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        一、鎳氫電池

      由于化石燃料在人類大規模開發利用的情況下越來越少,近年來,氫能源的開發利用日益受到重視。鎳氫電池作為氫能源應用的一個重要方向越來越被人們注意。雖然鎳氫電池確實是一種性能良好的蓄電池,但航天用鎳氫電池是高壓鎳氫電池(氫壓可達3.92MPa,即40kg/cm2),這樣的高壓力氫氣貯存在薄壁容器內使用容易爆炸,而且鎳氫電池還需要貴金屬做催化劑,使它的成本變得很貴,這就很難為民用所接受,因此,國外自70年代開始探索民用的低壓鎳氫電池。鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。高壓鎳氫電池是20世紀70年代初由美國的M.KleinJ.F.Stockel等首先研制。用鎳氫電池代替鎘鎳電池并應用于各種衛星上的趨勢已經形成。

      結構與原理

      鎳氫電池正極活性物質為NiOH2(稱NiO電極),負極活性物質為金屬氫化物,也稱儲氫合金(電極稱儲氫電極),電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。活性物質構成電極極片的工藝方式主要有燒結式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式及嵌滲式等,不同工藝制備的電極在容量、大電流放電性能上存在較大差異,一般根據使用條件不同的工藝生產電池。通訊等民用電池大多采用拉漿式負極、泡沫鎳式正極構成電池。充放電化學反應如下:

      正極:NiOH2+OH-=NiOOH+H2O+e-

      負極:M+H2O+e-=MHab+OH-

      總反應:NiOH2+M=NiOOH+MH

      注:M:氫合金;Hab:吸附氫;反應式從左到右的過程為充電過程;反應式從右到左的過程為放電過程。

      充電時正極的NiOH2OH-反應生成NiOOHH2O,同時釋放出e-一起生成MHOH-,總反應是NiOH2M生成NiOOH,儲氫合金儲氫;放電時與此相反,MHab釋放H+H+OH-生成H2Oe-NiOOHH2Oe-重新生成NiOH2OH-。電池的標準電動勢為1.319V

      分類

      鎳氫電池分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。

      低壓鎳氫電池具有以下特點:(1)電池電壓為1.2~1.3V,與鎘鎳電池相當;(2)能量密度高,是鎘鎳電池的1.5倍以上;(3)可快速充放電,低溫性能良好;(4)可密封,耐過充放電能力強;(5)無樹枝狀晶體生成,可防止電池內短路;(6)安全可靠對環境無污染,無記憶效應等。

      高壓鎳氫電池具有如下特點:(1)可靠性強。具有較好的過放電、過充電保護,可耐較高的充放電率并且無枝晶形成。具有良好的比特性。其質量比容量為60A·h/kg,是鎘鎳電池的5倍。(2)循環壽命長,可達數千次之多。(3)全密封,維護少。(4)低溫性能優良,在-10℃時,容量沒有明顯改變。

      二、鎳鋅電池

      鎳鋅電池電壓高。與過去的AA電池相比它的電壓達到1.6V。比鎳氫電池的1.2V要高得多,更適用于傳統的使用1.5V電池的電器。它可以使閃光燈回電更快。使數碼相機充分用完其電量。而很多鎳氫電池用在數碼相機上僅使用了30%的電量就低電關機了。(201012月)AA型號的鎳鋅電池的容量只有1300mAh左右,但是,它的放電能量已經達到8300焦耳以上。與目前優秀的鎳氫電池eneloop相比,差別并不大,eneloop放電能量大約在9000焦耳左右。

      鎳鋅電池放電電流強。已經運用在電動汽車上了。一顆AA鎳鋅電池,在2A電流放電下可以放出超過7200焦耳的能量。鎳鋅電池更環保,鎳和鋅都是可回收而且容易回收的金屬。鎳鋅電池由于至2013還是比較新的產品,全球主要由一個美國公司PowerGenix生產,所以價格還是比較高。相信在未來幾年其價格可以降到鎳氫電池同一水平。關于鎳鋅電池的安全電壓范圍,大眾根據其充電器滿電壓1.9v判斷,低安全電壓為1.2v,即1.2v1.9v。 在實際使用中,有人將電池過充過放導致電池失效或損壞,詳情搜索 “鎳鋅 過放” 看看小白鼠自愿者們的貢獻。

