項(xiàng)目二常見動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用PART021.了解鎳系動(dòng)力電池的常見類型。2.理解鎳氫動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能原理。3.了解鎳氫動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)。4.熟悉鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。任務(wù)目標(biāo)一、鎳氫動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)能原理（一）鎳氫動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)1.方形鎳氫電池結(jié)構(gòu)方形鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、堿性電解質(zhì)、外殼等組成。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.圓柱形鎳氫電池結(jié)構(gòu)圓柱形鎳氫電池主要由電池殼體、正極、負(fù)極、隔膜、頂蓋、安全閥等組成，且圓柱形電池極組一般由單個(gè)正極片、負(fù)極片、隔膜卷繞形成。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.鎳氫電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）正極氫氧化鎳。鎳氫電池正極的氫氧化鎳電極，被廣泛地應(yīng)用為Cd-Ni、Fe-Ni、Zn-Ni和MH-Ni等堿性蓄電池的正極活性物質(zhì)。普通的Ni(OH)2顆粒形狀不規(guī)則，晶粒尺寸分布范圍較寬，振實(shí)密度約為1.6g/cm3。球形氫氧化鎳外表呈球形或者橢圓形，顆粒大小均勻，振實(shí)密度為1.9~2g/cm3，具有活性高、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，而且能夠顯著提高鎳電極的體積比容量和電池的比能量。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（2）負(fù)極儲(chǔ)氫合金。鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫合金具有很強(qiáng)的吸氫能力，在一定壓力條件下，能夠“吸收”大量氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。該氫化物在一定條件下又會(huì)將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。滿足以下條件的儲(chǔ)氫合金可以作為動(dòng)力鎳氫電池的負(fù)極材料：①在堿液中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；②儲(chǔ)氫容量高，平臺(tái)壓力適中；③氫的擴(kuò)散速率快，具有良好的電催化活性及高倍率放電能力；任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用④有較好的抗氧化、抗吸氫粉化能力，循環(huán)壽命長(zhǎng)；⑤電化學(xué)容量在較寬的溫度范圍內(nèi)變化不大；⑥自放電??；⑦資源豐富，成本低廉；⑧導(dǎo)熱性好。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（3）電解液。鎳氫電池的電解液多采用氫氧化鉀水溶液，并加入少量的氫氧化鋰。（4）隔膜。隔膜是電池正負(fù)極之間的隔離板，須具備良好的電絕緣性。隔膜在電解液中處于浸濕狀態(tài)，因此還需具有良好的耐堿性和透氣性。隔膜性能的好壞會(huì)影響電池的循環(huán)壽命和自放電情況。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（5）集流體。鎳氫電池的集流體主要起保持活性物質(zhì)和導(dǎo)電的作用，主要材料是泡沫鎳。泡沫鎳具有95%以上的高孔隙率，比表面積大，是三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，方便活性物質(zhì)填充，是鎳鎘電池理想的電極集流體材料。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（6）安全閥。鎳氫電池中的安全閥也稱為安全防爆孔，用于完成電池的密封，當(dāng)電池內(nèi)部壓力過大時(shí)安全閥開啟，釋放氣體，降低電池內(nèi)部壓力,提高電池安全性。當(dāng)鎳氫電池過充電時(shí)，金屬殼內(nèi)的氣體壓力將逐漸上升。當(dāng)該壓力達(dá)到一定數(shù)值后，頂蓋上的安全防爆孔打開，可以避免電池因氣體壓力過大而爆炸。（7）電池殼。電池殼體是電池反應(yīng)的容器，同時(shí)完成電池的密封。鎳氫電池還有用于連接正、負(fù)極板的正負(fù)極柱以及實(shí)現(xiàn)電池極柱與電池殼體之間絕緣的絕緣墊。鎳氫電池的正負(fù)極柱也是電池與外電路的連接點(diǎn)。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鎳氫動(dòng)力電池儲(chǔ)能原理鎳氫電池正極板的活性物質(zhì)為氫氧化鎳（Ni（OH2）），負(fù)極板的活性物質(zhì)為儲(chǔ)氫合金（MH），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，電化學(xué)反應(yīng)如下：任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用鎳氫電池放電時(shí)，正極上NiOOH得到電子還原成為Ni(OH)2，負(fù)極金屬氫化物（MHx）內(nèi)部的氫原子擴(kuò)散到表面形成吸附態(tài)氫原子，接著再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水和儲(chǔ)氫合金。