鎳氫充電電池的特性研究

【摘要】 隨著數碼像機、MP3、手機及電動工具等便攜式電子產品的逐漸普及，人們對高性能電池的需求量變得越來越大。加之世界各國對環保的呼聲日益高漲，這就給可重復使用、不會對生態環境造成傷害的鎳氫電池帶來了廣闊的發展空間。本文則對鎳氫充電電池的特性進行了詳細的研究，希望能給相關領域的研究帶來幫助。

【關鍵詞】 鎳氫電池；充電；放電

【中圖分類號】 O646.21

【文獻標識碼】 B

【文章編號】 1005-1074(2008)08-0274-02

1Nickel Hydrogen Rechargeable Battery's Characteristic Research

ZHAO Zanjun(Xi'an Xin zhu FireRescue Equipment Co.，Ltd，710075)

【Abstract】

With digital camera， MP3， cell phones and power tools， and other portable electronic products gradually universal， people on the demand for high-performance batteries become more and more. In addition， countries in the world of environmental protection voice rising， which can be repeatedly used to， will not cause harm to the ecological environment of the nickel-hydrogen battery has broad space for development. This article is for the nickel-metal hydride rechargeable battery of a detailed study that can bring in related fields of study to help.

【Key words】 Nickel hydrogen batteries; charge; discharge

1 鎳氫電池的基本特性與性能指標

金屬氫化物鎳蓄電池(MH-Ni)與鎳鎘電池(Ni-Cd)一樣，同屬于鎳基類二次電池，均選用了Ni(OH)2作為其正極材料。但鎳氫電池以稀土類貯氫合金(一般用M表示)作為負極材料，這使得鎳氫電池的能量密度明顯高于以海綿狀金屬鍋作為負極材料的Ni-Cd電池，而且電池內部不含鎘、鉛或汞等對環境有害的物質。自從1990年實現商品化以來，憑借較長的循環使用壽命(充放電次數>500)以及對環境友好等優異性能，鎳氫電池已經成為了鎳鎘電池與碳鋅酸性干電池的最佳替代產品。

1.1 鎳氫電池能量轉換原理 在鎳氫電池內部的正極和負極之間由可通過氫離子和氫氧根離子的隔膜隔開，并加注KOH水溶液作為導電劑。鎳氫電池充電過程中正負極上的電化學反應方程如下：

正極：Ni(OH)2+OH-充電放電NiOOH+H2O+e（1）

負極：M+H2O+e充電放電MH+OH-（2）

對整個鎳氫電池而言，其內部完整的反應方程式為：負極：

Ni(OH)2+M充電放電NiOOH+MH（3）

由于KOH電解液的存在，溶液中的水分子會在電流的作用下被電離成H+離子和OH-離子。在充電過程中，溶液中的H+離子在負極表面得到電子還原成H原子，然后H原子由負極表面向內部擴散并與負極貯氫合金結合而形成金屬氫化物MH。而在放電時，氫化物MH中的氫原子會在負極表面失去電子而轉變為H+離子，進入電解液與電解液中的OH-根離子再次結合生成水分子。由此可見，在整個充放電過程中只是氫原子和氫離子的變化，而沒有發生任何負極的消耗。從式(3)也可以看出，鎳氫電池在工作時，內部的堿性KOH電解質水溶液不僅起離子電荷遷移作用，同時還參與了部分電池的正負極反應，但對整個電池反應來講，只要電池密封效果較好，在正常充放電條件下電解質同樣是沒有損耗的。

