新能源汽車(chē)專(zhuān)業(yè)規(guī)劃教材“十二五〞職業(yè)教育國(guó)家規(guī)劃教材目錄第2章電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池基本知識(shí)第3章鉛酸動(dòng)力電池及其應(yīng)用第4章堿性動(dòng)力電池及其應(yīng)用第5章鋰離子動(dòng)力電池及其應(yīng)用第6章用于電動(dòng)汽車(chē)的其他動(dòng)力源第7章電動(dòng)汽車(chē)電源管理系統(tǒng)第1章電動(dòng)汽車(chē)與動(dòng)力電池發(fā)展歷程【引入】本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握鎳鎘電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及原理2.掌握鎳氫電池儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及原理3.掌握鎳氫電池在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用第4章堿性動(dòng)力電池及其應(yīng)用1.堿性動(dòng)力電池的儲(chǔ)能原理與結(jié)構(gòu)2.堿性動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)3.堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用1.堿性動(dòng)力電池的儲(chǔ)能原理與結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目的鎳氫電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理2鎳鎘電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理1鎳鎘電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理鎳鎘電池(Ni-Cd，Nickel—CadmiunBattery)因其堿性氫氧化物中含有金屬鎳和鎘而得名。圖4-1鎳鎘電池結(jié)構(gòu)示意圖鎳鎘蓄電池的正極材料為球形氫氧化鎳，充電時(shí)為NiOOH,放電時(shí)為Ni(OH)2。負(fù)極材料為海綿狀金屬鎘或氧化鎘粉以及氧化鐵粉，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，增加極板的容量。電解液通常為氫氧化納或氫氧化鉀溶液，為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中參加少量的氫量的氫氧化鋰〔大約每升電解液加15~20g〕。正極充放電反響為負(fù)極充放電反響為電池總反響為(1)鎳電極反響機(jī)理鎳電極充電時(shí)，首先是電極中Ni(OH)2顆粒外表的Ni2+失去電子成為Ni3+，電子通過(guò)正極中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和集流體向外電路轉(zhuǎn)移；同時(shí)Ni(OH)2顆粒外表晶格OH－中的H+通過(guò)界面雙電層進(jìn)入溶液，與溶液中的OH－結(jié)合生成H2O。上述反響先是發(fā)生在Ni(OH)2顆粒的外表層，使得外表層中質(zhì)子H+濃度降低，而顆粒內(nèi)部仍保持較高濃度的H+。由于濃度梯度，H+從顆粒內(nèi)部向外表層擴(kuò)散。鎳電極充電時(shí)，由于質(zhì)子H+在NiOOH／Ni(OH)2，顆粒中擴(kuò)散系數(shù)小，顆粒外表的質(zhì)子濃度降低，在極限情況下會(huì)降低到零，這時(shí)外表層中的NiOOH幾乎全部轉(zhuǎn)化為NiO2。電極電勢(shì)不斷升高，反響如下:由于電極電勢(shì)的升高，導(dǎo)致溶液中的OH-被氧化，發(fā)生如下反響:因此,在充電過(guò)程中．鎳電極上會(huì)有O2析出，但這并不表示充電過(guò)程已全部完成。通常情況下，在充電不久時(shí)鎳電極就會(huì)開(kāi)始析氧，這是鎳電極的一個(gè)特點(diǎn)。在極限情況下,外表層中生成的NiO2并非以單獨(dú)的結(jié)構(gòu)存在于電極中，而是摻雜在NiOOH晶格中。NiO2不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生分解，析出氧氣。