什么是镍氢电池？

锂电联盟会长 2023-06-06 11:04 487浏览 0评论 0点赞

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MH-Ni电池是继镍镉电池（Cd-Ni）电池之后的新一代二次电池，相比较Cd-Ni电池，MH-Ni电池的容量提高了50%以上，消除了Cd对环境的污染，可以实现快速充电。MH-Ni电池的电压为1.2 V，高能型MH-Ni电池比能量可达到95 W·h/kg，高功率型MH-Ni电池的比功率达到900 W/kg，循环使用寿命超过1000次，工作环境温度为-40~+55 ℃，高低温工作容量损失小。

MH-Ni电池的发展历史

镍氢电池最早由日本索尼公司在1990年代初期研发成功，并于1991年首次商用化。随后，一些其他公司如松下、VARTA等也开始生产镍氢电池。镍氢电池的发展历史可以分为以下几个阶段：

初期阶段（1990年代初期至2000年代中期）：镍氢电池技术逐渐成熟，商业应用领域逐步扩大。主要应用于无线电话、笔记本电脑、数码相机和便携式音频设备等小型便携式电子消费品。
中期阶段（2000年代中期至2010年代初期）：随着移动互联网的发展以及智能手机、平板电脑等智能终端设备的普及，镍氢电池得到更广泛的应用。同时，镍氢电池的性能也得到了进一步提高，能量密度不断提高，循环寿命也有所增加。
近期阶段（2010年代中期至今）：镍氢电池已经成为电动汽车和混合动力汽车的主要动力电池之一。随着技术不断进步，镍氢电池的能量密度不断提高，安全性、循环寿命等方面也得到了进一步改善。同时，随着全球对环境保护意识的不断提高，镍氢电池也因其无污染、安全稳定等特点备受青睐。

MH-Ni电池的工作原理

MH-Ni电池是一种碱性电池，负极采用储氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍（简称镍电池），电解质为氢氧化钾水溶液，其电化学式可表示为：

（-）M/MH | KOH (6 mol/L) | Ni(OH)2/NiOOH（+）

式中，M表示储氢合金，MH表示金属氢化物。工作原理如下：

（1）正常充放电反应

正极上的反应：

N i (O H)_{2} + O H^{-} \Leftrightarrow N i O O H + H_{2} O + e^{-}

负极上的反应：

M + x H_{2} O + x e^{-} \Leftrightarrow M H_{x} + x O H^{-}

总反应：

x N i (O H)_{2} + M \Leftrightarrow M H_{x} + x N i O O H

（从左至右为为充电反应，从右至左为放电反应）

充电的时候，正极发生Ni(OH)2→NiOOH的转变，负极发生水分解反应，合金表面吸附氢，生成氢化物。放电过程则是逆反应。

图 MH-Ni电池原理图

充放电过程中发生在MH-Ni电池正极上的电化学反应均属于固相转变机制，整个反应过程中不发生任何中间态的可溶性金属离子，有没有任何电解液组成的消耗和生成。因此，MH-Ni电池可以实现完全密封和免维护，其充放电过程可以看成是氢原子或质子从一个电极转移到另一个电极的往复过程。充电过程中，正极活性物质中的H+首先扩散到正极/溶液界面与溶液中的OH-反应生产水。接着，溶液中游离的H+通过电解液扩散到负极/溶液界面发生电化学反应生产氢原子，并进一步扩散到负极材料储氢合金中与之结合生产合金氢化物。放电过程则相反。

（2）过充放电反应

正极过充电反应（析出氧气）：

4 O H^{-} \to 2 H_{2} O + O_{2} ↑ + 4 e^{-}

负极过充电反应（消耗氧气）：

正极过放电反应（析出氢气）：

2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} ↑ + 2 O H^{-}

负极过放电反应（消耗氢气）：

由于储氢合金的催化作用，可以消除正极产生的氢气和氧气，而使MH-Ni电池具有耐过充放电能力。

在设计上，负极的容量大于正极容量，这样在过充电后，正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原成水和OH-进入电解液，从而避免了电池内部压力积累升高的现象。

根据镍氢电池的原理及其工作条件，储氢电极合金必须满足以下基本要求：

（1）高可逆储氢容量和适宜的吸收/解吸平台压力；

（2）对氢气吸收和解吸具有良好的电化学催化作用，在碱性电解质中具有优异的电化学稳定性；

（3）良好的充放电动力学，可实现高效运行和长循环寿命；

（4）工作温度范围宽；

（5）资源丰富，价格便宜，易于工业化生产。

参考文献

[1] 唐有根，镍氢电池，北京，化学工业出版社，2007

[2] Liuzhang, Ouyang, Jianling, et al. Progress of hydrogen storage alloys for Ni-MH rechargeable power batteries in electric vehicles: A review [J]. Materials Chemistry and Physics, 2017, 200:164-178.

来源：化学电池

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