化学电源技术作业

化学电源技术课程**。

镍氢电池。简介。

镍氢电池采用ni氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液（主要为koh）作为电解液：

反应原理。电解质：主要为koh作电解液（电解质7mol/l koh+15g/l lioh）充电时：

正极反应：ni(oh)2 + oh-→niooh + h2o + e-负极反应：m + h2o + e-→mh + oh-总反应：

m + ni(oh)2→mh + niooh

放电时：正极：niooh + h2o + e-→ni(oh)2 + oh-负极：mh + oh-→m + h2o + e-总反应：mh + niooh→m + ni(oh)2

以上式中m为储氢合金，mh为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为lani5。

1、发展历史。

镍氢电池是美国人stanford ovhinsky在2023年发明的，二十世纪九十年代正式发展起来成为取代镍镉电池的替代品，它是一种环保型电池，也是目前世界各国竞相发展的高科技产品之一。

镍氢电池的发展主要依靠储氢合金的发现，1960s，人们发现一种新型的储氢合金，可以在一定的温度和压力条件下吸放大量的氢。镍氢蓄电池也被称为“吸氢海绵”。其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中，反复充放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，在此基础上发明了镍氢电池。

储氢合金的主要**是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70%以上，发展镍氢电池具有很大的优势。

我国的镍氢电池研究始源于南开大学，其发展起步早于美、日等国。近10年来，通过“863”计划的组织实施，我国在这一领域的研究取得了一些列成果。科研人员利用我国储氢能源，开发出储氢合金电极材料，在国内国际取得了一批发明专利，建立了镍氢电池生产示范线，使我国镍氢电池市场化应用不断深化。

镍氢电池于2023年进入实用化阶段，2023年在日本开始规模化生产，此后产量成倍增加。除作为电子信息领域迫切需求的小型移动电源外，也成为电动车的电源之一。随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、

高功率方向发展。

2、发展现状。

镍氢电池作为当今迅速发展起来的一种高能绿色充电电池，凭借能量密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。

在目前的混合动力汽车及未来的电动车所采用或将采用的电池中，存在着镍氢电池与锂离子电池之争。

镍氢电池现主要应用于混合电动车。2023年hev市场占56%，零售市场占24%，无绳**占11%，其他市场为9%。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。

全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。hev用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为primearth电动车能源公司和三洋电机。

我国镍氢电池增长乏力，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况。

与锂电池相比，镍氢电池具有续航能力不足以及不能外插式充电灯缺陷。随着锂电池技术的提高，未来有可能代替镍氢产品成为hev动力电池的主流。

现有的混合动力电池99%的市场份额为镍氢动力电池，商业化的代表是丰田的普。

图3-1镍氢电池单体和电池组。

锐斯。到2023年前，非镍氢混合动力电池。

的占有市场份额不到20%，镍氢混合动力电池的市场前景看好。在未来的5-8年，镍氢动力电池仍是新型混合动力汽车的动力电池体系的主导产品。

目前应用于混合动力汽车（hev）的动力电池主要有3种，它们分别为铅蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。铅酸电池性能可靠，易于维护且**低廉，但动力特性与镍氢电池和锂离子电池相差甚远。镍氢电池和锂离子电池各有优势，但从安全性和成本考虑，锂离子电池在过充电状态下存在较大的安全隐患且**相对较高，因此，目前镍氢电池仍旧是hev的主流动力电池。

在小型二次电池领域，ni-mh电池在市场竞争中面临镍镉电池和锂离子电池两方面的夹击。在**方面镍镉电池占据优势；在比能量方面ni-mh电池不如锂离子电池，在与镍镉电池的竞争中，ni-mh电池通过实现规模化生产，降低了生产成本迅速取代了部分镍镉电池市场，并在近年来发展迅猛的移动通讯、便携式电脑领域站稳脚跟。为了与锂离子电池竞争ni-mh电池正在向高容量方向发展。

