镍氢电池工作原理及相关知识

2020-07-29 09:15:37 深圳市创新易电子科技有限公司

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多,性能比锂电池要差。

化学成分

镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属互化物。许多种类的金属互化物都已被运用在镍氢电池的制造上,它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类,A是稀土元素的混合物(或者)再加上钛(Ti);B则是镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn),(或者)还有铝(Al)。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成,这里的A则是钛(Ti)或者钒(V),B则是锆(Zr)或镍(Ni),再加上一些铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和(或)锰(Mn)。所有这些化合物扮演的都是相同的角色:可逆地形成金属氢化物。电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气(H2),以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。

重量

以每一个单元电池的电压来看,镍氢与镍镉都是1.2V,而锂电池确为3.6V,锂电池的电压是其他两者的3倍。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等,而镍氢电池却比较重。可知,每一个电池本身重量不同,但锂电池因3.6V高电压,在输出同等电压的情况下使的单个电池组合时数目可减少三分之一而使成型后的电池重量和体积减小。

记忆效应

镍氢电池与镍镉电池相同都有记忆效应。因此,定期的放电管理也是必须的。这种定期放电管理属于模糊状态下被处理,甚至也有些在不正确的知识下进行放电(每次放电或者使用几次后进行放电都因公司的不同而有所差异)这种烦琐的放电管理在使用镍氢电池时是无法避免的。相对而言,锂电池因为完全没有记忆效应,在使用上非常方便简单。它完全不必理会残余电压多少,直接可进行充电,充电时间自然可以缩短。

充电

当快速充电时,可以透过充电器内的微电脑去避免电池过充的情况产生。现今的镍氢电池含有一种催化剂,可以及时的解除因为过充所造成的危险。2H2+O2--催化剂-->2H2O,但是这个反应只有从过充开始的时间算起的C/10小时内有效(C=电池标示的容量)。当充电程序开始后,电池的温度会上升的很明显,有些急速充电器(低于1小时)内含风扇来避免电池过热。

有的厂商认为:使用一些简单的恒流(且电流要小)充电器,不管有没有计时器,都可以安全地为镍氢电池充电,允许的长时间充电电流为C/10h(电池的标称电量除以10小时)。实际上,一些造价低廉的无线电话基地台和最便宜的电池充电器正是这样工作的。尽管这可能是安全的,但对电池的寿命可能会有不良影响。根据松下公司(Panasonic)的《镍氢电池充电指南》(链接在页面底部),长期使用涓流方式(以很小的电流长时间充电)充电有可能导致电池损坏;为了防止损伤电池,涓流充电的电流应限制在0.033×C每小时到0.05×C每小时之间,最长充电时间为20小时。

对于镍氢电池的长期保养来说,使用低频脉冲-大电流的充电方式要比使用涓流充电方式更能保持好电池状态。

新买回来的,或者是长时间未使用的镍氢电池,需要一段“激活”时间来回复电池电量。因此,一些新的镍氢电池需要经过几次充电-放电循环才能达到它们的标称电量。

放电

在电池的使用过程中,也必须小心。对于串联在一起的几颗电池(比如数码相机中4颗AA电池的通常排列方式),要避免电池完全耗尽电能,进而发生“反向充电”(Reversecharging)。这会对电池产生不可挽回的损害。不过,通常这些设备(比如之前提到的数码相机)能够检测串联电池的放电电压,当它下降到一定程度时,便自动关闭,以保护电池。单颗电池并不会有以上的危险,只会一直放电,直到电压为0。这不会对电池造成损害,实际上,周期性地将电放完然后再充满有利于保持电池的容量与质量。

镍氢电池具有较高的自放电效应,约为每个月30%或更多。这要比镍镉电池每月20%的自放电速率高。电池充得越满,自放电速率就越高;当电量下降到一定程度时,自放电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分大的影响。正因如此,长时间不用的镍氢电池最好是充到40%的“半满”状态。

低自放电效应的镍氢电池在2005年推出市面,生产商宣称在20℃室温存放一年后仍可保存70%至85%电量,而且可以以一般的镍氢电池充电机进行充电。某些低自放电效应的镍氢电池在低温下有比碱性电池及锂离子电池更佳的放电特性。