1.2 鎳氫電池的生產工藝 在工廠中，鎳氫電池均是由專用的自動化流水線進行生產。生產流程共包括為電極極片生產、電池裝配、電池化成及電池分容等四項內容。完整的自動化極片生產是使用發泡鎳、擴張金屬網或鍍鎳沖孔金屬板(NPPS)來制作鎳氫電池的正極、負極合金電極的電極材料。電極的生產線均配置有一個專屬的涂布頭，通過均勻的涂布品質來得到均勻分布的電池容量；同時高品質的滾壓機能夠實現電極材料最高的堆積密度，以達到較高的負載電量。全自動的電池組裝線可以生產AAA，AA，A等不同系列的圓柱形電池。在組裝線上要完成低阻抗鎳柄與極板的生產、正確形狀的卷繞、電極間的短路檢測、準確數量的電解液加注，以及良好的收口封裝等內容。化成是整個鎳氫電池生產流水線中最關鍵的一道工序。簡單來講，化成是一個能量激活的過程。首先對已封口的鎳氫電池進行短暫恒壓充電，然后迅速放電，如此進行幾個循環，使電極充分浸潤電解液實現充分活化，并使電池容量基本達到設計要求（即達到完全化成）。為了達到一定的精度，通常的化成設備都是利用中央處理器（CPU）來進行全程自動化控制，并使用4針的鍍金被銅尖頭探針方式來準確讀取電池的電池容量與電壓。不同型號的的電池必須使用不同的化成參數。電池化成作為一種深充深放的過程，所得到的參數不便于記錄，即使能夠記錄下來也并沒有太多的實際意義；而且化成后的電池容量并不一定都能夠達到標準的額定值，因此完整的生產流程中還必須對鎳氫電池進行分容檢測。通過測試化成后的鎳氫電池容量來實現對不同性能（容量）的電池進行歸類、電池等級劃分、容量匹配等目的，正是鎳氫電池品質管理中的一項重要內容。容量達到或超過額定值的，將作為A級產品進行優價銷售；容量勉強達到設計要求的電池則列為B級產品，按正常價格銷售；而剩下的就屬于C級產品了。A、B級產品雖然質量不錯，但由于廠家每天生產的電池數量巨大，對電池進行的上述容量分選也僅僅是一個很粗略的檢測，各只電池的實際容量仍然存在較大差異。如果下游生產廠家直接將A， B級單體電池按等級封裝成組合蓄電池，那么生產出的產品質量仍然難以保證。C級產品的單體電池容量雖然不能達標，電池間的質量差別也比較較大，但價格極為低廉。國內目前有很多鎳氫電池生產企業為片面追求電池的產量，在分容環節上沒有嚴格執行鎳氫電池的生產檢測標準，一般只對生產出的鎳氫電池能否充得進電或是否有電做一些簡單測試。這也使得生產出的鎳氫電池缺乏質量保證，在內阻、容量的一致性等質量指標上達不到要求。這類電池與正規廠家生產C級電池被統稱為“工包電池”，在當前的鎳氫電池批發、銷售環節中所占的數量是最大的。

1.3 鎳氫電池的容量指標 衡量鎳氫電池綜合性能高低的主要參數包括額定容量、動態電池內阻、比能量、自放電率、電解液載電能力以及循環壽命等多個方面，但在中、小電流放電場合下，容量則是制約鎳氫電池性能優劣的關鍵指標，因而大多數鎳氫電池篩選檢測系統都將電池容量作為首選的檢測內容。鎳氫電池的額定容量是指在一定的放電條件下，電池放電至截止電壓時總共釋放出的電量（一般通過放電時間與放電電流之積進行反映），常見單位有“mA·h”與“A·h”兩種。很顯然，在相同放電電流的條件下，如果電池容量越大，則該電池的放電電流時間就越長。比如某粒鎳氫電池的額定容量為1800mAh，則表明該電池能夠以1800mA的電流持續放電1小時；以此類推，如果放電電流為180mA則該電池的放電時間可以達到10小時左右。

2 鎳氫電池的充電特性及充電中止狀態檢測

IEC標準規定鎳氫電池的額定容量是將電池在20±50C的環境中以0.1C充電16小時后再以0.2C放電至1.0V時所放出的電量。之所以要充電16小時，主要是為了實現對充電終點的控制。但是由于被測試的電池在充電前可能已經存儲了一定的電量，如果仍然要保證16小時的充電時間就容易產生過充電的結果。因此，鎳氫電池除了通過以充電時間來控制充電終點外，往往還使用了如下一些檢測信息作為判斷充電是否結束更加準確可靠的依據。

2.1 Vmax控制法 電池在充電過程中，其端電壓會隨著充電過程的深入而不斷上升，當所充電量達到額定容量的100%左右時，電池的端電壓會比額定電壓高出一定數值，這個電壓值被稱為滿容量電壓。通過檢測滿容量電壓的大小可用來地作為檢測鎳氫電池是否滿充的依據。Vmax控制法實現起來最為簡單，一般只需要查詢電池電壓是否達到某個設定的峰值電壓即可判斷出電池是否已經滿充。但由于電池之間存在明顯的個體差異，峰值電壓也可能不盡相同。而在另一方面，隨著充電次數的增加，每只電池的峰值電壓有下降的趨勢。因此如果單純地使用峰值電壓控制法作為電池充電終點的檢測并不可取。不過，將Vmax控制法用來判斷電池在充電過程中是否出現問題或已經損壞倒也不失為一種非常有效的檢測方法。