目前，aa电池容量已达1400-1800mah，4/3a电池容量达到3500-4500mah，体积比能量达360wh/l以上，已超过了目前锂离子电池产品。

3、存在问题。

首先是α型ni(oh)2的镍氢电池体系稳定性和填充率的问题：α型ni(oh)2的镍氢电池体系因其在向γ型niooh转化电子数多于β型间的电子数，一直是新材料研究的热点，同时α型在向γ型转化时膨胀系数小被认为是最理想的镍氢电池正极材料。其弱点是在强碱溶液中的不稳定性，易陈化转化成β氢氧化亚镍；同时其松装密度太小，无法实现填充的需要，其次，在较宽温度内充放电也是个问题，目前解决方案是通过在正极中添加ca、y、er、ti、tm的氧化物以及对电解液的组成和配比，提高镍电极的析氧过电位来提高电池在高温下的充电接受能力，特别是大电流时的充电效率，从而减少体系中因氧气产生、复合而引起的热效应；电池制作中降低体系的内阻，减小电化学极化，浓差极化和欧姆极化以减少相应热量的产生。

降低单体电池的厚度，设计适当的电池间隙并配以冷却系统以利于电池热量的散发，同时配备热管理系统。选择钴含量高的贮氢合金，降低负极析氢平台压力，也是电池高温性能应用的主要解决方法。电池在低温时使用的主要问题是负极。

采用富镧型的贮氢合金，同时采用低钴合金与高钴合金混合使用，可以有效改善负极在低温下的性能。

另外镍氢电池的快速充放电能力也是被人们发现的一个问题：一个电池要进行快速充电就必须解决电池内压和发热问题。降低电池内压，就要提高正极析氧过电位，提高正极充电效率，抑制正极充电产生的氧气。

可以通过在正极中添加钴类添加剂、在电解液中加入提高正极充电效率的物质，提高负极预留容量和对负极进行表面处理都是降低电池内压的有效途径。调整电池预充容量，提高负极活化后的容量和电池负极预充量和预留量，使负极预留量保持较高比例，使负极在正极过充时保持良好的吸附氢能力，提高正极充电效率和在组合结构上设置冷却装置也是解决发热问题提高电池充电速度的方法。

4、发展趋势。

目前国内镍氢电池的竞争是越来越激烈，一方面就是成本的竞争，另一方面是市场份额被锂电池不断挤占，镍氢电池该如何立足，该如何长远发展呢。

随着经济水平的发展，汽车的保有数量急剧增加，能源和环境问题变得日益严重。开发和推广电动汽车等清洁能源汽车已成为世界各国争相研究的课题。以内燃机蓄电池共同驱动的混合动力车（hev）首选的蓄电池采用的就是镍氢电池。

镍氢电池具有比功率高、耐过充过放、可快速充电及寿命长和无污染等特点。

镍氢动力电池目前是混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系，全球已经批量生产的混合动力汽车全部采用镍氢动力电池体系。现有混合动力电池99%的市场份额为镍氢动力电池。目前，混合动力品牌轿车已经在示范运行，他们采用的也都是镍氢电池，不过电池主要向国外采购，国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。

在镍氢电池领域，我国在技术和资源上均具有优势，其中，氢氧化镍性能世界领先，稀土资源丰富，具有得天独厚的优势，因此我国发展镍氢动力电池是我国目前最现实的选择。在发展新能源汽车上，镍氢电池技术最成熟，三年前是新能源车的主流，最近镍氢电池技术将和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下，现在逐渐被锂电池及燃料电池所取代。现在锂离子电池还没有完全取代镍氢动力电池，主要原因是镍氢电池便宜安全，已经达到规模化生产。

锂电池还有课题需要继续攻关，如安全性，因此商业化尚需时日。

镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，从20世纪90年代开始投入市场。镍氢电池和镍镉电池外形上相似，而且镍氢电池的正极与镍镉电池也基本相同，都是以氢氧化镍为正极，主要区别在于镍镉电池负极板采用的是镉活性物质，而镍氢电池是以高能贮氢合金为负极，因此镍氢电池具有更大的能量。同时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池基本相似，故镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。

由于镍氢电池缺点是**比镍镉电池要贵，性能比锂电池要差，在移动**、笔记本电脑等领域被钴酸锂等锂电池取代，作为动力电池在便携式电器市场、电动工具、电动车市场开始萎缩，主要是被锰酸锂电池和磷酸铁锂电池取代。镍氢电池最终将被市场所淘汰。

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