镉镍氢电池的原理及充电方法

商品编号:REF: KAN-LIION-PACK

产品描述:

镉镍氢电池的原理及充电方法系列,动力充足,自放电率低;适应高低温工作环境;性能稳定,安全性高;该系列电池广泛应用于各种家居家电用品、美容医疗器材、电动工具等

  1899年,Waldmar Jungner正在启齿型镍镉电池中,起首利用了镍极板,简直与此同时,Thomas Edison 出现白用于电动车的镍铁电池。缺憾的是,因为当时这些碱性蓄电池的极板质料比其它蓄电池的村料贵得多,因而实质行使受到了极大的局部。

  自后,Jungner的镍镉电池经由几次要紧鼎新,职能明白改良。此中最要紧的鼎新是正在1932年,科学家正在镍电池中动手利用了活性物质。他们将活性物质放入多孔的镍极板中,然后再将镍极板装入金属壳内。镍镉电池进展史上另一个要紧的里程碑是1947年密封型镍镉电池研造胜利。正在这种电池中,化学反映形成的各类气体不必排出,能够正在电池内部化合。密封镍镉电池的研造胜利,使镍镉电池的行使界限大大加添。

  密封镍镉电池作用高、轮回寿命长、能量密度大、体积幼、重量轻、组织紧凑,而且不须要维持,因而正在工业和消费产物中取得了普遍行使。

  跟着空间技艺的进展,人们对电源的央浼越来越高。70年代中期,美国研造胜利了功率大、重量轻、寿命长、本钱低的镍氢电池,而且于1978年胜利地将这种电池行使正在导航卫星上,镍氢电池与同体积镍镉电池比拟,容量可普及一倍,并且没有重金属镉带来的污染题目。它的管事电压与镍镉电池一律类似,管事寿命也大要相当,但它拥有杰出的过充电和过放电职能。近年来,镍氢电池受到寰宇各国的侧重,各类新技艺数见不鲜。镍氢电池刚问世时,要利用高压容器积蓄氢气,自后人们采用金属氢化物来积蓄氢气,从而造成了低压乃至常压镍氢电池。1992年,日本三洋公司每月可分娩200万只镍氢电池。目前国内已有20多个单元研造分娩镍氢电池,国产镍氢电池的归纳职能一经抵达国际先辈秤谌。

  蓄电池的五个要紧参数为:电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量平常用Ah(安时)默示,1Ah即是能正在1A的电流下放电1幼时。单位电池内活性物质的数目裁夺单位电池含有的电荷量,而活性物质的含量则由电池利用的质料和体积裁夺,因而,平常电池体积越大,容量越高。与电池容量相干的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流平常用充电速度C默示,C为蓄电池的额定容量。比如,用2A电流对1Ah电池充电,充电速度即是2C;同样地,用2A电流对500mAh电池充电,充电速度即是4C。

  电池刚出厂时,正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板质料的电极电位和内部电解液的浓度裁夺。当情况温度、利用岁月和管事形态蜕化时,单位电池的输出电压略有蜕化,其余,电池的输出电压与电池的盈利电量也有必定相干。单位镍镉电池的标称电压约为1.3V(但平常以为是1.25V),单位镍氢电池的标称电压为1.25V。

  电池的内阻裁夺于极板的电阻和离子流的阻抗。正在充放电进程中,极板的电阻是稳定的,不过,离子流的阻抗将随电解液浓度的蜕化和带电离子的增减而蜕化。

  蓄电池满盈电时,极板上的活性物质已抵达饱和形态,再持续充电,蓄电池的电压也不会上升,此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.75~1.8V,镍氢电池的充电终止电压为1.5V。

  放电终止电压是指蓄电池放电时应许的最低电压。假使电压低于放电终止电压后蓄电池持续放电,电池两头电压会缓慢低落,造成深度放电,如许,极板上造成的天生物正在平常充电时就不易再复原,从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率相合。镍镉电池的放电终止电压和放电速度的相干如表1-1所列,镍氢电池的放电终止电压平常轨则为1V。

