从20世纪90年代开始发展的一种绿色电池。镍氢电池是一种碱性蓄电池,其正极活性物质主要由镍构成,负极活性物质主要由贮氢合金构成。镍氢电池具有比能量高、功率高、适合大电流放电、循环寿命长、无污染等特点。与铅酸蓄电池比较,镍氢电池的体积能量密度增加了3倍,比功率增加了10倍。镍氢单体电池电压约为1.2V。



二、镍氢电池的组成

镍氢电池主要由正极、负极、电解液、隔板(隔膜)等组成。

正极活性物质是氢氧化镍,负极活性物质是储氢合金(储氢合金可反复吸收和释放氢原子),电解液是含30%氢氧化钾的溶液,镍氢电池的正负极板间具有隔膜。



三、镍氢电池的充放电过程

充电时,正极的活性物质Ni(OH)2(氢氧化镍)转变为NiOOH,水分子在贮氢合金负极附近分解,并产生氢原子。氢原子先在负极表面形成吸附态的氢原子,再扩散到贮氢合金内部与贮氢合金发生反应形成金属氢化物。

放电时,NiOOH(正极)得到电子和氢转变为Ni(OH)2,金属氢化物(负极)内部的氢原子先扩散至表面形成吸附态的氢原子,再与OH-发生化学反应生成水分子。



四、镍氢电池的过充电和过放电情况

镍氢电池过充电时,正极上会析出氧气,析出的氧气会扩散至负极并与OH-反应生成水(此时负极是反应催化剂)。镍氢电池过放电时,正极上会析出氢气,析出的氢气会扩散至负极与OH-反应生成水(此时负极也是反应催化剂)。


在镍氢电池正常充放电过程中,储氢合金(负极)具有储氢作用。在镍氢电池过充或过放电过程中,储氢合金(负极)不发挥储氢功能,而是作为反应催化剂,促进消除镍氢电池在过充或过放电情况下产生的氧气或氢气,从而使镍氢电池具有耐过充或过放的能力(含个人理解)。


五、镍氢电池的优点和缺点

(1)镍氢电池的优点
1)镍氢电池的能量密度较高,相同尺寸下,镍氢电池容量是镍镉电池容量的1.5~2倍。
2)镍氢电池中的组成元素对人体伤害较镍镉电池中的组成元素小(根据网络资料:人体摄入过量的镉元素会引起中毒,镉元素也是致癌物)。
3)镍氢电池可大电流快速充放电,充放电倍率高。
4)无明显的记忆效应(根据网络资料:记忆效应是电池暂时性容量减小,使用时间缩短的现象
5)低温性能好,耐过充放能力强。

(2)镍氢电池的缺点
镍氢电池的缺点是自放电率高(月自放电率处于20~25%)、循环寿命低于镍镉电池的循环寿命(镍氢电池的循环寿命可达至500次)。


六、镍氢电池的充电特性


如图一所示,镍氢电池正常充电时,其充电特性变化过程大致可分为三个阶段:电压快速上升阶段、电压平稳上升阶段、电压再次快速上升阶段(当充电量接近电池的额定容量的75%时进入该阶段)。当充电量超过电池额定容量后,镍氢电池进入过充电阶段,电压略微下降(含个人理解)。


镍氢电池充电电压水平越低,电池极化(根据网络资料理解:电池极化原因多样,对电池性能具有不利影响)越小,电池的充电效率越高,电池的使用寿命可能越长(含个人理解)。



七、镍氢电池的放电特性

如图二所示,镍氢电池的放电电流越大,使用环境温度越低,电池放电电压和放电效率均降低,长期大电流放电对镍氢电池电池的使用寿命具有负面的影响。镍氢电池的放电终止电压一般处于0.9~1.1V之间。



八、镍氢电池的容量特性

充电电流、搁置时间、放电电流、放电终止电压等均对镍氢电池的容量特性(放电容量特性)具有影响。

(1)充电电流对放电容量的影响
镍氢电池充电电流越大(充电倍率越大),电极极化程度增加,进而将增加镍氢电池中氧气析出,最终导致镍氢电池的充电效率和放电容量降低。

(2)搁置时间对放电容量的影响
搁置时间(个人理解:电池不被使用的时间)对镍氢电池放电容量具有影响的原因是镍氢电池存在自放电问题。镍氢电池放电容量随搁置时间的延长而下降,镍氢电池在被搁置的初期放电容量下降较快。

