第四讲镍氢二次电池材料分解
镍氢二次电池简述
世上无难事，只要肯攀登镍氢二次电池简述镍氢电池是由贮氢合金负极，镍正极，氢氧化钾电解液以及隔板等组成的可充电电池，它与镍镉电池的本质区别只是在于负极材料的不同。
这种电池的电压和镍镉电池完全相同，为1.2 伏，因此它可以直接用在使用镍镉电池的器件上。
镍氢电池的设想在七十年代开始有人提及，大量的研究集中在八十年代，工业化生产从九十年代初期开始。
作为负极材料的贮氢合金是由A 和B 两种金属形成的合金，其中A 金属(La,Ti,Zr 等)可以大量吸进氢气，形成稳定的氢化物。
而B 金属(Ni,Co,Fe,Mn 等)不能形成稳定的氢化物，但氢很容易在其中移动。
也就是说，A 金属控制着氢的吸藏量，而B 金属控制着吸放氢气的可逆性。
按照合金的晶体结构，贮氢合金可分为AB5 型,AB2 型,AB 型,A2B 型,固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5 型合金。
AB5 型贮氢合金主要由镧系元素和镍组成，同时少量添加铝，锰，钴等。
那么，是不是所有的贮氢合金都能作镍氢电池的负极材料呢?并非如此，目前主要是稀土系AB5 型合金在镍氢电池中实际应用。
可以作为电极材料的条件主要有：1.耐氧化性要大，在浓碱电解液中化学稳定性要好。
2.在较宽的温度范围内，具有较大的电化学容量。
3.催化活性要高，电极反应的可逆性要好。
4.随着吸放氢循环产生的劣化要少。
5.初期活化的次数要少。
作为负极材料的AB5 型贮氢合金，最初研究使用的是LaNi5 合金，由于价格上的问题，逐渐改用了MmNi5 系合金，在实用化过程中又使用少量铝，锰，钴等置换镍。
目前，镍氢电池的生产企业主要集中在日本。
下表列出了日本主要镍氢电池厂家及其工厂所在地和月产能力。
其中松下电池工业，东芝电池，三洋电机三家企业的生产量就占日本总产量的。
第四讲镍氢二次电池材料分解
产品特性
• • • • • 广泛性：适用于任何地方、任何装置 长寿电池：循环使用1000周期以上 即用性：本身带电几乎等于干电池 可长期保存：理想的“待机王” 卓越性能：５倍于普通干电池
2.3 Ni／MH电池的应用
笔记本电脑与镍氢电池
混合动力车与镍氢电池
混合动力车与镍氢电池
三、镍氢电池的结构与原理
2019/2/19
39
四、镍氢电池结构材料
民用的镍氢电池属于低压镍-氢电池，以Ni(OH)2 作为正极，以贮氢合金作为负极，氢氧化钾碱性水溶 液为电解液。 正极材料：氢氧化镍； 负极材料: 贮氢合金； 电解质：主要采用氢氧化钾。 其它材料：还有一些相关高分子材料，比如电池隔膜 材料、密封材料、粘结剂等，这些材料的优劣对电池 的自放电、充放电循环性能和使用寿命、电池的稳定 性等也起着至关重要的作用。
二、 镍氢（Ni/MH）电池
2.1、常用镍氢电池的种类
镍氢扣式充电电池系列
镍氢方形电池可充电电池系列
20
常 用 小 型 镍 氢 电 池
2019/2/19
13
镍氢可充电池组系列
镍氢9V可充电池系列
动力型镍氢电池(组)
2019/2/19 14
2.2 Ni／MH电池的概况 镍氢电池是由贮氢合金负极，镍正 极，氢氧化钾电解液以及隔板等组成 的可充电电池，它与镍镉电池的本质 区别只是在于负极材料的不同。这种 电池的电压和镍镉电池完全相同，为 1.2伏，因此它可以直接用在使用镍 镉电池的器件上。镍氢电池的设想在 七十年代开始有人提及，大量的研究 集中在八十年代，工业化生产从九十 年代初期开始。
二次电池简介
一次电池或原电池：电池能放电，当电池电力用尽时无 法再充电的电池。 市场卖的碱性电池，锰锌电池，水银电池，都是一 次性电池。一次电池又称原电池，只能用来放电且在放 电后，不能用一般的充电方法获得复原的电池，它只能 将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学 能。
《二次电池材料》课件
目录
• 二次电池简介 • 二次电池材料种类 • 二次电池材料的性能特点 • 二次电池材料的制备工艺 • 二次电池材料的未来发展与挑战
01
二次电池简介
二次电池的定义与分类
总结词
二次电池是一种可以充电和放电的电池，通常由正极、负极、电解液和隔膜组成。根据不同的分类标准，二次电 池可以分为多种类型。
负极材料
1 2
石墨