  镍镉蓄电池的正极质料为氢氧化亚镍和石墨粉的羼杂物,负极质料为海绵状镉粉和氧化镉粉,电解液平常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。当情况温度较高时,利用密度为1.17~1.19(15℃时)的氢氧化钠溶液。当情况温度较低时,利用密度为1.19~1.21(15℃时)的氢氧化钾溶液。正在-15℃以下时,利用密度为1.25~1.27(15℃时)的氢氧化钾溶液。为统筹低温职能和荷电坚持才气,密封镍镉蓄电池采用密度为1.40(15℃时)的氢氧化钾溶液。为了加添蓄电池的容量和轮回寿命,平常正在电解液中列入少量的氢氧化锂(约莫每升电解液加15~20g)。

  镍镉蓄电池充电后,正极板上的活性物质变为氢氧化镍〔NiOOH〕,负极板上的活性物质变为金属镉;镍镉电池放电后,正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍,负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

  负极上的镉失落两个电子后形成二价镉离子Cd2+,然后立地与溶液中的两个氢氧根离子OH-维系天生氢氧化镉Cd(OH)2,浸积到负极板上。

  正极板上的活性物质是氢氧化镍(NiOOH)晶体。镍为正三价离子(Ni3+),晶格中每两个镍离子可从表电途得到负极蜕变出的两个电子,天生两个二价离子2Ni2+。与此同时,溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板,与晶格上的两个氧负离子维系,天生两个氢氧根离子,然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一块,与两个二价镍离子天生两个氢氧化亚镍晶体。

  充电时,美高梅mgm娱乐,将蓄电池的正、负极差别与充电机的正极和负极相连,电池内部爆发与放电时一律相反的电化学反映,即负极爆发回原反映,正极爆发氧化反映。

  充电时负极板上的氢氧化镉,先电离成镉离子和氢氧根离子,然后镉离子从表电途得到电子,天生镉原子附着正在极板上,而氢氧根离子进入溶液参加正极反映:

  正在表电源的用意下,正极板上的氢氧化亚镍晶格中,两个二价镍离子各失落一个电子天生三价镍离子,同时,晶格中两个氢氧根离子各开释出一个氢离子,将氧负离子留正在晶格上,释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子维系,天生水分子。然后,两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子维系,天生两个氢氧化镍晶体:

  蓄电池充电完结时,充电电流将使电池内爆发理会水的反映,正在正、负极板大将差别有豪爽氧气和氢气析出,其电化学反映如下:

  从上述电极反映能够看出,氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参加反映,只起导电用意。从电池反映来看,充电进程中天生水分子,放电进程中消费水分子,因而充、放电进程中电解液浓度蜕化很幼,不行用密度计检测充放电水平。

  满盈电后,立地断开充电电途,镍镉蓄电池的电动势可达1.5V阁下,但很速就低落到1.31-1.36V。

  从上式能够看出,充电时,电池的端电压比放电时高,并且充电电流越大,端电压越高;放电电流越大,端电压越低。

  当镍镉蓄电池以准则放电电放逐电时,均匀管事电压为1.2V。采用8h率放电时,蓄电池的端电压低落到1.1V后,电池即放完电。

  蓄电池满盈电后,正在必定放电条款下,放至轨则的终止电压时,电池放出的总容量称为电池的额定容量,容量Q用放电电流与放电岁月的乘积来默示,默示式如下:

  利用区别因素的电解液,对蓄电池的容量和寿命有必定的影响。平常,正在高温情况下,为了普及电池容量,常正在电解液中增加少量氢氧化锂,构成羼杂溶液。试验声明:每升电解液中列入15~20g含水氢氧化锂,正在常温下,容量可普及4%~5%,正在40℃时,容量可普及20%。然而,电解液中锂离子的含量过多,不只使电解液的电阻增大,还会使残留正在正极板上的锂离子(Li+)缓缓渗透晶格内部,对正极的化学蜕化形成无益影响。

  电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。这是由于跟着电解液温度升高,极板活性物质的化学反映也慢慢改良。

