镍氢电池综述报告

1、能源化学工程专业小学期实践作业1041101 班 程士坚 1120112597二次电池：镍氢电池领域综述报告前言：镣氢电池作为当今迅速发展起来的一种高能绿色充电电池，凭借能量密度高、可快速充 放电、循环寿命长以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车 等领域得到了广泛应用。接下来将对这一领域的历史背景、前人工作、争论焦点、研究现状 与发展前景等方面作出一个较为详尽分析和报告。关键词：镣氢电池、电极材料、电化学、用途与特性研究、HEV、市场现状及个人看法正文：镣氢电池发展历史与现状镣氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无 污染等特点，因而

2、成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镣氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪六十年代末，人们就发现了 一种新型功能材料储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢镣氢蓄电池形象地称为“吸氢海绵”。其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中， 反复冲放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发明了镍 氢电池。储氢合金的主要来源是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70%以上，发展 镣氢电池具有得天独厚的优势。我国通过该项目的实施，使镣氢电池的装备水平得到了大大的提高，由过去的手工操作 跨越到连续化，自动化大规模生产，明显地提高了电池的均匀性和综合性

3、，满足了移动通讯， 便携式电脑，电动工具以及电动车辆对电池的需要。同时，通过该项目的实施，促进了中国 镣氢电池与材料、设备、检测仪器，下游产品等相关企业的相互协作，明显提高了总体产业 的生产能力，技术水平和竞争能力，为镣氢电池产业的发展和产品打入国际市场铺平了道路。镣氢电池现主要应用于混合电动车。2011年HEV市场占56%，零售市场占24%，无绳 电话占11%，其他市场为9%。世界镣氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的 95%以上。全球镣氢电池70%以上在中国生产，中国镣氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比 亚迪、环宇、科力远等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镣氢电池生产转移到中国。

4、HEV用大型镣氢电池主要在日本生产，生产企业主要为Primearth电动车能源公司和三洋电 机。我国镣氢电池增长乏力，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况。镣氢电池的技术特性反应原理电解质：主要为KOH作电解液(电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH)充电时：正极反应：Ni(OH)2 + OH- - NiOOH + H2O + e-负极反应：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

5、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。镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物。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再加上钛；B则是镍、钻、锰， 还有铝。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 或者钒，B则是锆或镍，再加上一些铬、钻、铁和锰。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

6、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。现阶段镍氢电池研究重点1无钕贮氢合金及无钕镍氢电池本研究利用成分及工艺优化，制备出了性能优良的无钕贮氢合金，将电池的容量衰减率 较过去减少了 33%，而低温性能也有了很大提升，低温条件下放电能力比普通镍氢电池多 放出6%。2宽温区镍氢电池在一些特殊条件下，如野外军用电台、飞机和坦克等军事装置及非常寒冷的地区，要求 在-40 r的环境下放电。为了解决这些问题，研究机构在无钕贮氢合金开发成功的基础上开 发了宽温区镍氢电池，这种电池在低温条件下工作可靠。3钒钛贮氢合金近年来，随着各类新能源汽车的发展，对高容量贮氢合金的需求更加迫切。传统贮氢合

7、 金采用纯钒制备而成，金属钒价格十分昂贵，而含钛的钒合金是获得相对较低成本、高容量 钒基固溶体贮氢合金的基础。四川大学在此方面的研究工作取得了较大的进展。4钒基贮氢电极合金目前，已商业化的镍氢电池负极材料主要是稀土 AB5这种合金容量只有300mAh/g左 右。钒基固溶体型贮氢合金最大的问题是在碱液中的电化学催化活性较差。最近的工作发现， 温度对钒基固溶体型贮氢合金电极放电性能的影响非常大。升高环境温度(小于80 r )可 以使钒基贮氢合金放出大量容量，预示着这种合金有可能成为高能量密度的一次或二次镍氢 电池负极材料。5 PAA碱性聚合物电解质薄膜目前，研究人员采用了很多方法试图降低镍氢电池负

8、极材料的腐蚀程度，但成效都不 明显。固体电解质尤其是以聚合物为主体的固体电解质由于无液漏问题、易成型等优点，越 来越受到人们的重视。其中聚丙烯酸(PAA)性聚合物电解质是一类具有高电导率的电解质。 因此针对含镁合金电极存在的问题，使用PAA碱性聚合物电解质取代碱性水溶液，可制造 具有高能量密度的聚合物镍氢电池。镍氢电池应用前沿HEV镍氢电池应用前沿HEV随着经济水平的发展，汽车的保有数量急剧增加，能源和环境问题变得日益严重。开发 和推广电动汽车等清洁能源汽车已成为世界各国争相研究的课题。以内燃机蓄电池共同驱动的混合动力车(HEV )首选的蓄电池采用的就是镍氢电池。 镍氢电池具有比功率高、耐过充