成本低、稳定性好、循环寿命长，是最常用的负 极材料。
硅复合材料
具有高能量密度和良好的电化学性能，是下一代 负极材料的研究重点。
3
钛酸锂（Li4Ti5O12）
具有高安全性、快速充电能力和长寿命等特点， 常用于动力电池领域。
电解液
锂盐
如LiPF6、LiBF4等，是电解液的主要成分，对电 池的电化学性能有重要影响。
04
二次电池材料的制备工艺
固态法
总结词
固态法是一种制备二次电池材料的方法，通过将原料粉末混合、压制成型、烧结等步骤，制备出电池 正负极材料。
详细描述
固态法是将原料粉末混合均匀后，通过压制成型或造粒技术制成一定形状的电极材料。在烧结过程中 ，原料粉末发生物理和化学变化，形成晶体结构，从而获得所需性能的电极材料。固态法具有工艺简 单、成本低、易于控制等优点，是制备二次电池材料常用的方法之一。
02
二次电池材料种类
正极材料
磷酸铁锂（LiFePO4）
01
具有高能量密度、稳定性好、寿命长等优点，是当前最常用的
正极材料之一。
钴酸锂（LiCoO2）
02
能量密度高、循环性能好，常用于消费电子产品。
镍钴锰酸锂（LiNiCoMnO2）
储氢材料的分类及镍氢电池的机理
储氢材料分类狭义上讲，储氢材料[8]是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质；但是它与一般金属氢化物有明显的差异。
即储氢材料必须具备高度的反应可逆性（可反复进行吸储氢和释放氢的可逆反应），而且，此可逆循环的次数（循环寿命）必须足够多，循环次数超过5000次。
实际上，它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料。
对于理想的金属储氢材料应具备以下条件：1.在不太高的温度下，储氢量大，释放氢量也大；2.氢化物的生成热一般在-46 ~ -29 kJ/mol H2之间；3.原料来源广，价格便宜，容易制备；4.经多次吸、放氢，其性能不会衰减；5.有较平坦和较宽的平衡压力平台区，即大部分氢均可在一持续压力范围内放出；6.易活化，反应动力学性能好。
就目前发表的资料看，储氢材料尚无明确的、公认的分类方法，本文把它分为以下4类：(1) 金属（或合金）储氢材料氢几乎可以同周期表中的各种元素反应，生成各种氢化物或氢化合物。
但并不是所有金属氢化物都能做储氢材料，只有那些能在温和条件下大量可逆的吸收和释放氢的金属或合金氢化物才能做储氢材料用。
例如：目前以开发的具有实用价值的金属型氢化物有稀土系AB5型；锆、钛系Laves相AB2型；钛系AB型；镁系A2B型；以及钒系固溶体型等几种。
金属与氢反应的实验模型如图1-1所示。
图1-1 合金储氢材料与H2反应示意图Fig.1-1 The reaction chart of metal with H2(2) 非金属储氢材料从目前的研究的情况分析，能够可逆的吸放氢的非金属材料[9,10]仅限于碳系材料、玻璃微球等非金属材料，是最近几年刚发展起来的新型储氢材料。
例如碳纳米管、石墨纳米纤维、高比表面积的活性炭、玻璃微球等。
这类储氢材料均属于物理吸附模型，是一种很有前途的新一代储氢材料。
(3) 有机液体储氢材料某些有机液体[11,12]，在合适的催化剂作用下，在较低压力和相对高的温度下，可做氢载体，达到贮存和输送氢的目的。
《二次电池材料》课件
3 安全性
电池的安全性是至关重要的，一种理想的二次电池材料应该具有低风险的热失控和短路 发生概率。
二次电池材料的研究进展
新材料的发展
科学家们正在积极研发新型二次电池材料，以提 高电池性能、延长循环寿命和减少成本。
《二次电池材料》PPT课 件
这份PPT课件将带你了解什么是二次电池材料，它们的用途和重要性，以及 二次电是指可重复充放电的电池中使用的物质。了解这些材料的性质和特点对研发更先进的二次 电池至关重要。
二次电池工作原理
1
电池反应机制
2
充电时，正极材料通过氧化还原反应
释放电子，负极材料则吸收电子。放
电时，反应反转。
3
充放电过程
二次电池通过充电将电能储存，然后 通过放电释放储存的能量。这个循环 可以多次重复。
电性能优化
为了提高电池的性能和循环寿命，需 要研究和优化材料的特性，如容量、 电导率和界面稳定性。
常见二次电池材料
钴酸锂
钴酸锂被广泛用作锂离子电池的正极材料。它具有高充放电效率和较高的能量密度。
磷酸铁锂
