镍氢电池原理

一、镍氢电池原理镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属氧化物，也称贮氢合金(电极称贮氢电极)，电解液为6N氢氧化钾，在电池充放电过程中的电池反应为：氧化电极上：NIOOH+H2o+e ==== Ni(OH)2+OH。

贮氢电极上：MH十oH-e ===== M+H2O电池总反应：MH + NiOOH ==== M+Ni(OH)，其中，M表示贮氢合金材料。

电池的开路电压为：1.2V～1.3V、因贮氢材料和制备工艺不同而有所不同。

过充电时，两极上的反应为：氧化镍电极上： 4OH-4e一2H2O十O2贮氢电极上； 2H2O+O2+4e一4OH电池过充电时的总反应：O电池在设计中一般采米用负极过量的办法，氧化镍电极全充电态时产生氧气，经过扩散在负极重新化合成水，这样，既保持了电池内压的恒定，同时义使电解液浓度不致发生巨人变化。

当电池过放电时，电极反应为：氧化镍电极上：2H2O+2e H2+2OH贮氢电极上；H2+2OH-2e 2H2O电池过放电时的总反应：O虽然过放电时，电池总反应的净结果为零，但要出现反极现象。

由于在正极上产生的氢气会在负极上新化合，同样也保持了体系的稳定。

另外，负极活性物质氢以氢原子态能以相当高的密度吸附干贮氢合金中，在这样的电极上，吸放氢反应能平稳地进行，放电性能较镉-镍电池而言得以提高。

二、组成与结构如上所述，镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属氢化物，也称贮氢合金(电极称贮氢电极)，电解液为6N氢氧化钾。

由活性物质构成电极极片的工艺方式主要有饶结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式、嵌渗式等工艺方式，不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异，一股依据使用条件的不同，采用不同的工艺构成电池。

通讯等民用电池人多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成电池。

常见的圆柱型镍氢电池组成与结构如图1所示。

图1、圆柱密封镍氢电池结构示意图三、性能与技术要求镍金属氢化物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问。

这种电池的电压和镍镉电池完全相同，为1 2伏。

它可以直接用在使用镍镉电池有器械件上。

镍氢电池的设想在七十年代开始有人提及，大量的研究集中在九十年代，工业化生产从20世纪最后10年的初期开始。

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、固溶体型等，其中主要使用稀土金属的是AB5型合金。

AB5型贮氢合金主要由铜镧糸元素和镍组成，同时少量添加铝，锰，钴等。

不是所有的贮氢合金都能作镍氢电池的负极材料。

日本生产镍金属氢化物电池主要是用稀土金属和混合稀土金属作负极，生产的电池占全世界该种电池产最的90％以上，美国主要使用钛银基合金作负极，生产的电池约占全世界产量的5％，生产公司有奥芬尼克和杜拉塞乐等几个公司。

1．镍金属氢化物电池的优越性。

Ni-MH电池具有能量密度高、功率密度高、可快速充放电、循环寿命长以及无记忆效应、无污染、可兔维护、使用安全等特点，被称为绿色电池。

该种电池同镍锅电池相比，性能指标普遍高于镍镉电池；Ni-MH电池的比能量是镍镉电池的1.5—2倍。

电流充放电时，无记忆效应、低温特性好、综合性能优于镍镉电池，同时镍镉电池废电池处理复杂，在能源紧张，环境污染严重的今天，Hi—MH电池显示出广阔的应用前景。

因为极镍电极同镍镉电池完全一样，所以凡是能使用镍镉电池的电器都可以使用镍金属氢化电池；它无毒，利于环保且综合性能优于镍镉电池，它也不会象锂高子电池那样遇潮易爆炸。

因此，近五年来生产发展速度远高于镍镉电池。

2，镍金属氢化物电池水平现状镍金属氢化物电池与镍镉电池相同点是电压一样。

不同点是自放电率约高。

其它各项性能指标有高有低，有些高于镍镉电池，有些低于锂离子电池。

表1详细列出了日本镍金属氢化物电池的性能水平现状。

表1 日本小型贮氢电池性能水平现状四、检测分选、组合与报表摄相机电池的性能检测主要是依据电池在实际工作条件的需要求来定，其主要步骤如下:l、对新购置的电池(或自行研制的电池)，需在有关性能检测或化成设备上，对所有单体电池进行恒流充、放电三至五个循环，充、放电电流为02C，100%DOD(放电截止电位为10伏)，电池容量趋于稳定后，判断电池的额定容量。

2、将所有单体电池按摄相机从开机、工作、关机过程所有工况及充电器所进行的充电工况等所需电流，按步骤设定测试程序所需充放电电流。

得到相应的电池充电放电曲线。

如有可能还需测试电池低温、高温条件下(分别根据摄相机用户所在地冬天、夏天气温而定)的容量，必要时，测定电池的使用寿命或按国标测试。

3、将第2步骤测试所得所有单体电池的充放电曲线，在同一坐标系中进行比较。

将电池充放电曲线最相近的电池按10个单体电池一组组合，并记录相应电池编号。

4、将组合后的电池，按要求装壳后，在12V测试量程上，再按第二步骤测试电池组相应的充放电曲线，判断电池组放电电压平台，以确定电池品质等级。

5、在第4步骤电池组中，接入相应过流保护器、热敏电阻及电压比较线路或芯片(单片机等)，或电池充电器；并根据以上步骤所测定电池性能状况，确定电池充放电控制方式。

6、电池组按第5步骤控制方式检测充放电性能，并检测电池组在短路、断路、长时间过充电、过放电等极端条件下，控制线路的保护的可靠性与安全性。

7、将合格品封壳、包装、再检测。

有关电池性能报表在测试上位计算机制定，参考报表如下：表1、电池性能检测报表：检测室温：表2、电池成组方式：检测室温：六、装配与线路（略）七、充电与充电器在可充电池(化学电池或物理电池)的运用过程中，充电器是其成功运用的重要装置，所以可充电池一出世，充电器便是个关键问题，因为充电器的好坏直接影响到电池的两个重要技术指标：1)可充电池的使用容量；2)可充电池的循环使用次数，即使用寿命。

