鎳鎘/鎳氫電池的原理及充電方法

轉載自偉納電子網頁
鎳鎘/鎳氫電池的發展 1899年，Waldmar Jungner在開口型鎳鎘電池中，首先使用了鎳極板，幾乎與此同時，Thomas Edison 發明了用於電動車的鎳鐵電池。 遺憾的是，由於當時這些鹼性蓄電池的極板材料比其它蓄電池的村料貴得多，因此實際應用受到了極大的限制。  後來，Jungner的鎳鎘電池經過幾次重要改進，性能明顯改善。 其中最重要的改進是在1932年，科學家在鎳電池中開始使用了活性物質。 他們將活性物質放入多孔的鎳極板中，然後再將鎳極板裝入金屬殼內。 鎳鎘電池發展史上另一個重要的里程碑是1947年密封型鎳鎘電池研製成功。 在這種電池中，化學回應產生的各種氣體不用排出，可以在電池內部化合。 密封鎳鎘電池的研製成功，使鎳鎘電池的應用範圍大大增加。  密封鎳鎘電池效率高、循環壽命長、能量密度大、體積小、重量輕、架構緊湊，並且不需要維護，因此在工業和消費產品中得到了廣泛應用。  隨著空間技術的發展，人們對電源的要求越來越高。 70年代中期，美國研製成功了功率大、重量輕、壽命長、成本低的鎳氫電池，並且於1978年成功地將這種電池應用在導航衛星上，鎳氫電池與同體積鎳鎘電池相比，容量可提升一倍，而且沒有重金屬鎘帶來的污染問題。 它的工作電壓與鎳鎘電池完全相同，工作壽命也大體相當，但它具有良好的過充電和過放電性能。 近年來，鎳氫電池受到世界各國的重視，各種新技術層出不窮。 鎳氫電池剛問世時，要使用高壓容器儲存氫氣，後來人們採用金屬氫化物來儲存氫氣，從而製成了低壓甚至常壓鎳氫電池。 1992年，日本三洋公司每月可生產200萬只鎳氫電池。 目前國內已有20多個單位研製生產鎳氫電池，國產鎳氫電池的綜合性能已經達到國際先進水準。  蓄電池參數 蓄電池的五個主要參數為︰電池的容量、標稱電壓、內阻、放電終止電壓和充電終止電壓。 電池的容量通常用Ah(安時)表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1小時。 單元電池內活性物質的數量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。 與電池容量相關的一個參數是蓄電池的充電電流。 蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。 例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是4C。  電池剛出廠時，正負極之間的電勢差稱為電池的標稱電壓。 標稱電壓由極板材料的電極電位和內部電解液的濃度決定。 當環境溫度、使用時間和工作狀態變化時，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩餘電量也有一定關係。 單元鎳鎘電池的標稱電壓約為1.3V（但一般認為是1.25V），單元鎳氫電池的標稱電壓為1.25V。  電池的內阻決定於極板的電阻和離子流的阻抗。 在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。  蓄電池充足電時，極板上的活性物質已達到飽和狀態，再繼續充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。 鎳鎘電池的充電終止電壓為1.75~1.8V，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5V。

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表1-1 鎳鎘電池不同放電率時的放電終止電壓 放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。 如果電壓低於放電終止電壓後蓄電池繼續放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復，從而影響電池的壽命。 放電終止電壓和放電率有關。 鎳鎘電池的放電終止電壓和放電速率的關係如表1-1所列，鎳氫電池的放電終止電壓一般規定為1V。  鎳鎘蓄電池的工作原理 鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。 當環境溫度較高時，使用密度為1.17～1.19（15℃時）的氫氧化鈉溶液。 當環境溫度較低時，使用密度為1.19～1.21（15℃時）的氫氧化鉀溶液。 在-15℃以下時，使用密度為1.25~1.27（15℃時）的氫氧化鉀溶液。 為兼顧低溫性能和荷電保持能力，密封鎳鎘蓄電池採用密度為1.40（15℃時）的氫氧化鉀溶液。 為了增加蓄電池的容量和循環壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加15~20g）。  鎳鎘蓄電池充電後，正極板上的活性物質變為氫氧化鎳〔NiOOH〕，負極板上的活性物質變為金屬鎘；鎳鎘電池放電後，正極板上的活性物質變為氫氧化亞鎳，負極板上的活性物質變為氫氧化鎘。  1.放電過程中的電化學回應 （1）負極回應 負極上的鎘失去兩個電子後變成二價鎘離子Cd2+，然後立即與溶液中的兩個氫氧根離子OH-結合生成氫氧化鎘Cd(OH)2，沈積到負極板上。
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（2）正極回應 正極板上的活性物質是氫氧化鎳（NiOOH）晶體。 鎳為正三價離子（Ni3+），晶格中每兩個鎳離子可從外電路獲得負極轉移出的兩個電子，生成兩個二價離子2Ni2+。 與此同時，溶液中每兩個水分子電離出的兩個氫離子進入正極板，與晶格上的兩個氧負離子結合，生成兩個氫氧根離子，然後與晶格上原有的兩個氫氧根離子一起，與兩個二價鎳離子生成兩個氫氧化亞鎳晶體。
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好複雜呀