容量

不同型号(特别是不同体积)的电池,容量越高,提供使用的时间越长.抛开体积和重量的因素,当然容量越高越好.但是同样的电池型号,标称容量(比如600mAh)也相同,实际测的初始容量不同:比如一个为660mAh,另一个是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好。

实际情况可能是容量高的是因为电极材料中多了增加初始容量的东西,而减少了电极稳定用的东西,其结果就是循环使用几十次以后,容量高的电池迅速容量衰竭,而容量低的电池却依然坚挺。许多国内的电芯厂家往往以这个方式来获得高容量的电池。而用户使用半年以后待机时间却是差得一塌糊涂。

民用的那些AA镍氢电池(就是五号电池),一般是1400mAh,却也有标超高容量的(1600mAh),道理也是一样。

提高容量的代价就是牺牲循环寿命,厂家不在电池材料的改性上下文章,是不可能真正提高电池容量的。电池材料比表面积研究是非常重要的,电池材料比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的,国内目前有很多仪器只能做直接对比法的检测,现在国内也被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法,国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的,请参看中国国家标准(GB/T19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力的不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神就会导致测试过程的失败,这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器(兼备直接对比法),更重要的F-Sorb2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备,其测试结果与国际一致性很高,稳定性也很好,同时减少人为误差,提高测试结果精确性。

保养与使用

(1)一般情况下,新的镍氢电池只含有少量的电量,大家购买后要先进行充电然后再使用。但如果电池出厂时间比较短,电量很足,推荐先使用然后再充电。

(2)新买的镍氢电池一般要经过3-4次的充电和使用,性能才能发挥到最佳状态,很多朋友第一次充电碰到的小问题,比方第一次充电后拍片数量没有想象的那么多。在3-4次充电和使用后就都迎刃而解了。

(3)虽然镍氢电池的记忆效应小,仍然推荐大家尽量每次使用完后再充电,并且是一次性充满,不要充一会用一会然后再充。这可是“延年益寿”的重要一点。

(4)电池充电时,要注意充电器周围的散热,太刻意用什么风扇吹没有什么必要,但要注意的是充电器周围不要放置太多杂物。普通用户在使用电池的过程中,电池往往没有专用的存放包;用户在替换电池后,会习惯性的把电池随手放好,而不管所放的地方是否干净、潮湿。这样的后果就是电池容易弄脏、触点易与金属?比如钥匙等接触、容易受潮,而这些都是电池的大敌。建议:用户应该设置一个电池专用放置点,并保持电池的清洁。为了避免电量流失等问题发生,保持电池两端的接触点和电池盖子的内部干净,必要时使用柔软、清洁的干布轻擦。

(5)长时间不用的时候,记得把电池从电池仓中取出,置于干燥的环境中推荐放入牌电池盒中,可以避免电池短路。

(6)长期不用的镍氢电池会在存放几个月后,电池自然进入一种“休眠”状态,电池寿命大大降低。如果镍氢电池已经放置了很长的时候,建议你先用慢充进行充电为宜。因为:据测试,镍氢电池保存的最佳条件是带电80%左右保存。这是因为镍氢电池的自放电较大(一个月10%-15%左右),如果电池完全放电后再保存,很长时间内不使用,电池的自放电现象就会造成电池的过放电,会损坏电池。不信?那你想一想新买的镍氢充电电池是不是都还有电的,其中就是这个道理。建议:多比较,纠正错误的观点,从正确的方向入手保养电池,否则会事与愿违。