然而直到六十年代以前，充电器技术并没有得到长足发展，普遍采用的方法主要是恒流或恒压充电方法，充电效果不是太理想。

这种状况直到六十年代基于最低出气率可充曲线原理发现电池可接受充电电流大小随时间按指数规律下降这一规律后，才证实恒流或恒压充电均不是最适合的方法。

因为恒流充电时，其起始充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，充电时间长，而在充电后期，最终的充电电流又总是高于电池可接受的程度，因而电池内部气体析出率不断增加，到充电结束时，所有充电电流全部供给气体析出，电池内部电压迅速增加，电池温度也随之迅速上升，造成每次充电电极上都有活性物质脱落，从而大大降低了电池的寿命，而恒压充电方法在充电初期电池内阻极低致使充电电流过大，而随时间并不按指数规律下降(常偏离制定曲线)。

根据充电曲线研究实验，又提出了所谓的两段式、三段式或更多段式充电。

所谓两段式充电指首先对电池进行恒流或恒压充电，当电池电压达到一定程度，然后对电池进行涓流充电：所谓三段式一般是首先对电池进行恒流充是，待电池电压达到电压阀值后转化为第二阶段，即所谓限压充电阶段，当充电电流小到某种程度后转化为第三阶段．即所谓限压充电。

另外，由于实际运用的需要，往往还希望对电池进行快速充电．影响充电器快速充电还有两个重要因素：一是极化电压：二是记忆效应，其中极化电压是在充电过程中，电荷堆积于电池电极上而产生的反问电压，实际上表现为对电池内阻的增加上，消除它的有效方法是采用负脉冲方法在电池两端瞬间放电去除电极上堆积的电荷．并由此产生了脉冲充电方法：记忆效应并不是所有电池都有，可以通过多次的充放电即可消除。

上述两种效应应该在充电控制器设计中予以重视。

实际上，充电控制器在近年采取得了长足的发展，一个明显的标志就是世界上大多数的半导体厂商大都出品了自己的充电器芯片，有的还带有中央处理器(即CPU)。

综上所述，尽管已经有了多种充电方法，而且也有一定的效果，然而大多忽略了一个重要事实，即充电电池并不是工作于理想状态，每个电池都有自己独特的个性．确切地说每个充电电池都有自己有别干其它甚至是同类电池的充放电曲线，该曲线甚至在充电过程中还足动态变化的，这就意味着好的充电控制模式应该是变化的，而且应该与电池的充放电曲线变化一致才是最佳的。

事实上，每个电池在充电的任意时刻总存在一个最佳的充电电流和充电模式的，问题是我们如何才能逼近这个晕佳值。

以下介绍一些较好的自适应控制智能快速电沁充电器控制方法的思路要点。

1．总体控制方法：采用了正负(包括O脉冲)脉冲作为对电池的充放电控制波形，其中正脉冲为充电脉冲，负脉冲为放电脉冲，O脉冲间于充电与放电脉冲间，表示充放电的休止期。

事实上，上述三种脉冲在后面讲的控制过程中都有可熊时间长度为O，比如，O脉冲和负脉冲的时间周期为时，总体控制波形仿真限压充电模式：而特定的组合脉冲形式又可以仿真为恒流充电等。

总之，通过调整这种波形可以仿真几乎所有的充电波形和充电模式；2．采集的信息：在本方法中，采集的信息包括：正脉冲期间的充电电流大小及其随时间的变化：负脉冲期间的放电电流及其随时间的变化量：电池温度及其随时间的变化量，电池电压及其随时间的变化量。

这些信息是我们用于学习和控制的第一手材料，通过对他们的分析可以估算电池的内阻，进而计算出电池当前所处的状态等；3．充满判断规则：对充电电池是否在充电过程中已充满的判断是充电器的重要指标，如果电池未充满而错判为充满将导致电池欠充，反过来则将导致电池过充，两种情况都对电池的寿命有重大影响。

综合起来，判断规则有如下几种：●定时控制；●电压控制(含最高电压：电压负增量：电压零增量等)；●温度控制(包括最高温度，最高温升：温度变化率等)；●电流控制等。

较好的办法是采用综合判断方法，对每个指标进行跟踪，并按模糊数学原理分别记分，按照置信度做出最佳判断。

下面说明本方法的特点：1.充电技术能自适应地动态调整充电脉冲各参数值，使电池充电曲线与电池当前的充放电曲线一致，由于该曲线是变化的，所以充电脉冲也是不断变化和调整的；2.终止充电策略可能的情况下采用下模糊数学原理，充电器具体稳定可靠的特点，使充电不至错判，从而大幅度提高充电器的可靠性；3.本技术对电池类型没有要求，也就是说本充电技术可同时对铅酸、镍镉、银锌、镍氢或锂电池充电，而且充电效果并不因为电池类型的不同而有所差异；4.更进一步，本技术对电池的当前状态也有要求，即只要电池没有短路或者断路，都可以对电池进行正常充电，所以本充电技术还可对性能有所下降的电池有恢复或治愈的功能；5.由于采用了自适应控制立法，对电池无伤害，更加上上面4点，本技术可延长电池的使用寿命。