(2)鎘電極的反響機(jī)理鎳鎘電池的負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鎘，放電產(chǎn)物是難溶于KOH溶液的Cd(OH)2。鎘電極的放電反響機(jī)理是溶解一沉積機(jī)理，放電時(shí)Cd被氧化，生成Cd(OH)3－進(jìn)入溶液，然后再形成Cd(OH)2沉積在電極上。Cd(OH)3－在堿液中的溶解度為9×10-5mol/L，該濃度可以使鎘電極具有較高的反響速率，這也是鎳鎘電池能夠高倍率放電的主要原因。電極的放電機(jī)理為首先發(fā)生OH－的吸附:隨著電板電勢(shì)不斷升高，鎘進(jìn)一步氧化，生成Cd(OH)3－進(jìn)入溶液:當(dāng)界面溶液中Cd(OH)3－過(guò)飽和時(shí)，Cd(OH)2就沉積析出:生成的Cd(OH)2附著在電極外表上，形成疏松多孔的Cd(OH)2，有利于溶液中的OH－繼續(xù)向電極內(nèi)部擴(kuò)散，使內(nèi)部的海綿狀鎘也通過(guò)溶解沉積過(guò)程轉(zhuǎn)化為Cd(OH)2實(shí)現(xiàn)內(nèi)部活性物質(zhì)的放電。鎳氫電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理鎳氫(MH-Ni)電池是在Ni-Cd電池的根底上開(kāi)展起來(lái)的，相對(duì)于鎳鎘電池，其最大的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境友好．不存在重金屬污染。民用鎳氫電池又是以航天用高壓鎳氫電池為根底，由于高壓鎳氫電池采用高壓氫，而且還需要用貴金屬作催化劑，這就很難為民用所接受。自20世紀(jì)70年代中期，研究者開(kāi)始探索民用的低壓氫鎳電池。鎳氫電池于1988年進(jìn)入實(shí)用化階段，1990年在日本開(kāi)始規(guī)模生產(chǎn)。目前，以?xún)?chǔ)氫合金為負(fù)極材料的鎳氫電池能滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)所要求的高能量、高功率、長(zhǎng)壽命和足夠?qū)挼墓ぷ鳒囟确秶髣?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，同時(shí)該類(lèi)電池也已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在電子工具、電動(dòng)自行車(chē)等日常生活用品上。1.鎳氫電池結(jié)構(gòu)包括以鎳的儲(chǔ)氫合金為主要材料的負(fù)極板、具有保液能力和良好透氣性的隔膜、堿性電解液、金屬殼體、具有自動(dòng)密封的平安閥及其他部件。圖示的圓柱形電池，采用被隔膜相互隔離開(kāi)的正、負(fù)極板呈螺旋狀卷繞在殼體內(nèi)，殼體用蓋帽進(jìn)行密封，在殼體和蓋帽之間用絕緣材質(zhì)的密封圈隔開(kāi)。儲(chǔ)氫合金在進(jìn)行吸氫／放氫化學(xué)反響(可逆反響)的過(guò)程中，也伴隨著放熱／吸熱的熱反響(可逆反響)，同時(shí)也產(chǎn)生充電／放電的電化學(xué)反響(可逆反響)。具有實(shí)用價(jià)值的儲(chǔ)氫合金應(yīng)該具有儲(chǔ)氫量大、容易活化、吸氫／放氫的化學(xué)反響速率快、使用壽命長(zhǎng)及本錢(qián)低廉等特性。2.鎳氫電池工作原理鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH(放電時(shí))和Ni(OH)2(充電時(shí))，負(fù)極板的活性物質(zhì)為H2(放電時(shí))和H2O(充電時(shí))，電解液采用30%的氫氧化鉀溶液．電化學(xué)反響如下：負(fù)極反響式正極反響式電池反響式鎳氫電池的反響與鎳鎘電池相似，只是負(fù)極充、放電過(guò)程中生成物不同。鎳氫電池在充、放電過(guò)程中，正、負(fù)極上在進(jìn)行電化學(xué)反響時(shí)不發(fā)生任何中間態(tài)的可溶性金屬離子，也沒(méi)有電解液中的任何組分消耗和生成，因而鎳氫電池可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并參加少量的LiOH。隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。為了防止充電過(guò)程后期電池內(nèi)壓過(guò)高，電池中裝有防爆裝置。當(dāng)鎳氫電池過(guò)充電時(shí)，金屬殼內(nèi)的氣體壓力將逐漸上升。當(dāng)該壓力到達(dá)一定數(shù)值后，頂蓋上的限壓平安排氣孔翻開(kāi)，因此可以防止電池因氣體壓力過(guò)大而爆炸。