(3)放电电流对放电容量的影响
镍氢电池的放电电流增加,电极极化程度增加,电化学极化内阻(电化学极化内阻是电池内阻的组成部分)增加,电池内阻增加对电池放电容量具有不利影响。因此,放电电流增加,镍氢电池放电容量减少。

(4)放电终止电压对放电容量的影响
放电容量随放电终止电压的降低而增加。


九、镍氢电池的内压特性

电池在充放电过程中,正极析出氧气,负极析出氢气,因而产生电池内压。一般,在被使用时,电池存在电池内压。在正常充放电情况下,电池内压不会引起安全问题。

但在过充或过放的情况下,电池内压升高至一定程度,就有可能带来安全问题。

实验数据表明,随着电池充放电循环次数增加,电池内压将逐渐升高,同时,电池中析出的氢气、氧气体比例也会发生变化。



镍氢电池的内压与SOC(荷电状态)相关。图三为不同镍氢电池充电过程中内压的变化曲线,图三中:
A区内曲线表示SOC为0~80%时的电池内压变化;
B区内曲线表示SOC为80~120%时的电池内压;
C区内曲线表示电池停止充电并被搁置后的电池内压(不理解SOC大于1的含义。图三中还疑似表示搁置时间延长,SOC数值增加)。


镍氢电池中电解液量也会影响电池内压,电解液过多将导致电池内压过高。


镍氢电池的电池内压的高低还与充电方式相关。



十、镍氢电池的自放电率和存储性能


(1)自放电率


镍氢电池在搁置状态时容量的衰减速率较快。在20℃的条件下,镍氢电池的月自放电率处于20~25%之间。


影响镍氢电池自放电率的因素主要包括电池储存的温度和湿度条件。


1)温度对镍氢电池自放电率的影响

温度可提高镍氢电池内正负极材料活性物质反应速率,也可提高电解液的离子传输速率,从而使自放电反应速率提高。如果温度过高,可能将破坏镍氢电池内部的化学平衡,并发生不可逆反应,从而降低电池的整体性能。


2)湿度对镍氢电池自放电率的影响

湿度对镍氢电池自放电率影响的原理与温度对镍氢电池自放电率影响的原理相似。环境湿度过高将使镍氢电池自放电反应速率增加。


综上,镍氢电池放置于低温低湿的环境中,电池的自放电率低,有利于电池的储存。但温度过低也可能造成镍氢电池电极材料的不可逆变化,降低电池整体性能。


(2)存储性能


1)镍氢电池的存储性能

电池储存性能是指电池在一定条件下,储存一定时间后,主要性能参数的变化。存储性能具体包括:容量下降情况、外观变化情况、有无渗液情况。

镍氢电池容量下降主要由于电极存在自放电现象,自放电率高的特点不利于镍氢电池的存储。因此,一般,镍氢电池遵循“即充即用”的原则,不适宜较长时间放置。

镍氢电池的正负极、隔膜、辅助材料可能发生电解液腐蚀和漏液现象,电解液腐蚀和漏液现象对电池性能影响较大。根据网络资料,镍氢电池的电解液无毒,但电解液具有30%的氢氧化钾,具有腐蚀性,若溅到皮肤上,可立即用大量水清洗。


2)镍氢电池的存储条件

镍氢电池的存放区应保持清洁、凉爽、通风;温度应处于10~25℃之间,温度最高应不超过30℃;相对湿度应不大于65%。

除了储存温度和湿度要求外,存储镍氢电池时还需注意:

① 长期放置的镍氢电池应采用荷电状态储存,即可预充50~100%的电量后存储。

 在储存镍氢电池过程中,应保证至少每3个月充电一次,以将电池容量恢复至饱和状态。


十一、镍氢电池的温度特性

镍氢电池中电极活性材料的反应速率和电解液的离子迁移率等特性均与温度正相关;较高的温度还有利于储氢合金中氢原子的扩散,提高储氢合金的动力学性能;且电解液中氢氧化钾(KOH)的电导率也随温度增加而增加。因此,镍氢电池的中高温放电容量比低温放电容量大。

但温度过高(一般超过45℃),镍氢电池中电解液的水分蒸发将过快,进而导致电解液的欧姆内阻过高,对镍氢电池的放电容量具有不利影响。


十二、镍氢电池的应用

镍氢电池在混合动力汽车,电动公交车、电动自行车、电动工具等领域均可被使用。