(7)对镍氢进行放电。专家建议。尽量不要对镍氢电池放电,过放会导致充电失败,这样做的危害远远大于镍氢电池本身的记忆效应。

(8)万用表自检电池充满与否。一般镍氢电池在充电前,电压在1.2V以下,充满后正常电压在1.4V左右。大家以此判断,也就很容易判断电池的状态了。

(9)充电器主要分为快充和慢充。慢充电流小,通常在200mA左右,比如我们常见的充电电流是在160mA左右。充电时间长,充电1800mAh的镍氢电池要16个小时左右。时间虽然是慢了些,可是充电会充的很足,并且不伤电池。快充电流通常都在400mA以上,充电时间明显减少很多,3-4个小时就可以搞定,也赢得了大家的喜爱。快充种类很多,价格不一。所以大家也常常有疑问,同是快充,价格为什么相差甚大呢?好的充电器特别是好的快充都带有防过度充电保护功能的,比方我们常见的松下极品充电器BQ390在这方面表现尤为出色,优秀的芯片软件设计能力在对电池充电时,也把快充对电池的伤害降到了最低。

(10)矛盾出现,慢充不伤电池但是充电时间太长;快充可以节省时间,但对电池有伤害,即使是目前世面上最好的松下极品充电器BQ390也只能很好的降低伤害程度,但不可完全避免。解决矛盾的方法就是要买一个快充和一个慢充。用快充充一段时间,比方5至10次之后,改用慢充充电一两次。这样就又把电池的性能恢复到最佳状态。

(11)电池使用时一般都是电池组,就是4节或6节串联起来,这时候,保持每节电池的平衡就很重要了,否则因为其中的一节电池问题而影响整个电池组的工作。首先要保证电池容量一致,最好选择相同牌子相同型号同时购买的电池。然后,要保持电池内部的电量一致,简单的说,就是电池组的电要么都是满的,要么都是空的。如果有比较多的电池组成若干组电池组,可以试着“精选”一下。具体就是说,将容量、电压等参数相近的电池单体串联成一组电池组,由于条件不足,一般情况下测一下放完点后的电压和冲好电的电压就可以了。

(12)最后谈谈充放电。高档的NI-MH充电器用的是-DELTAV检测电池电压来判断电池是否充满。电池充电时的电压曲线和放电时有点相似,开始时是比较快的上升,之后缓慢上升,等到充好的时候,电压又开始快速下降,只是下降的幅度不是很大。之前常用的镍镉电池也类似,只是下降的速度和幅度比NI-MH都大。而市场上最多的充电器(比较便宜的那种)常常用的就是恒压充电,比如老GP充电宝就是1.4V恒压,就是电池冲到1.4V时由于没有电压差了,充电就结束了。这样的结果,往往就是电池无法充满,特别是一些比较旧的电池,由于内阻增大,真正加在电池上的电压更低。而且这种充电器电流往往较小,充电往往要10多个小时。而用-DELTAV自动切断的充电器,由于能够准确地控制充电时间,因此可以比较可靠的使用大电流充电。大电流充电对于镍氢电池的损害并没有大家想象的利害,相反的时,现在DC的使用状况,更需要大电流充电。首先是时间问题,不用讲了。然后,镍氢电池有个特性,就是你充的电流越大,它能放出的电流也就越大,现在DC都是电老虎,电流都不小,因此相对来说使用相对来说较大的电流充电是个明智的选择,可以让电池放得更加干净。一般5号充电电流不能超过1.5C,C为电池容量,就是1000MAH的电池,不要超过1.5A。我一般用0.5C进行充电(我的充电器可调电流)。放电方面,一般情况下,DC黑屏后拿去充就可以了,NI-MH记忆效应很小。不过在一段时间使用后,以及要平衡电池、激活电池的时候,要控制好电池放电的终止电压。NI-MH电池的终止电压为0.9V,放电的时候注意不要过放电,放到每节电池0.9V时就可以停止放电了。NI-MH电池没有镍镉电池强悍,对过充过放以及高温都比较敏感。充放电温度。一般来说,不要让电池的温度高于45度。电池充满的时候,电池会发热,大电流充满时温度应该为42度左右,不要超过45度,否则寿命会很快降低,电池内阻将会增大。还有,充电后电池温度较高,等冷却后才可对其充电,充电前也要等电池冷却。长时间不用后重新使用,最好充放几遍重新激活电池。平时使用的时候要注意保持包装皮的完整,不能有破损,以免短路。不要摔打冲击电池,不要火烧等等。

电化学原理

主要为KOH作电解液(电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH)

充电时

正极:Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-

负极: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。


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