金属氢化物镍(NiMH)电池材料课件.pptx

1、金属氢化物金属氢化物镍镍(Ni-MH)电池电池材料材料主要内容主要内容 电池概述电池概述 镍氢电池工作原理镍氢电池工作原理 镍镍氢电池的应用氢电池的应用2原电池原电池 通过氧化还原反应而产生电流的装置称为原电池3什么是电池？什么是电池？通过通过电化学反应电化学反应将电极材料的将电极材料的化学能化学能直接转化为直接转化为电电能能的系统。的系统。41799年，意大利物理学家伏特年，意大利物理学家伏特（Volt）发明了人类历史上第一）发明了人类历史上第一套电池装置，划时代意义！套电池装置，划时代意义！在该装置中，用浸泡在碱溶液中的布隔开两种金在该装置中，用浸泡在碱溶液中的布隔开两种金属的堆积片，再以

2、导线连接两端，产生电流。这属的堆积片，再以导线连接两端，产生电流。这是我们今天所认识的电池的最初形式。是我们今天所认识的电池的最初形式。伏特电堆伏特电堆电池的历史电池的历史 1836年，年，英国的英国的Daniell发明锌发明锌铜铜电池；电池；1859年年，法国的，法国的Plant试制试制成功成功铅酸蓄电池铅酸蓄电池；1868年年，法国法国的的Leclanche研制成功锌研制成功锌二氧化锰干电池二氧化锰干电池；1895年琼格发明了镉年琼格发明了镉-镍电池镍电池；1900年年，爱迪生爱迪生（Edison）研制成功铁）研制成功铁-镍镍蓄电池蓄电池；1988年，镍镉电池实现年，镍镉电池实现商品化商品

3、化；1992年，锂离子电池实现年，锂离子电池实现商品化商品化；1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。51.电池概述电池概述 定义定义：一般一般狭义上的定义是将本身储存的狭义上的定义是将本身储存的化学能化学能转成转成电能电能的装置，的装置，广义的定义为将预先储存起的能量转化为可供外用电能的广义的定义为将预先储存起的能量转化为可供外用电能的装置。装置。分类分类按电解液种类划分包括：碱性按电解液种类划分包括：碱性电池、酸性电池、中性电池、电池、酸性电池、中性电池、有机有机电解液电解液电池等；电池等；按工作性质和贮存方式划分包括：按工作性质和贮存方式划分包括：一次电池

4、、二一次电池、二次次电池、电池、燃料电池等；燃料电池等；按电池所用正、负极材料划分包括：锌系列按电池所用正、负极材料划分包括：锌系列电池、镍电池、镍系列系列电池、铅电池、铅系列系列电池、锂电池、锂离子离子电池、二氧化锰电池、二氧化锰系列系列电池、空电池、空气气（氧气）系列电池，如锌空电池等。（氧气）系列电池，如锌空电池等。6电池的分类电池的分类7电池电池化学电池化学电池物理电池物理电池生物电池生物电池一次电池一次电池二次电池二次电池燃料电池燃料电池太阳能电池太阳能电池电容器电池电容器电池热电池热电池醇解电池醇解电池微生物电池微生物电池镉镍电池镉镍电池镍氢电池镍氢电池铅酸电池铅酸电池锂离子电池锂

5、离子电池电池的条件电池的条件 要实现化学能向电能的直接转换，电池必须满足以要实现化学能向电能的直接转换，电池必须满足以下条件：下条件：必须必须把化学反应中得失电子或电子对偏移的过程限制在正极和负极两把化学反应中得失电子或电子对偏移的过程限制在正极和负极两个区域个区域进行；进行；两极两极间必须有具有离子导电的介质间必须有具有离子导电的介质(电解质电解质)；电池电池中能量转换过程的电子传递必须经由中能量转换过程的电子传递必须经由外电路。外电路。8电池的构成电池的构成 实用中的电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器实用中的电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五部分构成。五部分构成。9电池常用性能指标电

6、池常用性能指标 开路电压和开路电压和工作电压工作电压 电池电池容量，容量，电池放电时能提供的能量，常以符号电池放电时能提供的能量，常以符号C表示，以表示，以Ah或或mAh为单位。为单位。寿命和贮存期寿命和贮存期10铅蓄电池铅蓄电池 铅蓄电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为铅蓄电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸硫酸。铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和。铅蓄电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。容器等组成。11优点：可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率能优点：可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率能满足电动汽车的动力性要求。满足电动汽车的动力性要求。缺点；比