                               
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將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池放電時的總回應︰ 2.充電過程中的化學回應 充電時，將蓄電池的正、負極分別與充電機的正極和負極相連，電池內部發生與放電時完全相反的電化學回應，即負極發生還原回應，正極發生氧化回應。  （1）負極回應 充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然後鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極回應︰ (2) 正極回應 在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個二價鎳離子各失去一個電子生成三價鎳離子，同時，晶格中兩個氫氧根離子各釋放出一個氫離子，將氧負離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結合，生成水分子。 然後，兩個三價鎳離子與兩個氧負離子和剩下的二個氫氧根離子結合，生成兩個氫氧化鎳晶體︰
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將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池充電時的電化學回應︰

蓄電池充電終了時，充電電流將使電池內發生分解水的回應，在正、負極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出，其電化學回應如下︰

從上述電極回應可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀並不直接參與回應，只起導電作用。 從電池回應來看，充電過程中生成水分子，放電過程中消耗水分子，因此充、放電過程中電解液濃度變化很小，不能用密度計檢測充放電程度。  3. 端電壓 充足電後，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動勢可達1.5V左右，但很快就下降到1.31-1.36V。  鎳鎘蓄電池的端電壓隨充放電過程而變化，可用下式表示︰ U充=E充+I充R內 U放=E放-I放R內 從上式可以看出，充電時，電池的端電壓比放電時高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。  當鎳鎘蓄電池以標準放電電流放電時，平均工作電壓為1.2V。 採用8h率放電時，蓄電池的端電壓下降到1.1V後，電池即放完電。  4. 容量和影響容量的主要原素 蓄電池充足電後，在一定放電條件下，放至規定的終止電壓時，電池放出的總容量稱為電池的額定容量，容量Q用放電電流與放電時間的乘積來表示，表示式如下︰ Q=I‧ t(Ah) 镍镉蓄电池容量与下列因素有关： ① 活性物质的数量； ② 放电率； ③ 电解液。 放電電流直接影響放電終止電壓。 在規定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。  使用不同成分的電解液，對蓄電池的容量和壽命有一定的影響。 通常，在高溫環境下，為了提升電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。 實驗證明︰每升電解液中加入15~20g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提升4%~5%，在40℃時，容量可提升20%。 然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會使殘留在正極板上的鋰離子（Li+）慢慢滲入晶格內部，對正極的化學變化產生有害影響。  電解液的溫度對蓄電池的容量影響較大。 這是因為隨著電解液溫度升高，極板活性物質的化學回應也逐步改善。  電解液中的有害雜質越多，蓄電池的容量越小。 主要的有害雜質是碳酸鹽和硫酸鹽。 它們能使電解液的電阻增大，並且低溫時容易結晶，堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。 此外，碳酸根離子還能與負極板作用，生成碳酸鎘附著在負極板表面上，從而引起導電不良，使蓄電池內阻增大，容量下降。  5. 內阻 鎳鎘蓄電池的內阻與電解液的導電率、極板架構及其面積有關，而電解液的導電率又與密度和溫度有關。 電池的內阻主要由電解液的電阻決定。 氫氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數隨密度而變。 18℃時氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數最小。 通常鎳鎘蓄電池的內阻可用下式計算︰

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6. 效率與壽命 在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率ηAh為67%-75%，電能效率ηWh為55%~65%，循環壽命約為2000次。 容量效率ηAh和電能效率ηWh計算公式如下︰

