镍氢电池的电极反应式
镍氢电池是以金属氢化物为负极,氢氧化镍电极为正极,氢氧化钾溶液为电解液,电池的电极反应如下:
正极:
充电:Ni(OH)2+OH—NOOH+H2O+e
过充电:40H—2H2O+O2+4e
放电:NiOOH+H20+e—N(OH)2+OH
过放电:2H20+2e—H2+2OH
负极:
充电:M+H2O+e—MH+OH
过充电:2H20+O2+4e—40H
放电:MH+OH—M+H2O+e
过放电:H2+2OH—2H20+2e
总电池反应:MH+NOOH=M+Ni(OH)2
充电时,正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH,水分子在贮氢合金负极M上放电,分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的MHad,再扩散到贮氢合内部而被吸收形成氢化物MHab。氢在合金中的扩散较慢,扩散系数一般都在107~108cm·s1。扩散成为充电过程的控制步骤。
这个过程可以表示如下:
M+H20+e—MH2d+ OH
MHad—aMHab
aMHb—β-MH
MHad+ MHa-—2M+H2
MHad+H2O+e—M+H2+OH
在电极充电初期,电极表面的水分子在金属镍的催化作用下被还原成氢原子,氢原子吸附在合金的表面上,
形成吸附态氢原子MH2d。吸附在合金表面上的氢原子扩散进入合金相中,与合金相形成固溶体a-MHab。
当溶解于合金相中的氢原子越来越多,氢原子将与合金发生反应,形成金属氢化物βMH。当氢原子浓度进一步提高时,将发生氢原子的复合脱附或电化学脱附。
过充电时,由于阳极上可以氧化的Ni(OH)2都变成了NiOOH(除了活性物质内部被隔离的N(OH)2之外),这时OH失去电子形成O2,O2扩散到负极,在贮氢合金的催化作用下得到电子形成OH,也可能与负极产生的氢气复合成水,放出热量,使电池温度升高,同时也降低了电池的内压。负极上由于贮氢合金已吸饱了氢不能再吸氢,这时,水分子在负极上放电形成H2,H2再在贮氢合金的催化作用下与正极渗透过来的氧气复合成水。
放电时,NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2,金属氢,化物(QMH)内部的氢原子扩散到表面而形成吸附态的氢原子,再发生电化学反应生成贮氢合金和水。氢原子的扩散步骤仍然成为负极放电过程的控制步骤。
过放电时,正极上可被还原的NiOOH已经消耗完了(镍氢电池一般设计为负极容量过量),这时H2O便在镍电极上还原
正极(镍电极):2H20+2e》Hz+2OHT
负极(贮氢合金电极):H2+2OH》2H20+2e
这样氢气在镍电极上生成,又在贮氢合金电极上消耗掉。这时电池的电压变成“负”的,即镍电极电位反而比氢电极电位更负,所以也称为反极。
在电池反应中,贮氢合金担负着贮氢和电化学反应的双重任务。
从上面的过程可以看出,在过充和过放过程中,由于贮氢合金的催化作用,可以消除产生的O2和H2从而使电池具有耐过充过放电能力。但随着充放电循环的进行,储氢合金逐渐失去催化能力,电池内压便升高了。为了保证氧的复合反应,消除氧气压力,设计电池时,负极容量过量,电池容量由正极限制。实现电池密封时,才能保证电池的安全。
电池的记忆效应概念
记忆效应是电池因为使用而使电池内容物产生结晶的一种效应。一般只会发生在镍镉电池,镍氢电池较少,锂电池则无此现象。发生的原因是由于电池重复的部分充电与放电不完全所致。会使电池暂时性的容量减小,导致使用时间缩短。
电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式,日久就很难改变这种模式,不能再做大幅度充电或放电。锂离子电池不存在这种效应。
电池记忆效应是指电池的可逆失效,即电池失效后可重新回复的性能。电池长时间经受特定的工作循环后,自动保持这一特定的倾向。这个最早定义在镍镉电池,镍镉的袋式电池不存在记忆效应,烧结式电池有记忆效应。
镍氢电池有记忆效应吗
低压镍氢电池没有记忆效应,高压镍氢电池和镍镉电池相同,都有“记忆效应”,锂离子电池不存在记忆效应。记忆效应是电池因为使用而使电池内容物产生结晶的一种效应。一般只会发生在镍镉电池,镍氢电池较少,锂电池则无此现象。发生的原因是由于电池重复的部分充电与放电不完全所致。会使电池暂时性的容量减小,导致使用时间缩短。
防止镍镉电池记忆效应产生应将电池使用到没电再充电,或在有放电功能的充电器上先行放电。切勿将还有电的电池重复充电,以避免记忆效应的产生。
要将电池完全放电必须将电池待机放置约24小时,完全放电后,再充饱电,如此多次循环,即可恢复电池容量,除非电池已损坏。然而要避免此一现象产生,还是建议消费者选择镍氢电池或锂电池。
与锂电池一样,镍氢电池也需要电池管理系统,不过其更注重电池的充放电管理。之所以存在这样的区别,主要是源于镍氢电池具有“记忆效应”,即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减,而过度充电或放电,都可能加剧电池的容量损耗。因此对于厂商来说,镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电,如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内,以降低容量衰减速度。