7、能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶缺点；比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；使用寿命短，使用成本过高。里程较短；使用寿命短，使用成本过高。铅蓄电池工作原理铅蓄电池工作原理 充电：正充电：正 负极板上的负极板上的PbSO4还原为还原为PbO2和和Pb，电解液，电解液中的中的H2SO4不断不断增多，电解增多，电解液密度不断上升液密度不断上升 放电：正极板放电：正极板上的上的 PbO2和负极板上的和负极板上的Pb都与电解液中都与电解液中的的 H2SO4反应生成硫酸铅反应生成硫酸铅(PbSO4),沉附在正沉附在正 负极板上负极板上 在在这个过程中这个过程中,电解液中的电解

8、液中的H2SO4不断减少不断减少,电解液密度不断下降电解液密度不断下降 12思考题思考题 为什么汽车电瓶蓄电池不能用锂电池代替？为什么汽车电瓶蓄电池不能用锂电池代替？1.安全性安全性2.大大电流电流3.低温性能低温性能4.成本成本13镍镍镉镉电池电池 这种电池以氢氧化镍（这种电池以氢氧化镍（NiOH）及金属镉（）及金属镉（Cd）作）作为产生电能的化学品。为产生电能的化学品。和和铅酸电池相比，能够达到比能量铅酸电池相比，能够达到比能量55Wh/kg，比功，比功率率200W/kg，循环寿命，循环寿命2000次，而且可以快速充电，次，而且可以快速充电，14镍氢电池镍氢电池 氢镍电池则是一种绿色镍金属

9、电池，它的正负极分氢镍电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且在工作过程中不会出现电解液增减现象。染问题，且在工作过程中不会出现电解液增减现象。镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都有镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都有所提高，使用镍氢电池的电动汽车一次充电后的续所提高，使用镍氢电池的电动汽车一次充电后的续驶里程曾经达到过驶里程曾经达到过600公里，在欧美已实现了批量生公里，在欧美已实现了批量生产和使用。产和使用。15锂离子电池锂离子电池 依靠依靠锂离子在正极和负极之间移动来锂离子在正

10、极和负极之间移动来工作，锂工作，锂离子离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂用作锂离子电池的正极材料主要常见的有：锂钴氧化物（钴氧化物（LiCoO2）、锰酸锂（）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍酸）、镍酸锂（锂（LiNiO2）及磷酸锂铁（）及磷酸锂铁（LiFePO4）。）。16燃料电池燃料电池 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，它的基通过电极反应直接转化为电能的发电装置，它的基本化学原理是水电解反应的逆过程

11、，即氢氧反应产本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产生电、水和热。生电、水和热。燃料电池也不需要像其它电池那样进行长时间的充燃料电池也不需要像其它电池那样进行长时间的充电，它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可。电，它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可。17燃料电池燃料电池 它不需要燃烧、无转动部件、无噪声、运行寿命长、它不需要燃烧、无转动部件、无噪声、运行寿命长、可靠性高、维护性能好，实际效率能达到普通内燃可靠性高、维护性能好，实际效率能达到普通内燃机的机的2至至3倍，加之其最终产物又是水，真正达到清倍，加之其最终产物又是水，真正达到清洁、可再生、无排放的要求，是洁、可再生、无排放的要求

12、，是21世纪的首选能源。世纪的首选能源。18燃料电池燃料电池 燃料电池由正负电极、催化层和电解质构成。燃料电池由正负电极、催化层和电解质构成。根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸型、质子根据电解质的不同，燃料电池可分为磷酸型、质子交换膜型、碱性型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型交换膜型、碱性型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型等几种。等几种。192.镍氢电池镍氢电池 镍氢电池（镍氢电池（Ni-MH）是由镍镉电池（）是由镍镉电池（NiCd battery）改良而来的，以能吸收氢的金属代替镉（改良而来的，以能吸收氢的金属代替镉（Cd）。）。20相同的价格提供比镍镉电池相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量，更

13、高的电容量，可达可达29002900mAhmAh较不明显的较不明显的记忆效应，记忆效应，安全性高安全性高较低的较低的环境环境污染（不含有毒的镉）污染（不含有毒的镉）回收再用的效率比锂离子电池好，被称为是最环保的电池回收再用的效率比锂离子电池好，被称为是最环保的电池镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%30%镍氢电池的组成镍氢电池的组成 镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。21镍氢电池正极活性物质镍氢电池正极活性物质为为Ni(