鎳氫電池放電時(shí)，正極上NiOOH得到電子復(fù)原成為Ni(OH)2；負(fù)極金屬氫化物(MHx)內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到外表形成吸附態(tài)氫原子，接著再發(fā)生電化學(xué)反響生成水和儲(chǔ)氫合金。在鎳氫電池出現(xiàn)過(guò)放電時(shí)，正極活性物質(zhì)中的NiOOH已經(jīng)消耗完了，這時(shí)正極上會(huì)發(fā)生水分子被復(fù)原為氫和OH-離子。負(fù)極上由于儲(chǔ)氫合金的催化作用，使OH-離子與氫反響又生成水。過(guò)充電時(shí)，正極上會(huì)析出氧，然后擴(kuò)散到負(fù)極上發(fā)生去極化反響，生成0H離子。在電池過(guò)充電和過(guò)放電過(guò)程中，正、負(fù)極上發(fā)生的反響可用正式表示正極：過(guò)充電析出氧過(guò)放電析出氫負(fù)極：過(guò)充電消耗氧過(guò)放電消耗氫儲(chǔ)氫合金既承擔(dān)著儲(chǔ)氫的作用，又起到催化劑作用，在電池出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放電時(shí)，可以消除由正極產(chǎn)生的O2和H2。從而使電池具有耐過(guò)充、過(guò)放電的能力。但隨著充、放電循環(huán)的進(jìn)行，儲(chǔ)氫合金的催化能力逐漸退化，電池的內(nèi)壓就會(huì)上升，最終導(dǎo)致電池漏液失效。2.堿性動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)學(xué)習(xí)目的鎳鎘電池應(yīng)用存在的問(wèn)題2鎳鎘電池的特性1鎳氫電池與鎳鎘電池的對(duì)比分析3鎳鎘電池的特性鎳鎘電池標(biāo)稱(chēng)電壓為1.2V，具有使用壽命長(zhǎng)(可充放電循環(huán)1000次以上)、機(jī)械強(qiáng)度高、密封性能好、使用溫度范圍大(-40～+50℃)維護(hù)保養(yǎng)方便、能耐受大電流(高于正常使用電流的幾倍乃至10倍)的瞬時(shí)沖擊等優(yōu)點(diǎn)。(1)充放電性能鎳鎘電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)是1.299V，額定電壓是1.2V，平均工作電壓為1.20～1.25V。剮充完電的電池開(kāi)路電壓較高，可以到達(dá)1.4V以上，放置一段時(shí)間后，正極不穩(wěn)定的NiO2發(fā)生分解，開(kāi)路電壓會(huì)降低到1.35V左右。鎳鎘電池在充電開(kāi)始時(shí)，電池電壓在1.3V左右，隨著充電進(jìn)行，電壓緩緩上升到l.4～1.5V并穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。充電電壓超過(guò)1.55V后，電解液中的水開(kāi)始電解，產(chǎn)生氣體，電壓開(kāi)始急劇上升，到充電末期，正、負(fù)極上都開(kāi)始析出氣體．電池電壓到達(dá)1.7—1.8V。鎳鎘電池的放電曲線比較平穩(wěn)，只是在放電終止時(shí)電壓突然下降，一般以O(shè).2C放電時(shí)，電壓穩(wěn)定在1.2V左右。(2)倍率持續(xù)放電特性動(dòng)力鎳鎘電池允許大電流放電而不會(huì)損壞，允許放電倍率在10C以上，但是大電流放電時(shí)，電壓下降很快，電池可放出的能量下降。(3)上下溫放電性能溫度升高時(shí)，鎳鎘電池的容量會(huì)增加，但溫度超過(guò)50℃時(shí)，正極的析氧過(guò)電勢(shì)降低，正極充電不完全；同時(shí)鎘的溶解會(huì)隨著溫度上升而增大,遷移到隔膜中，容易形成鎘枝晶，導(dǎo)致電池內(nèi)部微短路；另外高溫還會(huì)加速鎳基板腐蝕和鎘膜氧化，導(dǎo)致電池失效。低溫情況下，電解液的電阻增加．會(huì)使鎳鎘電池的容量下降。如-45℃以O(shè).2C放電鎳鎘電池一般只能提供50%左右的額定容量；-18℃以3C放電一般可以放出30%以上的額定容量。(4)耐過(guò)充電和過(guò)放電性能鎳鎘電池具有很好的耐過(guò)充電和過(guò)放電能力。1C恒電流持續(xù)充電2h，或強(qiáng)迫過(guò)放電不超過(guò)2h，電池不會(huì)損壞。鉛酸電池及后續(xù)章節(jié)介紹的鋰離子電池在這種情況下，都將產(chǎn)生永久的損壞。