磷酸铁锂是一种持久性电池材料，能够提供稳定的电流输出，适合用于电动车等应用。
锰酸锂
锰酸锂具有良好的循环稳定性和大容量，是一种常用于可穿戴设备和移动电源的电池材料。
二次电池材料的性能要求
1 容量
二次电池材料的容量决定了电池可以储存和释放的能量量。高容量的材料能提供更长的 续航时间。
2 循环寿命
制备方法改进
改善二次电池材料的制备方法可以提高生产效率、 优化材料性能并减少对环境的影响。
结论
二次电池材料在当今社会中发挥着重要作用，影响着电动汽车、可再生能源 储存等领域的发展。未来的发展趋势是发掘更多的新材料和提高电池性能。
镍氢电池
镍氢电池的定义常见二次电池性能对比镍氢电池的工作原理转变成NiOOH，负极则发生水分解反应，合金充电时，正极Ni(OH)2镍氢电池的电极反应过充电时，由于正极上的Ni(OH)2已全部转变成NiOOH，电极反应变成为电解水的析氧反应，O2扩散到负极，在储氢合金的催化作用下得到电子形成OH-。
过放电时，正极上的NiOOH已全部转变成Ni(OH)2，水在镍电极上被还原生成H2，生成的H2在储氢合金上消耗掉。
过充过放时的电极反应1. Ni(OH)2的晶型2. Ni(OH)2的制备方法化学沉淀法粉末金属法电解法树脂交换法3. Ni(OH)2的添加剂Co添加剂稀土添加剂4. 影响Ni(OH)2的因素5. 纳米Ni(OH)21.氢气的储存方法2.储氢合金的性能评价(1) 储氢合金的热力学性能氢与储氢合金接触时首先形成含氢固溶体(α相)，当氢的吸收达到饱和后，固溶体与氢反应生成金属氢化物(β相)。
横坐标表示固相中的储氢量，纵坐标表示氢压。
当温度T1不变时，随着氢压的增加，氢溶于金属的数量逐渐变大，金属吸氢，形成固溶体(α相)。
当达到氢在金属中的极限溶解度A点时，α相转变成β相，继续加氢，系统压力不变，氢在恒压下被金属吸收，所有α相都转变成β相，到达B点。
AB段为两相的共存区，这段曲线呈平直状，称为平台区，相应的压力称为平衡压力，该段横坐标代表了有效储氢量。
当温度升高时，平台上上方移动，平台变短。
因此，低温有利于吸氢，高温有利于放氢。
(2)储氢合金的电化学性能3. 储氢合金的类型是不是所有储氢合金都能用作用于MH-Ni电池的负极材料呢？显然不是，MH-Ni电池负极材料的储氢合金应满足以下条件：1. 电极基体材料2. 隔膜隔膜的性能指标有外观、厚度、电阻、吸碱率、干湿强度、耐腐蚀能力、吸液速度及杂质含量等，其中电阻是关键指标。
3. 电解液4. 导电剂5. 胶黏剂。
20120520 镍氢电池基本知识ppt
三、表征镍氢等二次电池的主要技术参数
AA1400 循环寿命
1400 1200 1000
Capacity
800
600
400
200
0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Cycle numbers
三、表征镍氢等二次电池的主要技术参数
5、电池高倍率放电性能
5.1 电池高倍率特性表征 （C或者It）
1650 1500 1350 1200 1050
20، و 0، و -10، و -20، و
Voltage
900 750 600 450 300 150 0 0 2 4 6 8 10 12
Dischage duration (min)
六、镍氢电池的主要分类与选用原则
6.1 镍氢电池主要分类方法：
A：按放电倍率分类 （IEC标准）： 低倍率型 （L）：（≤ 0.5 C） 中倍率型 （M）：（≤ 3.5 C） 高倍率型 （H）：（≤ 7.0 C） 超高高倍率型： （X）：（≥ 7.0 C） B:按放电倍率分类 （凯恩分类方法）： 低倍率型 ：（≤ 1.0 C） 中倍率型： （≤ 5.0 C） 高倍率型： （≤ 10.0 C） 超高高倍率型： （≥10.0 C）
1.4 1.2 1.0
Voltage
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 30 60 90 120 150 180
Storage days at 50 centi陷
爆炸：任何条件下严禁发生
短路及微短路：一定比例
一般单体千分之几到万分之几
正常使用条件下漏液：
能量 密度 高倍率放 自放电 电特性 环境 兼容性
镍氢电池的结构工作原理
镍氢电池的结构工作原理