9、过放、可快速充电及寿命长和无污染等特点。下面介绍车用镍氢电池的技术特点与难点：a型Ni(OH) 2的镣氢电池体系因其在向Y型NiOOH转化电子数多于B型间的电子数，一直是新材料研究的热点，同时 a型在向Y型转化时膨胀系数小被认为是最理想的镍氢电池正极材料。其弱点是在强碱溶液 中的不稳定性，易陈化转化成B氢氧化亚镍；同时其松装密度太小，无法实现填充的需要， 解决这两个问题将是技术发展研究的重点。AB2型贮氢合金粉在镣氢电池体系AB2型贮氢合金粉被认为是理想的负极材料，420mAh/g的克容量一直是研究热点，但 其使用寿命较短和低温下性能较差，同样影响它在镍氢电池体系的使用，有针对性地开展提 高这

10、两项技术的研究是重点。电池宽温度范围通过在正极中添加Ca、Y、Er、Ti、Tm的氧化物以及对电解液的组成和配比进行研究， 提高镍电极的析氧过电位来提高电池在高温下的充电接受能力，特别是大电流时的充电效率， 从而减少体系中因氧气产生、复合而引起的热效应；电池制作中降低体系的内阻，减小电化 学极化，浓差极化和欧姆极化以减少相应热量的产生。降低单体电池的厚度，设计适当的电 池间隙并配以冷却系统以利于电池热量的散发，同时配备热管理系统。选择钻含量高的贮氢 合金，降低负极析氢平台压力，也是电池高温性能应用的主要解决方法。电池在低温时使用 的主要问题是负极。采用富镧型的贮氢合金，同时采用低钻合金与高钻合金

11、混合使用，可以 有效改善负极在低温下的性能。电池快速充电技术电池要进行快速充电就必须解决电池内压和发热问题。降低电池内压，就要提高正极析 氧过电位，提高正极充电效率，抑制正极充电产生的氧气。可以通过在正极中添加钻类添加 剂、在电解液中加入提高正极充电效率的物质，提高负极预留容量和对负极进行表面处理都 是降低电池内压的有效途径。调整电池预充容量，提高负极活化后的容量和电池负极预充量 和预留量，使负极预留量保持较高比例，使负极在正极过充时保持良好的吸附氢能力，提高 正极充电效率和在组合结构上设置冷却装置也是解决发热问题提高电池充电速度的方法。电池组结构优化、组合设计研究在汽车上使用单体电池以串联形

12、式组合，结构十分紧凑，但需充分考虑电池的散热。在 电池组合方面，对容量、内阻、温度、充放电特性曲线等因素的综合考虑时，还需对电池进 行筛选组合，对组合电池位置分布进行研究。蓄电池组综合管理系统包括热管理系统、电池运行状态监控系统和维护系统等。热管理系统可以在高温下开启 冷却系统或通过正温度系数，调整电池的充电电压。根据电池组模块在运行过程中短时间充 放电的电压、温度等参数变化，在大量实验数据的基础上，通过软件分析平台，建立较为准 确的SOC判别数学模型。将整个电池组分为数十个模块，实时监控每一模块的参数变化，对 出现的故障进行判别，并对某些可修复的故障进行自行弥补或修复。如果某电池遭受到永久

13、伤害，系统应能自动换入备用电池，从而避免因某个电池的损坏而影响到整个电池组的性能。 根据电动机工作特点，通过脉冲方式对电池充电，同时系统中必须具有欠压保护、过流保护、 防短路等安全保护功能。硬件结构上采用高档单片机，确保电池管理系统操作的可靠性，在 通讯方面采用CAN总线，确保汽车的中央控制单元对电池系统的有效控制，采用神经网络控 制技术对电池的荷电量状态进行有效的监控。电池故障判断专家系统技术研究建立电池故障诊断专家系统，随时记录电池系统的异常现象，对外留有通讯接口，为车辆的 故障诊断提供条件。提高电池的循环寿命设计先进的电池、极板和安全阀结构，降低体系内压以减少高温大电流充电时气体的析出，