      發展過程

      鎳和鋅都是相對容易找到的金屬。相比鎳氫電池需要大量的稀土材料,鎳鋅電池需要的除了鎳外主要就是鋅,鋅比稀土容易找到。事實,在一個世紀前,托馬斯·愛迪生就認識到了鎳鋅電池的潛力,并對其進行了研究。而受限于當時的技術,鎳鋅電池并沒有得到很好的發展。如今,鎳鎘和鎳金屬氫化物化學(鎳鎘電池和鎳氫電池)已成功地商業化,廣泛用于高要求的應用。但是,這些技術已達到技術上的極限。

      目前我們常見的AA5號)充電電池鎳鎘電池不環保,也存在記憶效應,已經處于淘汰邊緣。NiMH電池雖然沒有記憶效應和劇毒問題,但存在鈍化現象(高自放電),對環境溫度要求也較為苛刻。

      2010年年初,一家名不見經傳的美國公司PowerGenix宣布推出“全新”的NiZn鎳鋅充電電池。之所以在新字上加引號,是因為鎳鋅電池技術實際上有超過百年的歷史,號稱早是由愛迪生發明的。PowerGenix將這一古老的技術進行了翻新改良,特別是改進了電解液和電極配方,才拿出了我們看到的新一代NiZn鎳鋅充電電池。

      結構

      鎳正極:鎳電極的主要活性材料是 Ni(OH)2。當前使用的鎳電極主要分為燒結式和非燒結式。非燒結式正極較燒結式正極,具有高容量、高活性的特點,一般采用孔隙率較高的纖維鎳或泡沫鎳材料作為支架,涂覆球型氫氧化鎳即得鎳正極。

             鋅負極:鋅負極主要制備方法有涂膏法、電沉積法、壓成法、化成法和燒結法等。鋅負極可以做成充電態和放電態兩種,主要取決于初始材料是 ZnO(充電態)還是Zn(放電態)。一般情況下放電態的 Zn 電極用于一次電池,充電態的 ZnO 多用于二次電池。可是因為 ZnO 具有半導體特性,導電性能較差,如果制備的鎳鋅二次電池的鋅負極材料全是 ZnO,將會有較高的初始電阻,其電極必須小電流充電活化,還原一定比例的 ZnO 生成 Zn,利用金屬鋅 Zn 良好的導電性減少鋅負極的電阻,提高充放電效率,使電極的電化學性能得到改善。所以鎳鋅二次電池中,鋅負極的活性物質主要為 ZnO(充電態)中添加一些金屬 Zn(放電態),以減少初始充電時的高電阻,同時也會添加某些緩蝕劑以改善鋅負極的性能。因為 ZnO在堿性電解液中具有的一定溶解性會造成鋅負極的枝晶形變和鈍化等不良影響。

      隔膜:隔膜置于電池的正負極之間,防止正負極活性材料直接接觸造成電池短路。隔膜不僅要能抗鋅枝晶穿透,還要能耐強堿、抗氧化、易被電解液浸潤、良好的機械強度和較強的柔韌性、低電阻和高離子導電性。

      電解液:電池正負極材料的性能的發揮直接受電解液種類和濃度的影響。氫氧化鉀溶液是常被堿性電池選作電解液。負極活性物質 ZnO 是兩性氧化物,在堿性電解液中有一定的溶解性,這直接影響著鋅負極活性物質的利用率。因此,通常在電解液中會添加少量 LiOH。正極的活性物質顆粒表面上會吸附 Li,避免活性物顆粒聚結,電極活性物質的利用率提高,Li還能防止電極膨脹,改善電極反應的可逆性和充電過程中的析氧極化,延長電極的使用壽命。


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