镍氢电池是一种典型的二次电池，它由正极、负极、电解质和隔膜组成。
正极：正极由镍氢化合物制成，其中的活性物质是镍氢化物（NiMH）。
这种材料可以与氢气发生反应，在充电时将氢气储存为氢氧根离子（OH-）。
在放电时，氢氧根离子会转化为水。
负极：负极由金属氢化物制成，其中的活性物质是锑氢化物（SbH3）。
在充电时，锑氢化物会释放出氢气，而在放电时则会接收氢气。
电解质：电解质一般使用氢氧化钾（KOH），它能够提供离子导电的环境。
隔膜：隔膜的作用是防止正负极直接接触，防止短路，并允许离子的交换。
工作原理：
1. 充电：在充电时，外部电源提供直流电，正极上的氢氧根离子（OH-）被氧化成氧气，负极上锑氢化物（SbH3）发生还原反应，释放出氢气。
氧气和氢气会分别在正负极的表面反应，将氢氧根离子和氢气转化为氢氧根离子（OH-）和水，并储存在电池中。
2. 放电：在放电时，电池外部形成电路，氢氧根离子（OH-）在正极上发生还原反应，转化为水，同时释放出电子，电子通过外部电路流动至负极。
负极上的
锑氢化物（SbH3）被氢气氧化，同时接收电子，转化为锑氢化物。
整个充放电过程中，镍氢电池通过氢气与氢氧根离子的转化，实现了电能与化学能的转换。
镍氢电池的循环使用可重复多次，具有高能量密度、低自放电率、无污染等优点。
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2H2O + 2e- 2OH- + H2 氧氢化学复合 电池反应 1/2O2 + H2 H2O 总反应 镍电极 不发生 H2O + e- OH- +1/2H2 1/2H2 + OH- e- + H2O 不产生
-0.829 -0.829 0
过放电 (反极)
氢电极 总反应
电池的记忆效应
镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始 充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如， 镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后， 该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效 应。
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3.2 工作原理
镍氢电池是以氢氧化镍作为正极，储氢 合金作为负极，氢氧化钾溶液做电解液。
它的工作状态可以划分为3种：正常工作状态、 过充电状态和过放电状态。在不同工作状态下， 电池内部发生的电化学反应是不同的。
• 它的工作状态可以划分为3种：正常工作状 态、过充电状态和过放电状态。在不同工 作状态下，电池内部发生的电化学反应是 不同的。
B．按电解质性质分类 按电解质性质可分为酸性电池（铅酸电池）、 碱性电池（氢镍电池）、中性电池、有机 电解质电池（锂离子电池，如Li-MnO2)、非 水无机电解质电池(Li-SOCL2锂-亚硫酰氯)和 固体电解质电池。
C．按活性物质的保存方式分类 按活性物质的保存方式可以分为：活性物质 保存在电极上面，其中有一次电池和二次 电池两种；活性物质保存在电池之外，使 用时通入电极，这类有非再生型燃料电池 和再生型电池。
二次电池简介
一次电池或原电池：电池能放电，当电池电力用尽时无 法再充电的电池。 市场卖的碱性电池，锰锌电池，水银电池，都是一 次性电池。一次电池又称原电池，只能用来放电且在放 电后，不能用一般的充电方法获得复原的电池，它只能 将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学 能。
化学能 电能
二次电池或蓄电池：电池的充放电反应是可逆的。 放电时通过化学反应可以产生电能。通以反向电流 (充电)时则可使体系回复到原来状态，即将电能以 化学能形式重新储存起来。
第四讲 镍氢二次电池材料
目
录
• 一、电池的分类 • 二、 镍氢（Ni/MH）电池 • 三、镍氢电池的结构与原理 • 四、镍氢电池结构材料 • 五、 常见问题分析
பைடு நூலகம்
一、电池的分类