14、OH)2（称（称NiO电电极），负极活性物质为极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电合金（电极称储氢电极），电解液为极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。氢氧化钾溶液。镍氢电池工作原理镍氢电池工作原理 电池的充放电过程可以看作是氢原子或质子从一个电池的充放电过程可以看作是氢原子或质子从一个电极移到另一个电极的往复过程。电极移到另一个电极的往复过程。22镍氢电池的类型镍氢电池的类型 氢氢-镍电池可分为高压氢镍电池可分为高压氢-镍电池和低压氢镍电池和低压氢-镍电池两镍电池两类。类。23上世纪七十年代，发展上世纪七十年代，发展高压氢高压氢-镍电池镍电池（H

15、H2 2-NiOOH-NiOOH）电池；）电池；八十年代，掀起金属氢化物八十年代，掀起金属氢化物-镍电池（镍电池（低压氢低压氢-镍电池）镍电池）(MH-MH-NiOOHNiOOH)的热潮；的热潮；九十年代，镍氢电池（九十年代，镍氢电池（MH-NiOOHMH-NiOOH）进入产业化（）进入产业化（日本三日本三洋洋）。）。电极反应的优势电极反应的优势 MH/Ni电池的正、负极上所发生的反应均属于固相电池的正、负极上所发生的反应均属于固相转变机制，不额外生成和消耗电解液组分，因此电转变机制，不额外生成和消耗电解液组分，因此电池的正、负极都具有较高的稳定性，可以实现密封池的正、负极都具有较高的稳定性，

16、可以实现密封和免维护。和免维护。MH/Ni电池一般采用电池一般采用负极容量过剩负极容量过剩的配置方式，电的配置方式，电池在过充时，正极上析出的氧气可在金属氢化物电池在过充时，正极上析出的氧气可在金属氢化物电极表面被还原成水；电极在过放时，正极上析出的极表面被还原成水；电极在过放时，正极上析出的氢气又可被金属氢化物电极吸收，从而使得电池具氢气又可被金属氢化物电极吸收，从而使得电池具有良好的耐过充放能力。有良好的耐过充放能力。24正极材料正极材料 充电态活性物质充电态活性物质NiOOH 放电态活性物质是放电态活性物质是Ni(OH)225Ni(OH)2为六方晶为六方晶系层状结构，其电系层状结构，其电

17、极的充放电反应即极的充放电反应即为质子在为质子在NiO2层间层间的脱出或嵌入反应的脱出或嵌入反应Ni(OH)2的晶体结构的晶体结构 各个晶型的活性物质都可以看作各个晶型的活性物质都可以看作NiO2的层状堆积，的层状堆积，不同晶型，层间距和层间粒子存在着差异。不同晶型，层间距和层间粒子存在着差异。26-Ni(OH)2六方六方晶系存在无序和晶系存在无序和有序两种形式，有序两种形式，结晶完好的结晶完好的Ni(OH)2具有较具有较完整的晶体结构完整的晶体结构-Ni(OH)2结构被结构被称为是湍层（或称为是湍层（或涡旋）结构，涡旋）结构，层层间距不完全一致，间距不完全一致，可以有多种可以有多种NiO2层

18、间距共存层间距共存Ni(OH)2的尺寸的尺寸27正极材料的改性正极材料的改性 常见的镍电极改性剂包括常见的镍电极改性剂包括Co,Zn,Cd,Li,Al,Ti,Mg,Mn,Zr,Cu,In,Ca,Sr和和Ba等金属离子、氧化物或者等金属离子、氧化物或者氢氧化物。氢氧化物。281.1.提高活性物质的利用率；提高活性物质的利用率；2.2.提高放电电位；提高放电电位；3.3.提高使用寿命；提高使用寿命；4.4.改善镍电极的使用性能和大电流放电能力。改善镍电极的使用性能和大电流放电能力。负极材料负极材料储氢合金储氢合金 作为负极材料的贮氢合金是由作为负极材料的贮氢合金是由A和和B两种金属形成的两种金属形

19、成的合金，其中合金，其中A金属金属(La，Ti，Zr等等)可以大量吸进氢气，可以大量吸进氢气，形成稳定的氢化物。而形成稳定的氢化物。而B金属金属(Ni,Co,Fe,Mn等等)不能不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。也就是说，是说，A金属控制着氢的吸藏量，而金属控制着氢的吸藏量，而B金属控制着吸金属控制着吸放氢气的可逆性。放氢气的可逆性。293.镍氢电池的应用镍氢电池的应用 民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具、民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具、动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。30镍氢电池的发展镍氢电池的发展31