項目二常見動力電池結構及應用PART021.了解鎳系動力電池的常見類型。2.理解鎳氫動力電池的結構與儲能原理。3.了解鎳氫動力電池的性能及檢測。4.熟悉鎳氫動力電池在電動汽車上的應用。任務目標一、鎳氫動力電池結構及儲能原理（一）鎳氫動力電池結構1.方形鎳氫電池結構方形鎳氫電池主要由正極、負極、隔膜、堿性電解質、外殼等組成。任務2鎳系動力電池結構及應用2.圓柱形鎳氫電池結構圓柱形鎳氫電池主要由電池殼體、正極、負極、隔膜、頂蓋、安全閥等組成，且圓柱形電池極組一般由單個正極片、負極片、隔膜卷繞形成。任務2鎳系動力電池結構及應用3.鎳氫電池結構特點（1）正極氫氧化鎳。鎳氫電池正極的氫氧化鎳電極，被廣泛地應用為Cd-Ni、Fe-Ni、Zn-Ni和MH-Ni等堿性蓄電池的正極活性物質。普通的Ni(OH)2顆粒形狀不規則，晶粒尺寸分布范圍較寬，振實密度約為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，振實密度為1.9~2g/cm3，具有活性高、流動性好等特點，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2鎳系動力電池結構及應用（2）負極儲氫合金。鎳氫電池負極儲氫合金具有很強的吸氫能力，在一定壓力條件下，能夠“吸收”大量氫氣，反應生成金屬氫化物，同時放出熱量。該氫化物在一定條件下又會將儲存在其中的氫釋放出來。滿足以下條件的儲氫合金可以作為動力鎳氫電池的負極材料：①在堿液中合金組分的化學性質相對穩定；②儲氫容量高，平臺壓力適中；③氫的擴散速率快，具有良好的電催化活性及高倍率放電能力；任務2鎳系動力電池結構及應用④有較好的抗氧化、抗吸氫粉化能力，循環壽命長；⑤電化學容量在較寬的溫度范圍內變化不大；⑥自放電小；⑦資源豐富，成本低廉；⑧導熱性好。任務2鎳系動力電池結構及應用（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，因此還需具有良好的耐堿性和透氣性。隔膜性能的好壞會影響電池的循環壽命和自放電情況。任務2鎳系動力電池結構及應用（5）集流體。鎳氫電池的集流體主要起保持活性物質和導電的作用，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，是三維網狀結構，方便活性物質填充，是鎳鎘電池理想的電極集流體材料。任務2鎳系動力電池結構及應用（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，當電池內部壓力過大時安全閥開啟，釋放氣體，降低電池內部壓力,提高電池安全性。當鎳氫電池過充電時，金屬殼內的氣體壓力將逐漸上升。當該壓力達到一定數值后，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的容器，同時完成電池的密封。鎳氫電池還有用于連接正、負極板的正負極柱以及實現電池極柱與電池殼體之間絕緣的絕緣墊。鎳氫電池的正負極柱也是電池與外電路的連接點。任務2鎳系動力電池結構及應用（二）鎳氫動力電池儲能原理鎳氫電池正極板的活性物質為氫氧化鎳（Ni（OH2）），負極板的活性物質為儲氫合金（MH），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，電化學反應如下：任務2鎳系動力電池結構及應用鎳氫電池放電時，正極上NiOOH得到電子還原成為Ni(OH)2，負極金屬氫化物（MHx）內部的氫原子擴散到表面形成吸附態氫原子，接著再發生電化學反應生成水和儲氫合金。任務2鎳系動力電池結構及應用鎳氫電池充電時，正極上的Ni(OH)2轉變為NiOOH。由于質子在NiOOH/Ni(OH)2中的擴散系數小，是氫氧化鎳電極充電過程的控制步驟。在負極，析出的氫原子吸附在儲氫合金表面，形成吸附態MHab，然后再擴散到儲氫合金內部，形成金屬氫化物MH。任務2鎳系動力電池結構及應用二、鎳氫動力電池的性能1.充電特性開始時電壓上升較快，然后進入穩定階段。有NiOOH生成后，充電電壓上升速率降低，電壓變得比較穩定。隨著充電過程的進行，當充電容量接近電池的額定容量的75%左右時，儲氫合金中的氫原子擴散速度減慢。由于氧在儲氫合金中的擴散速度受負極反應速度限制，以及此時正極開始逐步進入過充電階段。任務2鎳系動力電池結構及應用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2鎳系動力電池結構及應用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，內阻增大，放電電壓下降很快，電池的能量效率降低，電池的實際容量一般都低于額定容量。相應地，在低倍率放電條件下，放電電壓下降緩慢，電池實際放出的容量常常高于額定容量。鎳氫電池的充電電流、擱置時間、放電終止電壓和放電電流等均會對放電容量產生影響。任務2鎳系動力電池結構及應用4.儲存特性電池的儲存性能是指電池在一定條件下儲存一定時間后主要性能參數的變化，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，不適宜放置太長時間。存放鎳氫電池的區域應保持清潔、涼爽、通風；溫度應在10~25℃之間，一般不應超過30℃；相對濕度以不大于65%為宜。①長期放置的電池應該采用荷電狀態儲存，一般可預充50%~100%的電量后儲藏；②在儲存過程中，要保證至少每3個月對電池充電一次，以恢復到飽和容量。任務2鎳系動力電池結構及應用5.溫度特性鎳氫電池在中高溫環境下，由于溫度較高有利于合金中氫原子的擴散，提高了合金的動力學性能，且電解液中KOH的電導率也隨溫度升高而增加，電池放電容量明顯比低溫時放電容量大。溫度過高時，雖然電解質電導率大，電流遷移能力增強，遷移內阻減小，但電解液溶劑水分蒸發快，增加電解液的歐姆內阻，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溫度是-20~45℃，最佳存儲溫度是10~25℃。任務2鎳系動力電池結構及應用6.循環壽命鎳氫電池的循環壽命受充放電濕度、溫度和使用方法的影響。在目前的技術狀態下，當按照IEC標準充放電時，充放電循環可以超過500次。在電動車輛上的應用，鎳氫電池一般采用淺充淺放的應用機制，即SOC在40%~80%之間應用，因此電池的使用壽命已經可以達到5年，甚至10年以上。任務2鎳系動力電池結構及應用7.安全性由于電動車在行駛過程中經常會處于大幅度振蕩的狀態中，導致動力鎳氫電池處于不穩定的工作狀態中，容易出現以下安全問題：（1）漏液。（2）氫氣滲漏。（3）電池內產生氫氧爆炸性混合氣體。任務2鎳系動力電池結構及應用三、鎳氫動力電池在電動汽車上的應用由于鎳氫電池滿足混合動力電動汽車高功率密度的要求，該類電池目前在混合動力電動汽車尤其是在日系車型中應用廣泛，如豐田凱美瑞混合動力車、普銳斯、雷克薩斯CT200、本田思域等。福特公司推出的Escape混合動力汽車也采用了額定電壓在300V左右的鎳氫電池組。任務2鎳系動力電池結構及應用豐田普銳斯混合動力（圖2-19）汽車采用鎳氫電池作為動力電源。普銳斯的HV蓄電池采用的就是288V、6.5A·h的鎳氫動力電池。該電池組可以通過發電機和電動機實現充放電，且輸出功率大、質量小、壽命長、耐久性好。豐田凱美瑞混合動力車的鎳電池組在整車的布置如圖2-20所示。任務2