2.2 Tmax控制法 鎳氫電池在以中小電流進行充電的過程中，外殼溫度隨著充電過程的進行會以極為緩慢的速度上升。在沒有達到滿額充電時，電池外殼溫度不是很高；當充電基本結束時，電池的外殼溫度會逐漸上升至一定的數值，該值即可作為判斷鎳氫電池滿充的依據。

2.3 dTdt控制法 正如前面所述，鎳氫電池的充電是一個釋放熱量的過程，因此電池的外殼溫度會隨著充電過程的繼續而緩慢上升。由于電池外殼的溫度上升速度很慢，故dTdt始終保持為一個較小的正值。只有當接近100%的充電量時，鎳氫電池的外殼溫度會出現一個明顯的上升過程，此時鎳氫電池的外殼溫度變化率dTdt較大。dTdt控制法正是通過上述的溫度異動來檢測鎳氫電池充電終止狀態的。這種方法在實際使用時效果不錯，但受環境因素的影響較為明顯，加之溫度傳感器的線性普遍較差且往往需要進行一些后續處理，因而實際使用起來比較麻煩，業余條件下難以達到較好的控制效果，主要被用在超大電流的充電狀態檢測或用來判斷鎳氫電池在充電過程中是否存在不穩定性或出現了嚴重的功能性故障。

2.4 dVdt控制法 鎳氫電池充電時，隨著時間的延長，電池電壓不斷上升，這時的電池電壓是成上升趨勢的，即dVdt＞0，但是，當電池電壓達到峰值，即電池容量達到額定容量后，電池電壓就會下將，即dVdt＜0，△V為負。以-△V為負作為檢測電池充電飽和的條件，一旦儀器程序檢測到，則儀器終止快速充電過程，啟動涓流充電程序，并顯示充電飽和標志。-△V控制法是完全根據鎳氫電池的基本充電特性所總結出來的，故用來判斷鎳氫電池滿充的準確性相對而言是最高的。

3 鎳氫電池的放電特性及放電中止狀態檢測

鎳氫電池的容量檢測主要是通過記錄電池放完內部儲存的電量所經歷的時間。恒流放電的起始階段，鎳氫電池由空載狀態切換至閉合回路，電池電壓有一段陡然的跌落。但僅僅經過很短的時間，鎳氫電池內部的放電就會進入一個電化學平衡狀態（即：放電平臺期），在此狀態下，電池電壓的下降不是十分明顯。如果以0.2～0.5C的電流進行恒流放電，電池電壓的降幅基本保持在每分鐘1mV左右，即：0＞ dVdt≥-lmV/min。隨著放電過程的繼續，當鎳氫電池的放電接近尾聲時，電壓曲線會進入一個迅速下降的階段，俗稱“馬尾曲線”；此時，電池內部的極化阻抗增大，輸出效率降低，電池端電壓下降明顯。當鎳氫電池的放電進入馬尾曲線后，若放電電流仍然維持在一個較高的水平上，則容易造成電池內壓升高，使電池端電壓迅速降低至零，甚至可能因電池被反方向充電而使電池端電壓反轉，破壞正負極活性物質的可逆性。如果這個過程較長，將使電池內的活性材料接近全部喪失，等效為一個無源電阻；而電池端電壓為負值，數值上等于反充電流在等效電阻上的壓降。停止放電后電池的電動勢消失，電壓一般不能恢復、電池報廢。顯然，同過充電一樣，鎳氫電池的大電流過放或放電中止電壓過低都會給電池帶來災難性的后果。一般而言，經歷了過放電的鎳氫電池在下次充電后也只能得到部分恢復，容量衰減十分明顯。

通常采用的判斷電池電量是否全部放完的方法是在保持放電電流恒定的條件下，根據放電截止電壓進行判斷，但在不同的放電電流下放電截止電壓應有所區別。0.2—2C放電時的截止電壓一般可設定為1.0V，而以2C以上的放電電流進行放電時，放電截止電壓則應設定在0.8V左右，造成這種差別主要的由于大電流放電末期的電壓跌落較大、馬尾曲線較為陡峭的緣故。

4 結論

鎳氫電池作為鉛酸電池與鎳鎘電池的良好替代品，鎳氫電池的特性與原材料的選擇、生產設備及工藝流程的設計之間有著直接的關系，所以本文的研究可以為生產鎳氫電池的企業作為

參考，希望能給他們提供理論上的支持和幫助。

5 參考文獻

1 鐘 勝，朱方明.鎳氫蓄電池組一致性篩選及快速充電機保護方法[J].電源技術，2004，06

2 王 琪.模糊控制的鎳氫鎳鎘電池充電系統研究[J].西安工業大學學報，2007，03

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