A．按工作性质分类： （1）原电池：又称一次电池。如：锌-锰干 电池、锌-汞电池、锂电池。 （2）蓄电池：又称二次电池，如：铅酸电池、 镉-镍电池、氢-镍电池、锂离子电池 （3）贮备电池：又称“激活电池”，使用前 临时注入电解液或用其它方法使电池激活。 如：镁-银电池、铅-高氯酸电池 （4）燃料电池：该类电池又称“连续电池”， 即将活性物质连续注入电池，使其连续放 电的电池。如：氢-氧燃料电池、肼-空气燃 料电池
二、 镍氢（Ni/MH）电池
2.1、常用镍氢电池的种类
镍氢扣式充电电池系列
镍氢方形电池可充电电池系列
2019/2/19
镍氢圆柱形可充电池系列
12
常 用 小 型 镍 氢 电 池
2019/2/19
13
镍氢可充电池组系列
镍氢9V可充电池系列
动力型镍氢电池(组)
2019/2/19 14
2.2 Ni／MH电池的概况 镍氢电池是由贮氢合金负极，镍正 极，氢氧化钾电解液以及隔板等组成 的可充电电池，它与镍镉电池的本质 区别只是在于负极材料的不同。这种 电池的电压和镍镉电池完全相同，为 1.2伏，因此它可以直接用在使用镍 镉电池的器件上。镍氢电池的设想在 七十年代开始有人提及，大量的研究 集中在八十年代，工业化生产从九十 年代初期开始。
电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分 放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的 氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶 体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。
化学能
电能
典型的二次电池体系
Ni／Cd电池、Ni／MH电池和LIB电池主要性能对比
一次电池与二次电池的有哪些异同点？
• 一次电池只能放电一次，二次电池可反复 充放电循环使用 • 二次电池在放电时电极体积和结构之间发 生可逆变化，因此设计时必须调节这些变 化，而一次电池内部则简单得多，因为它 不需要调节这些可逆性变化 • 一次电池的质量比容量和体积比容量均大 于一般充电电池，但内阻（0.2-0.5Ω）远 比二次电池大，因此负载能力较低 • 另外，一次电池的自放电远小于二次电池。
表：镍氢电池的电极反应及对应的标准电位 工作状态 镍电极 正常 氢电极 总反应 镍电极 过充电 氢电极 电 极 反 应
NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
E(V) +0.490 -0.820 1.319 +0.401 -0.829 ＋1.23
1/2H2 + OH- H2O + e1/2H2 + NiOOH Ni(OH)2 2OH- 2e- + 1/2O2 +H2O
产品特性
• • • • • 广泛性：适用于任何地方、任何装置 长寿电池：循环使用1000周期以上 即用性：本身带电几乎等于干电池 可长期保存：理想的“待机王” 卓越性能：５倍于普通干电池
2.3 Ni／MH电池的应用
笔记本电脑与镍氢电池
混合动力车与镍氢电池
混合动力车与镍氢电池
三、镍氢电池的结构与原理
2.3 Ni／MH电池的优点
与Ni／Cd电池相比，Ni／MH电池具有以下显著优点：
（1）较低的成本 （2） 能量密度高，同尺寸电池，容量是Ni／Cd电池的1.5—2倍。 （3）无镉污染，所以Ni／MH电池又被称为绿色电池： （4）良好的快充性能 （5）电池工作电压也为1.2 V，与Ni／Cd电池有互换性。 （6）循环寿命长 （7）无记忆效应 （8）广泛的温度使用范围 （9）耐过充放电能力强，安全性能好
3.1、镍氢电池结构
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。 在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开 卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形 电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密 封在钢壳中。
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Prof. Guoyou GAN,Faculty of MSE,KMUST