  电解液中的无益杂质越多,蓄电池的容量越幼。要紧的无益杂质是碳酸盐和硫酸盐。它们能使电解液的电阻增大,而且低温时容易结晶,淤塞极板微孔,使蓄电池容量明显低落。其余,碳酸根离子还能与负极板用意,天生碳酸镉附着正在负极板轮廓上,从而惹起导电不良,使蓄电池内阻增大,容量低落。

  镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板组织及其面积相合,而电解液的导电率又与密度和温度相合。电池的内阻要紧由电解液的电阻裁夺。氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变。18℃时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最幼。平常镍镉蓄电池的内阻可用下式谋略:

  正在平常利用的条款下,镍镉电池的容量作用ηAh为67%-75%,电能作用ηWh为55%~65%,轮回寿命约为2000次。容量作用ηAh和电能作用ηWh谋略公式如下:

  镍镉电池利用进程中,假使电量没有完全放完就动手充电,下次再放电时,就不行放出完全电量。例如,镍镉电池只放出80%的电量后就动手充电,满盈电后,该电池也只可放出80%的电量,这种形象称为印象效应。

  电池完全放完电后,极板上的结晶体很幼。电池个别放电后,氢氧化亚镍没有一律变为氢氧化镍,盈利的氢氧化亚镍将维系正在一块,造成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池形成印象效应的要紧出处。

  镍氢电池和同体积的镍镉电池比拟,容量加添一倍,充放电轮回寿命也较长,而且无印象效应。镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时),负极板的活性物质为H2(放电时)和H2O(充电时),电解液采用30%的氢氧化钾溶液,充放电时的电化学反映如下:

  从方程式看出:充电时,负极析出氢气,储存正在容器中,正极由氢氧化亚镍形成氢氧化镍(NiOOH)和H2O;放电时氢气正在负极上被消费掉,正极由氢氧化镍形成氢氧化亚镍。

  从方程式看出,蓄电池过量充电时,正极板析出氧气,负极板析出氢气。因为有催化剂的氢电极面积大,并且氢气可能随时扩散到氢电极轮廓,因而,氢气和氧气可能很容易正在蓄电池内部再化合天生水,使容器内的气体压力坚持稳定,这种再化合的速度很速,能够使蓄电池内部氧气的浓度,不突出千分之几。

  从以上各反映式能够看出,镍氢电池的反映与镍镉电池雷同,只是负极充放电进程中天生物区别,从后两个反映式能够看出,镍氢电池也能够做成密封型组织。镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液,并列入少量的LiOH。隔阂采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了提防充电进程后期电池内压过高,电池中装有防爆安装。

  镍镉电池充电性情弧线所示。当恒定电流刚充入放完电的电池时,因为电池内阻形成压降,于是电池电压很速上升(A点)。从此,电池动手接纳电荷,电池电压以较低的速度接连上升。正在这个界限内(AB之间),电化学反映以必定的速度形成氧气,同时氧气也以同样的速度与氢气化合,因而,电池内部的温度和气体压力都很低。

  电池充电进程中,形成的氧气高于复合的氧气时,电池内压力升高。电池内的平常压力*约莫为1磅力/英寸2。过充电时,遵循充电速度,电池内部压力将很速上升到100磅力/英寸2或者更高。

  钻探蓄电池的各类充电门径时,镍镉电池内形成的气体是一个要紧题目。气泡鸠集正在极板轮廓,将减幼极板轮廓参加化学反映的面积而且加添电池的内阻。过充电时,电池内形成的豪爽气体,假使不行很速复合,电池内部的压力就会明显加添,如许将毁伤电池。其余,压力过大时,密封电池将打绽放气孔,从而使电解液逸散。若电解液重复通过放气孔逸散,电解液的稠密性增大,极板间离子的传输变得穷困,因而电池的内阻加添,容量低落。

  经由必定岁月后(C点),电解液中动手产朝气泡,这些气泡鸠集正在极板轮廓,使极板的有用面积减幼,于是电池的内阻抗加添,电池电压动手较速上升。这是亲切满盈电的信号。

  满盈电后,充入电池的电流不是转换为电池的贮能,而是正在正极板上形成氧气超电位。氧气是因为电解液电解而形成的,不是因为氢氧化镉还原为镉而形成的。正在氢氧化钾和水构成的电解液中,氢氧离子形成氧、水和自正在电子,反映式为

