作者：鎳鎘/鎳氫電池的發展
2023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，效能明顯改善。其中最重要的改進是在2023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乙個重要的里程碑是2023年密封型鎳鎘電池研製成功。在這種電池中，化學反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、迴圈壽命長、能量密度大、體積小、重量輕、結構緊湊，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2023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，容量可提高一倍，而且沒有重金屬鎘帶來的汙染問題。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效能。
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。2023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平。
蓄電池引數
蓄電池的五個主要引數為：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。與電池容量相關的乙個引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公升，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。
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。為兼顧低溫效能和荷電保持能力，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迴圈壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每公升電解液加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反應
（1）負極反應
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，沉積到負極板上。
（2）正極反應
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。
將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池放電時的總反應：
2.充電過程中的化學反應
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反應，即負極發生還原反應，正極發生氧化反應。
（1）負極反應
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反應：
(2) 正極反應
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乙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乙個氫離子，將氧負離子留在晶格上，發布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：
將以上兩式相加，即得鎳鎘蓄電池充電時的電化學反應：
蓄電池充電終了時，充電電流將使電池內發生分解水的反應，在正、負極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出，其電化學反應如下：
從上述電極反應可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀並不直接參與反應，只起導電作用。從電池反應來看，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因素
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)
鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關：
① 活性物質的數量；
② 放電率；
③ 電解液。
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，為了提高電池容量，常在電解液中新增少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實驗證明：
每公升電解液中加入15~20g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提高4%~5%，在40℃時，容量可提高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公升高，極板活性物質的化學反應也逐步改善。
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、極板結構及其面積有關，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係數隨密度而變。
18℃時氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻係數最小。通常鎳鎘蓄電池的內阻可用下式計算：
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%，迴圈壽命約為2000次。容量效率ηah和電能效率ηwh計算公式如下：
（u充和u放應取平均電壓）
7. 記憶效應
鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量後就開始充電，充足電後，該電池也只能放出80%的電量，這種現象稱為記憶效應。
電池全部放完電後，極板上的結晶體很小。電池部分放電後，氫氧化亞鎳沒有完全變為氫氧化鎳，剩餘的氫氧化亞鎳將結合在一起，形成較大的結晶體。結晶體變大是鎳鎘電池產生記憶效應的主要原因。
鎳氫電池的工作原理
鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電迴圈壽命也較長，並且無記憶效應。鎳氫電池正極的活性物質為niooh（放電時）和ni(oh)2(充電時)，負極板的活性物質為h2（放電時）和h2o（充電時），電解液採用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時的電化學反應如下：
從方程式看出：充電時，負極析出氫氣，貯存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（niooh）和h2o；放電時氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。
過量充電時的電化學反應：
從方程式看出，蓄電池過量充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。由於有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內部再化合生成水，使容器內的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內部氧氣的濃度，不超過千分之幾。
從以上各反應式可以看出，鎳氫電池的反應與鎳鎘電池相似，只是負極充放電過程中生成物不同，從後兩個反應式可以看出，鎳氫電池也可以做成密封型結構。鎳氫電池的電解液多採用koh水溶液，並加入少量的lioh。隔膜採用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。
為了防止充電過程後期電池內壓過高，電池中裝有防爆裝置。
鎳鎘電池充電器
本例介紹的鎳鎘電池充電器，採用脈動恆流充電方式和脈衝放電方式，一次可充兩隻500mah的鎳鎘電池 併聯 能在充電前先對電池放電 以消除其記憶效應 放完電後自動轉換為充電狀態，充滿電後能自動停充，不會出現過充電或反充電現象。電路工作原理 該鎳鎘電池充電器電路由脈衝發生器 充電電路 放電電路 電池電壓檢...
鎳鎘電池專案建設申請
一 專案背景 1 十三五 期間，發展壯大優勢產業，培育發展戰略性新興產業，推進產業集 展和轉型公升級。力爭到2020年，打造2個千億主導產業，發展4個500億和4個百億產業集群 不含已有產業 三大主導產業中，力爭食品加工業和裝備製造業規模工業總產值均達到1000億元，年均分別增長17.1 和20.7...
鎳氫 鎳鎘電池培訓教材
ni mh ni cd battery training textbook 編制 edit 審核 verify 批准 approve 日期 date 版本 edition 第一部份電池原理及結構 一 鎳氫 鎳鎘電池原理 1.鎳鎘電池工作原理 2ni oh 2 cd oh 2 2 niooh cd 2...