14、 设计合理的外壳及密封方式以避免使用中水分的挥发;研究电池组模拟和实际循环中的失效 模式，改进设计，控制电极与零部件的途径或加大设计余量以达到系统最佳的效果。以上一共8个研究方向就是现有镍氢电池在最新应用领域的主要改进方向。关于镍氢电池产业的的个人看法目前，中国是镍氢电池产业大国，但还不是镍氢电池产业强国。无论是生产企业，还是 政府部门都有责任采用有效措施来共同促进我国镍氢电池产业的健康发展。（一）注重技术创新，加强知识产权保护，提升企业核心竞争力随着科技的迅速发展和经济全球化进程的加快， 知识产权日益成为决定一个国家核心竞争力的关键。未来竞争将是知识产权的竞争，没有创 新技术和自主知识产权积

15、累的国家，是没有前途的。在今天，创新能力已成了国家的核心竞 争力，也是企业生存和发展的关键，是企业实现跨越式发展的第一步。”与世界发达国家相比，我国自主创新能力很弱，拥有核心和关键技术领域的自主知识产 权不仅数量少，而且质量偏低。据统计，我国拥有自主知识产权核心技术的企业仅为0.003%， 特别是在高端领域，核心技术几乎都是被发达国家所占有。没有关键材料和自主知识产权的 空心产业，这一点已成为制约我国技术进步、产业升级和经济发展的重大障碍。在镍氢电池 领域，这种现在尤为严重。只有在技术上领先于人，才能在市场上立于不败之地。然而，企 业的技术创新不仅仅是企业自身的事情，需要全社会的支持。此外，由

16、于技术创新需要大量 的研发资金投入，存在较大的风险，使得中小企业，甚至一些大型企业望而却步。政府的引 导和支持在镍氢电池企业创新活动中起着至关重要的作用。（二）注重行业管理的规范化，提高企业的生产效率和经济效益很多企业发展到一定的阶段就止步不前，企业当中沟通不畅、效率低下等问题普遍盛行。 管理不规范，管理体系不科学是其重要原因。对很多企业而言，由于追求高成长，而忽视了 管理平台的搭建与修缮，使得企业发展到一定规模之后难免遭遇管理瓶颈，以致企业膨胀的 越快死的越快的现象普遍存在。管理规范化是其关键之一，有效地避免产品责任。各国在实 践中，由于对产品品质的投诉越来越频繁，事故原因越来越复杂，追究责

17、任也就越来越严格。 所以规范化和高效化是十分重要的。结语：镍氢电池产业的健康发展意义重大。通过对镍氢电池产业现状的分析，可以为镍氢电池生产 企业制定自身发展战略提供参考，同时也为进一步的科研和改进指明方向。然而，受限于笔 者本人认识水平，以及相关数据资料的不足，研究结论的科学性、客观性存在一定的偏差。 因而，对镍氢电池产业发展现状的研究工作需要持续进行，不断总结经验改进研究方法，更 新研究结论。参考文献：【1】牛丽贤.我国镍氢电池产业现状与发展对策研究中国地质大学(北京)地球科学与 资源学院100083.【2】谢红波.沉淀法制备纳米氢氧化镍及其电化学性能研究学位论文2008【3】卡索.正极材料

18、球形纳米氢氧化镍的制备及电化学性能研究学位论文2010【4】 Isidor Buehmann. Batteries in a Portable World： AHandbook on Reehargeable Batteries for NonEngineersM. Cadex Electronics Inc, 2001.【5】邓凌峰等.聚合物自由基锂二次电池正极材料的合成与电化学性ttJ .高分子学报， 2004,01.【6】林则青.Ni-MH电池高温行为的研究哈尔滨工业大学硕士学位论文C.黑龙江：哈尔 滨工业大学出版社，2002.5【7】孙逢春;陈勇；何洪文 镍氧电池充放电终止指标的实验研究期刊论文-北京理工大 学学报2002(01)【8】刘振军.林国发.秦大同.胡明辉.林歆悠电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化 期刊论文-汽车工程2012(1)【9】胡明辉.秦大同.叶心混合动力汽车用镍氢蓄电池组热管理方法期刊论文-江苏大 学学报(自然科学版)2011(2)【10】肖红林.郭明明.李洪亮电动汽车动力电池组散热特性数值模拟研究期刊论文- 汽车工程2011(11)【11】朱松然编.蓄电池手册M.天津：天津大学