鎳鎘電池應(yīng)用存在的問(wèn)題〔1〕記憶效應(yīng)，鎳鎘電池長(zhǎng)期不徹底充電、放電，易在電池內(nèi)留下痕跡，降低電池容量，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池記憶效應(yīng)。比方，鎳鎘電池長(zhǎng)期只放出80%的電量后就開(kāi)始充電，一段時(shí)間后，電池充滿(mǎn)電后也只能放出80%的電量。記憶效應(yīng)的出現(xiàn)主要是由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊，造成Ni電極膨脹或生成不導(dǎo)電的Ni(OH)2，從而引起電池電壓下降或容量減少，使電池放電時(shí)形成次級(jí)放電平臺(tái)。鎳鎘電池會(huì)儲(chǔ)存這一放電平臺(tái)并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點(diǎn)。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低?！?〕環(huán)境污染鎘是鎳鎘電池的必備原材料，但有大量研究說(shuō)明，在人體內(nèi)，鎘的半衰期長(zhǎng)達(dá)730年，可蓄積50年之久，攝入或吸人過(guò)量的鎘可引起腎、肺、肝、骨、生殖效應(yīng)及癌癥．在1993年，國(guó)際抗癌聯(lián)盟就將鎘定為L(zhǎng)A級(jí)致癌物。一般人在低劑量鎘環(huán)境中暴露即可導(dǎo)致腎功能損傷、骨密度降低、鈣排泄增加及生殖毒性。鎘及其化合物是補(bǔ)課降解的環(huán)境污染物，可通過(guò)廢水、廢氣、廢渣大量流人環(huán)境，產(chǎn)生環(huán)境污染及健康危害?；诃h(huán)境保護(hù)的原因，許多興旺國(guó)家已建議禁止使用鎳鎘電池。鎳氫電池與鎳鎘電池的比照分析同鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：1)能量密度高，同尺寸電池，容量是鎳鎘電池的1.5～2倍。2)環(huán)境相容性好,無(wú)鎘污染，3)可大電流快速充放電，充放電倍率高。4)無(wú)明顯的記憶效應(yīng)。5)低溫性能好，耐過(guò)充放能力強(qiáng)。6)工作電壓與鎳鎘電池相同，為1.2V。鎳氫電池是鎳鎘電池的換代產(chǎn)品，電池的物理參數(shù)，如尺寸、質(zhì)量和外觀完全可與鎳鎘電池互換，電性能也根本一致，充放電曲線相似，放電曲線非常平滑，電快要消耗完時(shí)，電壓才會(huì)突然下降，故使用時(shí)完全可替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。鎳氫電池的缺點(diǎn)是自放電與壽命不如鎳鎘電池,但也能到達(dá)500次循環(huán)壽命和國(guó)際電工委員會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)。吸氫電極自放電包括可逆自放電和不可逆自放電?？赡孀苑烹姷闹饕蛟谟诃h(huán)境壓力低于電極中金屬氫化物的平衡氫壓，氫氣會(huì)從電極中脫附出來(lái)。當(dāng)吸氫電極與氧化鎳正極組成MH/Ni電池時(shí)，這些逸出的氫氣與正極活性物質(zhì)NiOOH反響生成Ni(OH)2，形成放電反響，該局部自放電可以通過(guò)再充電復(fù)原。不可逆自放電主要是由于負(fù)極的化學(xué)或電化學(xué)因素所引起。如合金外表電勢(shì)較低的稀土元素與電解液反響形成氫氧化物等，例如Pb稀土在外表偏析，并生成La(OH)5，使合金組成發(fā)生變化，吸氫能力下降，這種吸氫能力下降無(wú)法用充電方法復(fù)原。鎳氫電池特性1.充放電特性(1)充電特性鎳氫電池充電特性曲線如圖6-3所示，該曲線大致可分為三段。開(kāi)始時(shí)電壓上升較快，然后比較平坦。這是由于Ni(OH)2導(dǎo)電性極差但充電產(chǎn)物NiOOH導(dǎo)電性是前者的l0倍，因而充電剛開(kāi)始時(shí)，電壓上升很快。有NiOOH生成后，充電電壓上升速率降低，電壓變得比較平坦。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)充電容量接近電池的額定容量的75%左右時(shí)，儲(chǔ)氫合金中的氫原子擴(kuò)散速度減慢。由于氧在儲(chǔ)氫合金中的擴(kuò)散速度受負(fù)極反響速度的限制，以及此時(shí)正極開(kāi)始逐步析出氧氣，因而充電電壓就再次呈現(xiàn)快速上升的趨勢(shì)。當(dāng)充電量超過(guò)電池設(shè)計(jì)容量之后就進(jìn)入過(guò)充電階段。