  固然电解液形成的氧气能很速正在负极板轮廓的电解液中复合,不过电池的温度仍明显升高。其余因为充电电流用来形成氧气,于是电池内的压力也升高。

  因为从豪爽的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易理会出氧气,于是电池内的温度快速上升,如许就使电池电压低落。因而电池电压弧线显示峰值(D点)。

  电解液中,氧气的形成和复合是放热反映,电池过充电时(E点),不断地形成氧气,从而使电池内的温度和压力升高。假使强造排出气体,将惹起电解液省略、电池容量低落并毁伤电池。若气体不行很速排出,电池将会爆炸。

  采用低速度恒流涓流充电时,电池内将形成枝晶。这些枝晶可能通过隔板正在极板之间扩散。正在扩散较紧要的情形下,这些枝晶会酿成电池个别或完全短途。

  镍氢电池的充电性情与镍镉电池仿佛,充电进程中二者的电压、温度弧线所示。能够看出,充电终止时,镍镉电池电压低落比镍氢电池要大得多。当电池容量抵达额定容量的80%以前,镍镉电池的温度迂缓上升,当电池容量抵达90%此后,镍镉电池的温度才很速上升。当电池根基满盈电时,镍镉/镍氢电池的温度上升率根基类似。

  对恒久不必的或新电池充电时,一动手就采用神速充电,会影响电池的寿命。因而,这种电池应先用幼电流充电,使其知足必定的充电条款,这个阶段称为预充电。

  神速充电即是用大电流充电,缓慢复原电池电能。神速充电速度平常正在1C以上,神速充岁月由电池容量和充电速度裁夺。

  为了避免过充电,少许充电器采用幼电流充电。镍镉电池平常充电时,能够接纳C/10或更低的充电速度,如许充电岁月要10h以上。采用幼电流充电,电池内不会形成过多的气体,电池温度也不会过高。只须电池接到充电器上,低速度恒流充电器就能对电池供给很幼的涓流充电电流。电池采用幼电流充电时,电池内形成的热量能够天然散去。

  涓流充电器的要紧题目是充电速率太慢,比如,容量为1Ah的电池,采用C/10充电速度时,充电岁月要10h以上。其余,电池采用低充电速度重复充电时,还会形成枝晶。大个别涓流充电器中,都没有任何电压或温度反应掌握,于是不行保障电池满盈电后,立地合断充电器。

  神速充电分恒流充电和脉冲充电两种,恒流充电即是以恒定电流对电流充电,脉冲充电则是起首用脉冲电流对电池充电。然后让电池放电,如许轮回。电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。平常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍阁下。固然放电脉冲的幅值与电池容量相合,不过,与充电电流幅值的比值坚持稳定,脉冲充电时,充电电流波形如图1-4所示。

  充电进程中,镍镉电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍,氢氧化镉还原为镉。正在这个进程中形成的气泡,鸠集正在极板双方,如许就会减幼极板的有用面积,使极板的内阻增大。因为极板的有用面积变幼,充入完全电量所需的岁月加添。

  列入放电脉冲后,气泡分开极板并与负极板上的氧复合。这个去极化进程减幼了电池的内部压力、温度和内阻。同时,充入电池的大个别电荷都转换为化学能,而不会蜕化为气体和热量。

  充放电脉冲宽度的选拔应能保障极板复原本来的晶体组织,从而湮灭印象效应。采用放电去极化手段后,能够普及充电作用而且应许大电流神速充电。

  采用某些神速充电止法时,神速充电终止后,电池并未满盈电。为了保障充入100%的电量,还应列入补足充电进程。补足充电速度平常不突出0.3C。正在补足充电进程中,温度会持续上升,当温度突出轨则的极限时,充电器转入涓流充电形态。

  存放时,镍镉电池的电量将按C/30到C/50的放电速度减幼,为了赔偿电池因自放电而亏损的电量,补足充电终了后,充电器应自愿转入涓流电进程。涓流充电也称为维持充电。遵循电池的自放电性情,涓流充电速度平常都很低。只须电池接正在充电器上而且充电器接通电源,正在维持充电形态下,充电器将以某一充电速度给电池增加电荷,如许可使电池总处于满盈电形态。