原帖由 devilstar 於 2006-5-14 22:33 發表
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好簡單點
充電過程中，鎳鎘電池中的氫氧化鎳還原為氫氧化亞鎳，氫氧化鎘還原為鎘。 在這個過程中產生的氣泡，聚集在極板兩邊，這樣就會減小極板的有效面積，使極板的內阻增大。 由於極板的有效面積變小，充入全部電量所需的時間增加。  加入放電脈波後，氣泡離開極板並與負極板上的氧複合。 這個去極化過程減小了電池的內部壓力、溫度和內阻。 同時，充入電池的大部分電荷都轉換為化學能，而不會轉變為氣體和熱量。  充放電脈波寬度的選擇應能保證極板恢復原來的晶體架構，從而消除記憶效應。 採用放電去極化措施後，可以提升充電效率並且允許大電流快速充電。  採用某些快速充電止法時，快速充電終止後，電池並未充足電。 為了保證充入100%的電量，還應加入補足充電過程。 補足充電速率一般不超過0.3C。 在補足充電過程中，溫度會繼續上升，當溫度超過規定的極限時，充電器轉入涓流充電狀態。  存放時，鎳鎘電池的電量將按C/30到C/50的放電速率減小，為了補償電池因自放電而損失的電量，補足充電結束後，充電器應自動轉入涓流電過程。 涓流充電也稱為維護充電。 根據電池的自放電特性，涓流充電速率一般都很低。 只要電池接在充電器上並且充電器接通電源，在維護充電狀態下，充電器將以某一充電速率給電池補充電荷，這樣可使電池總處於充足電狀態。  快速充電終止控制方法 採用快速充電法時，充電電流為常規充電電流的幾十倍。 充足電後，如果不及時停止快速充電，電池的溫度和內部壓力將迅速上升。 內部壓力過大時，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的黏稠性增大，電池的內阻增大，容量下降。  從鎳鎘電池快速充電特性可以看出，充足電後，電池電壓開始下降，電池的溫度和內部壓力迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，可以採用定時控制、電壓控制和溫度控制待多種方法。  （1）定時控制 採用1.25C充電速率時，電池1h可充足；採用2.5C充電速率時，30min可充足。 因此，根據電池的容量和充電電流，很容易確定所需的充電時間。 這種控制方法最簡單，但是由於電池的起始充電狀態不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，因此，只有充電速率小於0.3C時，才允許採用這種方法。  （2）電壓控制 在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。 常用的電壓控制法有︰ 最高電壓（Vmax） 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達到最大值時，電池即充足電。 充電過程中，當電池電壓達到規定值後，應立即停止快速充電。 這種控制方法的缺點是︰電池充足電的最高電壓隨環境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此採用這種方法不可能非常準確地判斷電池已足充電。  電壓負增量（－ΔV） 由於電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓無關，而且不受環境溫度和充電速率等原素影響，因此可以比較準確地判斷電池已充足電。 這種控制方法的缺點是︰電池電壓出現負增量後，電池已經過充電，因此電池的溫度較高。 此外鎳氫電池充足電後，電池電壓要經過較長時間，才出現負增量，過充電較嚴重。 因此，這種控制方法主要適用於鎳鎘電池。  電壓零增量（0ΔV） 鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現電壓負增量的時間過久而損壞電池，通常採用0ΔV控制法。 這種方法的缺點是︰充足電以前，電池電壓在某一段時間內可能變化很小，從而造成過早地停止快速充電。 為此，目前大多數鎳氫電池快速充電器都採用高靈敏－0ΔV檢測，當電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。  （3）溫度控制 為了避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度上升到規定數值後，必須立即停止快速充電。 常用的溫度控制方法有︰ 最高溫度（Tmax） 充電過程中，通常當電池溫度達到45℃時，應立即停止快速充電。 電池的溫度可透過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。 這種方法的缺點是熱敏電阻的附應時間較長，溫度檢測有一定滯後，同時，電池的最高工作溫度與環境溫度有關。 當環境溫度過低時，充足電後，電池的溫度也達不到45℃。  溫升（ΔT） 為了消除環境影響，可採用溫升控制法。 當電池的溫升達到規定值後，立即停止快速充電。 為了實現溫升控制，必須用兩只熱敏電阻，分別檢測電池溫度和環境溫度。  溫度變化率（ΔT/Δt） 鎳氫和鎳鎘電池充足電後，電池溫度迅速上升，而且上升速率ΔT/Δt基本相同，當電池溫度每分鐘上升1℃時，應當立即終止快速充電，這種充電控制方法，近年來被普遍採用。 應當說明，由於熱敏電阻的阻值與溫度關係是非線性的，因此，為了提升檢測精度應設法減小熱敏電阻非線性的影響。  最低溫度（Tmin） 當電池溫度低於10℃時，採用大電流快速充電，會影響電池的壽命。 在這種情況下，充電器應自動轉入涓流充電，待電池的溫度上升到10℃後，再轉入快速充電。  （4）綜合控制 上述各種控制方法各有優缺點。 為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態，目前快速充電器中通常採用包括定時控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。

明白理解以上及充機本身特性一部平充機也可充到好電

需要一段時間消化,anyway thx for your advise