此時(shí)正極析出的氧會(huì)在負(fù)極儲(chǔ)氫合金外表進(jìn)行復(fù)原、去極化，使負(fù)極電位正移，電池溫度迅速升高，加之鎳氫電池反響溫度系數(shù)是負(fù)值，因此電池的充電電壓就會(huì)下降。鎳氫電池常用恒流充電的方式進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中電池所到達(dá)的最高電壓是鎳氫電池的一個(gè)重要特性。充電最高電壓往往標(biāo)志著整個(gè)充電過(guò)程的電壓=充電電壓越低，說(shuō)明電池在充電過(guò)程中的極化就越小，電池的充電效率就越高，電池的使用壽命就可能越長(zhǎng)。采用該方法，充電過(guò)程的終點(diǎn)控制是一個(gè)非常實(shí)際的問(wèn)題．充電終點(diǎn)控制的方式主要有:1)定時(shí)控制。設(shè)置一定的充電時(shí)間來(lái)控制充電終點(diǎn)，一般設(shè)定要充入110%額定容量所需的時(shí)間來(lái)控制。2)TCO，即最高溫度控制?？紤]電池的平安和特性應(yīng)當(dāng)防止高溫充電，一般電池溫度升高到60℃時(shí)應(yīng)當(dāng)停止充電。3)電壓峰值控制。充電過(guò)程中電池的電壓到達(dá)峰值并保持，即ΔV=0，據(jù)此來(lái)判斷充電的終點(diǎn)。4)dT/dt即深度變化率控制。通過(guò)檢測(cè)電池溫度變化率峰值來(lái)判斷充電的終點(diǎn)。5)ΔT，即溫度差控制。溫度差為電池充滿(mǎn)電時(shí)溫度與環(huán)境溫度之差．6)-ΔV，即電壓降控制。當(dāng)電池充滿(mǎn)電時(shí)，電壓到達(dá)峰值后會(huì)下降一定的值，據(jù)此判斷充電終點(diǎn)。(2)放電特性鎳氫電池工作電壓為1.2V，指的是放電電壓的平臺(tái)電壓。它是鎳氫電池的重要性能指標(biāo)。鎳氫電池的放電性能隨放電電流、溫度和其他因素的改變而變化。如圖4-4所示。電池的放電特性受電流／環(huán)境溫度等因素的影響，電流越大，溫度越低，電池放電電壓和放電效率越低，長(zhǎng)期大電流放電對(duì)電池的壽命也會(huì)造成一定的影響。截止電壓一般設(shè)定在0.9～1.V，如果截止電壓設(shè)定得太高,那么電池容量不能被充分利用，反之，那么容易引起電池過(guò)放。圖4-4典型的放電性能〔不同放電倍率放電曲線〕2.容量特性

電池的實(shí)際容量受到理論容量的限制，但與實(shí)際放電機(jī)制和應(yīng)用工況密切相關(guān)。在高倍率即大電流放電條件F，電極的極化增強(qiáng)，內(nèi)阻增大，放電電壓下降很快，電池的能量效率降低，電池的實(shí)際容量一般都低于額定容量。相應(yīng)地，在低倍率放電條件下，放電電壓下降緩慢．電池實(shí)際放出的容量常常高于額定容量。鎳氫電池的充電電流、擱置時(shí)間、放電終止電壓和放電電流等均會(huì)對(duì)放電容量產(chǎn)生影響。(1)充電電流對(duì)放電容量的影響充電負(fù)極反響方程式中消耗電荷生成OH，電荷不能再釋放利用，因而電池的充電效率總是小于100%。隨充電電流倍率增大，電極極化增加，將加劇鎳氫電池中氧氣析出的復(fù)合反響，導(dǎo)致充電效率和放電容量降低。基于該反響原理，放電容量隨充電容量的變化也表達(dá)為隨充電過(guò)程進(jìn)行，電池SOC升高，電池可放電容量增加，初期可放電容量增加較快，隨充電過(guò)程中復(fù)合反響出現(xiàn)，可放電容量增加速度減緩，最終可放電容量將到達(dá)穩(wěn)定值。(2)擱置時(shí)間對(duì)放電容量的影響擱置時(shí)間對(duì)鎳氫電池放電容量的影響本質(zhì)上就是鎳氫電池的自放電問(wèn)題。擱置時(shí)間對(duì)放電容量的影響是由于金屬氧化物不穩(wěn)定引起的，這種不穩(wěn)定性在剛充完電或高荷電狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，而后漸趨平衡和穩(wěn)定，因而鎳氫電池放電容量隨擱置時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，擱置的開(kāi)始階段容量下降較快。(3)放電電流對(duì)放電容量的影響電池內(nèi)阻主要包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻兩局部。歐姆內(nèi)阻對(duì)一特定的電池來(lái)說(shuō)也是一個(gè)定值，電化學(xué)極化內(nèi)阻那么與發(fā)生電化學(xué)反響時(shí)的極化狀態(tài)有關(guān)，而放電電流是影響電極極化狀態(tài)的一個(gè)重要因素。