  采用神速充电法时,充电电流为老例充电电流的几十倍。满盈电后,假使不实时松手神速充电,电池的温度和内部压力将缓慢上升。内部压力过大时,密封电池将打绽放气孔,从而使电解液逸散,酿成电解液的稠密性增大,电池的内阻增大,容量低落。

  从镍镉电池神速充电性情能够看出,满盈电后,电池电压动手低落,电池的温度和内部压力缓慢上升,为了保障电池满盈电又不表充电,能够采用依时掌握、电压掌握和温度掌握待多种门径。

  采用1.25C充电速度时,电池1h可满盈;采用2.5C充电速度时,30min可满盈。因而,遵循电池的容量和充电电流,很容易确定所需的充电岁月。这种掌握门径最大略,不过因为电池的肇端充电形态纷歧律类似,有的电池充亏空,有的电池过充电,因而,只要充电速度幼于0.3C时,才应许采用这种门径。

  最高电压(Vmax) 从充电性情弧线能够看出,电池电压抵达最大值时,电池即满盈电。充电进程中,当电池电压抵达轨则值后,应立地松手神速充电。这种掌握门径的欠缺是:电池满盈电的最高电压随情况温度、充电速度而变,并且电池组中各单体电池的最高充电压也有分歧,因而采用这种门径不或许特殊无误地剖断电池已足充电。

  电压负增量(-ΔV) 因为电池电压的负增量与电池组的绝对电压无合,并且不受情况温度和充电速度等身分影响,因而能够斗劲无误地剖断电池已满盈电。这种掌握门径的欠缺是:电池电压显示负增量后,电池一经由充电,因而电池的温度较高。其余镍氢电池满盈电后,电池电压要经由较长岁月,才显示负增量,过充电较紧要。因而,这种掌握门径要紧实用于镍镉电池。

  电压零增量(0ΔV) 镍氢电池充电器中,为了避免恭候显示电压负增量的岁月过久而损坏电池,平常采用0ΔV掌握法。这种门径的欠缺是:满盈电以前,电池电压正在某一段岁月内或许蜕化很幼,从而酿成过早地松手神速充电。为此,目前大大批镍氢电池神速充电器都采用高精巧-0ΔV检测,当电池电压略有消浸时,立地松手神速充电。

  为了避免损坏电池,电池温渡过低时不行动手神速充电,电池温度上升到轨则数值后,必需立地松手神速充电。常用的温度掌握门径有:

  最高温度(Tmax) 充电进程中,平常当电池温度抵达45℃时,应立地松手神速充电。电池的温度可通过与电池装正在一块的热敏电阻来检测。这种门径的欠缺是热敏电阻的响当令间较长,温度检测有必定滞后,同时,电池的最高管事温度与情况温度相合。当情况温渡过低时,满盈电后,电池的温度也达不到45℃。

  温升(ΔT) 为了湮灭情况影响,可采用温升掌握法。当电池的温升抵达轨则值后,立地松手神速充电。为了达成温升掌握,必需用两只热敏电阻,差别检测电池温度和情况温度。

  温度蜕化率(ΔT/Δt) 镍氢和镍镉电池满盈电后,电池温度缓慢上升,并且上升速度ΔT/Δt根基类似,当电池温度每分钟上升1℃时,应该立地终止神速充电,这种充电掌握门径,近年来被集体采用。应该注脚,因为热敏电阻的阻值与温度相干口角线性的,因而,为了普及检测精度应想法减幼热敏电阻非线性的影响。

  最低温度(Tmin) 当电池温度低于10℃时,采用大电流神速充电,会影响电池的寿命。正在这种情形下,充电器应自愿转入涓流充电,待电池的温度上升到10℃后,再转入神速充电。

  上述各类掌握门径各有优欠缺。为了保障正在职何情形下,均能无误牢靠地掌握电池的充电形态,目前神速充电器中平常采用囊括依时掌握、电压掌握和温度掌握的归纳掌握法。