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用鎳氫電池充電時(shí)，正極上的Ni(OH)2轉(zhuǎn)變?yōu)镹iOOH。由于質(zhì)子在NiOOH/Ni(OH)2中的擴(kuò)散系數(shù)小，是氫氧化鎳電極充電過程的控制步驟。在負(fù)極，析出的氫原子吸附在儲(chǔ)氫合金表面，形成吸附態(tài)MHab，然后再擴(kuò)散到儲(chǔ)氫合金內(nèi)部，形成金屬氫化物MH。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用二、鎳氫動(dòng)力電池的性能1.充電特性開始時(shí)電壓上升較快，然后進(jìn)入穩(wěn)定階段。有NiOOH生成后，充電電壓上升速率降低，電壓變得比較穩(wěn)定。隨著充電過程的進(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)極反應(yīng)速度限制，以及此時(shí)正極開始逐步進(jìn)入過充電階段。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.放電特性鎳氫電池工作電壓為1.2V，其放電性能隨放電電流、溫度和其他因素的改變而變化。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.容量特性在高倍率即大電流放電條件下，電池的極化增強(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。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.儲(chǔ)存特性電池的儲(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、外觀情況有無變形或滲液情況等。鎳氫電池都遵從即充即用原則，不適宜放置太長(zhǎng)時(shí)間。存放鎳氫電池的區(qū)域應(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30℃；相對(duì)濕度以不大于65%為宜。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。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用5.溫度特性鎳氫電池在中高溫環(huán)境下，由于溫度較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。溫度過高時(shí)，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，增加電解液的歐姆內(nèi)阻，兩種作用相互抵消，放電容量將不再增加。鎳氫電池的正常存儲(chǔ)溫度是-20~45℃，最佳存儲(chǔ)溫度是10~25℃。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用6.循環(huán)壽命鎳氫電池的循環(huán)壽命受充放電濕度、溫度和使用方法的影響。在目前的技術(shù)狀態(tài)下，當(dāng)按照IEC標(biāo)準(zhǔn)充放電時(shí)，充放電循環(huán)可以超過500次。在電動(dòng)車輛上的應(yīng)用，鎳氫電池一般采用淺充淺放的應(yīng)用機(jī)制，即SOC在40%~80%之間應(yīng)用，因此電池的使用壽命已經(jīng)可以達(dá)到5年，甚至10年以上。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用7.安全性由于電動(dòng)車在行駛過程中經(jīng)常會(huì)處于大幅度振蕩的狀態(tài)中，導(dǎo)致動(dòng)力鎳氫電池處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)中，容易出現(xiàn)以下安全問題：（1）漏液。（2）氫氣滲漏。（3）電池內(nèi)產(chǎn)生氫氧爆炸性混合氣體。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用三、鎳氫動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用由于鎳氫電池滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車高功率密度的要求，該類電池目前在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車尤其是在日系車型中應(yīng)用廣泛，如豐田凱美瑞混合動(dòng)力車、普銳斯、雷克薩斯CT200、本田思域等。福特公司推出的Escape混合動(dòng)力汽車也采用了額定電壓在300V左右的鎳氫電池組。任務(wù)2鎳系動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用豐田普銳斯混合動(dòng)力（圖2-19）汽車采用鎳氫電池作為動(dòng)力電源。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。該電池組可以通過發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)充放電，且輸出功率大、質(zhì)量小、壽命長(zhǎng)、耐久性好。豐田凱美瑞混合動(dòng)力車的鎳電池組在整車的布置如圖2-20所示。任務(wù)2