放電電流增大，電極極化也增大，電化學(xué)極化內(nèi)阻就大，其端電壓相對(duì)較低。對(duì)于相同的放電終止電壓來(lái)說(shuō)，最終反映為放電容量測(cè)試結(jié)果較低。(4)放電終止電壓對(duì)放電容量的影響放電終止電壓直接影響放電時(shí)間，而放電容量實(shí)際是放電電流與放電時(shí)間的乘積，因而放電容量隨放電終止電壓的降低而增加。但鎳氫電池的放電電壓不能無(wú)限地降低，一般選定在0.9V左右。過(guò)低將出現(xiàn)過(guò)放電現(xiàn)象，影響鎳氫電池的使用壽命。3.內(nèi)壓鎳氫電池內(nèi)壓產(chǎn)生的根本原因是電池在充放電過(guò)程中，正極析出氧氣和負(fù)極析出氫氣。從而產(chǎn)生電池的內(nèi)壓。鎳氫電池的內(nèi)壓是直存在的，通常都維持在正常水平，不會(huì)引起平安問(wèn)題。但在過(guò)充或過(guò)放情況下，電池內(nèi)壓升高到一定程度，就有可能帶來(lái)平安問(wèn)題鎳氫電池的內(nèi)壓與充電方式及荷電狀態(tài)有關(guān)。圖4-5不同鎳氫電池充電過(guò)程中內(nèi)壓的變化曲線當(dāng)電池荷電狀態(tài)到達(dá)100%以前，內(nèi)壓增加平緩，當(dāng)荷電超過(guò)100%后，內(nèi)壓急劇增加。因此，過(guò)充電的鎳氫電池存在一定的平安隱患。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著電池充電、放電循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)壓也會(huì)逐漸升高，同時(shí)電池中氫、氧氣體比例也會(huì)發(fā)生變化。鎳氫電池中電解液的量也會(huì)影響電池內(nèi)壓，電解液過(guò)多會(huì)使內(nèi)壓升得很高。4.自放電和儲(chǔ)存性能電池的自放電主要是由電極材料、制造工藝、儲(chǔ)存條件等多方面因素決定的。鎳氫電池自放電受控于儲(chǔ)氫合金電極。儲(chǔ)氫合金電極的自放電可以分為可逆與不可逆兩局部?？赡娣烹娛怯捎陔姌O合金的平臺(tái)壓力大于電池內(nèi)壓造成的而不可逆局部是由于電極合金的不斷氧化而使合金失效所致。鎳氫電池在自然擱置狀態(tài)時(shí)容量的衰減速率很快。在2℃下，鎳氫電池的月自放電率到達(dá)20%～25%。影響自放電速率的因素主要是電池儲(chǔ)存的溫度和濕度條件等。溫度升高會(huì)使電池內(nèi)正負(fù)極材料的反響活性提高，同時(shí)電解液的離子傳導(dǎo)速度加快，隔膜等輔助材料的強(qiáng)度降低，使自放電反響速率大大提高。如果溫度太高，就會(huì)嚴(yán)重破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，發(fā)生不可逆反響，最終會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的整體性能。濕度的影響與溫度條件相似，環(huán)境濕度太高也會(huì)加快自放電反響。一般來(lái)說(shuō)，低溫和低濕的環(huán)境條件下，電池的白放電率低，有利于電池的儲(chǔ)存。但是溫度太低也可能造成電極材料的不可逆變化，使電池的整體性能大大降低。針對(duì)隔膜材料對(duì)鎳氫電池自放電的影響，可以選用丙烯酸改性的聚丙烯(PP)隔膜來(lái)改善鎳氫電池的荷電保持能力，降低電池的可逆自放電可以通過(guò)選擇適宜的合金組分，來(lái)使其平臺(tái)壓力小于電池內(nèi)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低電池的不可逆自放電可以通過(guò)選擇適宜的合金組分實(shí)現(xiàn)。鎳氫電池自放電率較高，這不僅與正、負(fù)極材料的組成，電解液的組成和隔膜材料有關(guān)，而且還與電池的化成方法等有關(guān)。電池的儲(chǔ)存性能是指電池在一定條件下儲(chǔ)存一定時(shí)間后主要性能參數(shù)的變化，包括容量的下降、外觀情況和有無(wú)變形或滲液情況。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)均有對(duì)電池的容量下降和外觀變化及漏液比例的限制電池在儲(chǔ)存過(guò)程中容量下降主要是由電極自放電引起的，自放電率高對(duì)電池儲(chǔ)存非常不利，所以一般鎳氫電池都遵從即充即用的原那么，不適宜較長(zhǎng)時(shí)間放置。鎳氫電池的存放條件為：存放區(qū)應(yīng)保持清潔、涼爽、通風(fēng)；溫度應(yīng)在10—25℃之間，一般不應(yīng)超過(guò)30℃；相對(duì)濕度以不大于65%為宜。除了適宜的儲(chǔ)存溫度和濕度條件外，必須注意的是：1)長(zhǎng)期放置的電池應(yīng)該采用荷電狀態(tài)儲(chǔ)存，一般可預(yù)充50%~100%的電量后儲(chǔ)藏。2)在儲(chǔ)存過(guò)程中，要保證至少每3個(gè)月對(duì)電池充電一次，以恢復(fù)到飽和容量；這是因?yàn)榉磐觌姷碾姵?放電到終止電壓)在儲(chǔ)存的過(guò)程中，一方面會(huì)繼續(xù)自放電造成過(guò)放，而且電池內(nèi)的正負(fù)極、隔膜和輔助材料經(jīng)常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電解液腐蝕和漏液現(xiàn)象，對(duì)電池的整體性能造成致命的損害。5.溫度特性鎳氫電池在中高溫環(huán)境下，由于溫度高有利于合金中氫原子的擴(kuò)散，提高了合金的動(dòng)力學(xué)性能，且電解液中KOH的電導(dǎo)率也隨溫度升高而增加，電池放電容量明顯比低溫時(shí)放電容量大。但溫度過(guò)高(一般超過(guò)45℃)，雖然電解質(zhì)電導(dǎo)率大，電流遷移能力增強(qiáng)，遷移內(nèi)阻減小，但電解液溶劑水分蒸發(fā)快，增加了電解液的歐姆內(nèi)阻，兩者相互抵消，放電容量將不再增加。鎳氫電池的正常存儲(chǔ)溫度是-20～45℃，最正確存儲(chǔ)溫度是在10～25℃。一般情況下，當(dāng)溫度降到低于-20℃時(shí)，電池中的電解液會(huì)凝固，電池內(nèi)阻會(huì)變得無(wú)窮大，電池內(nèi)部可能發(fā)生不可逆的變化，導(dǎo)致電池?zé)o法激活到正常狀態(tài)，甚至無(wú)法使用。當(dāng)溫度超過(guò)45℃時(shí)，電池自放電速率大大加快，電解液會(huì)發(fā)生副反響而產(chǎn)生大量氣體，電極片中的輔助材料可能變質(zhì)失效，從而導(dǎo)致整個(gè)電池逐漸老化和容量衰減，甚至在短期內(nèi)失效。鎳氫電池失效的原因有多方面，主要?dú)w納如下：1)電解液的損耗。氫鎳電池的電解液在電池的充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)在電極和隔膜中重新分配，增加了它們的外表積和孔隙率并導(dǎo)致電極膨脹，電池內(nèi)壓增大，從而導(dǎo)致氣體(氫氣和氧氣)的泄露，最終導(dǎo)致電解液的損耗。電解液的損耗將導(dǎo)致電池溶液內(nèi)阻增大，電導(dǎo)率降低。2)電極材料的改變。氫鎳電池經(jīng)一定次數(shù)的充放電循環(huán)后,負(fù)極中的錳、鋁元素會(huì)發(fā)生偏析溶解，負(fù)極儲(chǔ)氫合金外表逐漸被腐蝕氧化，在電極外表形成一層氫氧化物,合金體積發(fā)生膨脹、收縮，最后導(dǎo)致合金粉化，嚴(yán)重影響了電池在充放電過(guò)程中的吸氫放氧性能。3)隔膜的變化。隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池的隔膜結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，隔膜的電解液保持能力下降，電池自放電增大，電池壽命減小。另外，從電池電極上脫落下的電極材料逐漸堵塞隔膜上的孔隙，嚴(yán)重影響了鎳氫電池中氣體的滲透?jìng)鬏?，進(jìn)而增大了電池內(nèi)阻，影響電池充放電性能，導(dǎo)致電池失效。鎳氫動(dòng)力電池的檢測(cè)單體電池性能檢測(cè)充放電性能檢測(cè)充電20℃、-5℃、55℃充放電性能-30℃、70℃放電性能單體電池荷電保持與容量恢復(fù)能力檢測(cè)其荷電保持率應(yīng)不低于額定值的80%，容量恢復(fù)能力應(yīng)不低于額定值的90%貯存性能檢測(cè)循環(huán)壽命循環(huán)試驗(yàn)至放電容量低于額定容量的60%，不少于600次平安性：過(guò)放、過(guò)充、常溫短路、高溫短路、強(qiáng)制過(guò)放、跌落、擠壓、針刺、沖擊、振動(dòng)、加熱、低壓、溫度循環(huán)、析氣蓄電池組的性能測(cè)試充放電性能檢測(cè)充電20℃放電容量一致性當(dāng)充電及放電到額定容量的80%時(shí)，測(cè)量電池組中每只電池的電壓。單體蓄電池電壓差異不超過(guò)20mV。平安性蓄電池組耐振動(dòng)試驗(yàn)蓄電池組的過(guò)放電、過(guò)充電、短路、加熱、擠壓、針刺等試驗(yàn)局部短路3.堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用學(xué)習(xí)目的鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用2堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用概況1堿性動(dòng)力電池的應(yīng)用概況1984年荷蘭飛利浦公司成功研制出LaNi5儲(chǔ)氫合金用于制各鎳氫電池(MH-Ni)，隨后鎳氫電池的研究取得了很大成果：由于鎳氫電池與鎳鎘電池電壓平臺(tái)相同，在充放電特性方面相似，并且對(duì)環(huán)境友好，它成為取代鎳鎘電池的理想產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，鎳氫電池成為二次電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，在多種電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用，并成為混合動(dòng)力電池汽車(chē)的主流動(dòng)力電源。目前，商品化程度最高的豐田公司的PRIUS混合動(dòng)力汽車(chē)和本田公司的CIVIC混合動(dòng)力汽車(chē)就是采用的鎳氫動(dòng)力電池。由于鎳鎘電池中鎘元素的污染問(wèn)題和對(duì)人體的傷害，該類(lèi)電池正逐步被其他種類(lèi)電池取代。僅在某些領(lǐng)域，由于其特有的高功率特性和良好的低溫性能仍在應(yīng)用。如在航空領(lǐng)域用做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及隨航備用電源、電力裝置開(kāi)關(guān)瞬間分合閘和事故照明電源、鐵路系統(tǒng)電力機(jī)車(chē)供電電源等。鎳氫電池逐步成為堿性動(dòng)力電池應(yīng)用的主體和主流。鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用由于鎳氫電池滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)高功率密度的要求，該類(lèi)電池目前在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)尤其是在日系車(chē)型中應(yīng)用廣泛，如豐田凱美瑞混合動(dòng)力車(chē)、普銳斯、雷克薩斯CT200.本田思域CIVIC等。福特公司推出的Escape混合動(dòng)力汽車(chē)也采用了額定電壓在300V左右的鎳氫電池組。豐田PRIUS普銳斯混合動(dòng)力汽車(chē)采用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。PRIUS普銳斯的HV蓄電池采用的就是288V，6.5A·h的鎳氫動(dòng)力電池。該電池組可以通過(guò)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)充放電，且輸出功率大、重量輕、壽命長(zhǎng)、耐久性好。豐田凱美瑞混合動(dòng)力車(chē)也采用了鎳氫電池組。新途銳混合動(dòng)力車(chē)采用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。電驅(qū)動(dòng)：在這種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車(chē)輛完全以電力驅(qū)動(dòng)前行(最高時(shí)速50公里/小時(shí))，實(shí)現(xiàn)了零排放，并且不消耗燃油。車(chē)輛滑行：駕駛者完全放開(kāi)油門(mén)，在離合裝置的控制下，V6TSI發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器完全脫離，防止了不必要的摩擦損耗，以最小的能耗使車(chē)輛滑行距離更長(zhǎng)。能量回收：在制動(dòng)或減速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，將多余能量回收，存儲(chǔ)于高壓蓄電池中。起動(dòng)-停車(chē)：車(chē)輛制動(dòng)停止，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉；再次踩踏油門(mén)，車(chē)輛起動(dòng)前行。在擁堵的城市路況，節(jié)油效果明顯?！緦?shí)訓(xùn)操作】

鎳氫電池充放電