鎳鎘蓄電池容量與工作原理

時間：2018-11-09作者：北京嘉銘恒達科技有限公司瀏覽：387

鎳鎘蓄電池的正材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為**或氫氧化鉀溶液。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，使用密度為1.17～1.19（15℃時）的**溶液。當(dāng)環(huán)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1.25~1.27（15℃時）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能和荷電保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為1.40（15℃時）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加15~20g）。 ; X& p4 l* o  m0 ?) m  [


鎳鎘蓄電池充電后，正板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嚒睳iOOH〕，負板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電池放電后，正板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘?，負板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。 


放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)


（1）負反應(yīng) 
負上的鎘失去兩個電子后變成二價鎘離子Cd2+，然后立即與溶液中的兩個氫氧根離子OH-結(jié)合生成氫氧化鎘Cd(OH)2，沉積到負板上。
: B: t/ X! u1 _2 e


（2）正反應(yīng) 


正板上的活性物質(zhì)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轉(zhuǎn)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板，與晶格上的兩個氧負離子結(jié)合，生成兩個氫氧根離子，然后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。 , k) Q4 e* o; y5 S
, ~" f! X" z# `  L4 w


2.充電過程中的化學(xué)反應(yīng) 


充電時，將蓄電池的正、負分別與充電機的正和負相連，電池內(nèi)部發(fā)生與放電時完全相反的電化學(xué)反應(yīng)，即負發(fā)生還原反應(yīng)，正發(fā)生氧化反應(yīng)。


（1）負反應(yīng) 
1 O3 m  v3 x  l+ w* U: G2 N


充電時負板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在板上，而氫氧根離子進入溶液參與正反應(yīng)。


(2) 正反應(yīng) ; d& z# N/ b3 A7 b


在外電源的作用下，正板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個二價鎳離子各失去一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一個氫離子，將氧負離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。然后，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(jié)合，生成兩個氫氧化鎳晶體。3 I6 I'' V2 M6 R4 Q


蓄電池充電終了時，充電電流將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負板上將分別有大量氧氣和氫氣析出。從上述電反應(yīng)可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用。從電池反應(yīng)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。
K* a


3. 端電壓 1 B3 R" S1 r4 b2 ?% I( |0 f; S
1 j# t# K6 q, E


充足電后，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： " |5 C% f3 Q7 j6 c3 c/ c- i


U充=E充+I充R內(nèi)4 t  f( s8 O3 t* ^% T


U放=E放-I放R內(nèi) 
& W& f( ~


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。 & l2 B5 x, D+ M- T9 Z1 O
當(dāng)鎳鎘蓄電池以標(biāo)準放電電流放電時，平均工作電壓為1.2V。采用8h率放電時，蓄電池的端電壓下降到1.1V后，電池即放完電。 + V; O, r+ j% {5 P: `2 w$ `
& z( G, x'' j& `, c


4. 容量和影響容量的主要因素 - b( d3 |# }: b. d


蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時，電池放出的總?cè)萘糠Q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) 5 |: G7 U$ X( X! l) ^


鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)： * Y/ F. i; [" ~'' n


① 活性物質(zhì)的數(shù)量； 
U
② 放電率； 8 C; ^* [3 Q0 H5 C4 c
1 ~* ?( Z2 G2 Z; j8 j/ x'' ^% c
③ 電解液。 6 g$ Q1 O9 h8 [
  w+ b/ m7 h! \1 n0 y  H# k" {


放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。 . i- m6 g; a4 H7 R


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(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實驗證明：每升電解液中加入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，還會使殘留在正板上的鋰離子（Li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對正的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。 , Y3 k/ ~- K# D! S1 L8 P


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升高，板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時*結(jié)晶，堵塞板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負板作用，生成碳酸鎘附著在負板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降。 


5. 內(nèi)阻


鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導(dǎo)電率、板結(jié)構(gòu)及其面積有關(guān)，而電解液的導(dǎo)電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫氧化鉀和**溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18℃時氫氧化鉀溶液和**溶液的電阻系數(shù)較小。5 I. r( a% \- b$ ^9 E/ l


6. 效率與壽命 + P, w# @0 r  o8 P


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%，循環(huán)壽命約為2000次。


容量效率ηAh和電能效率ηWh計算公式如下：


I放?t放9 q$ D( X6 B


 GηAh= ---------- X 100％0 |- w0 W


 q'' k" J% XI充?t充
 _0 k9 @, w9 ^4 s$ G


U放?I放?t放- I9 U+ D" p/ v7 ~+ w: q


ηAh= --------------- X **$ ]7 N. R* A/ E7 `7 O


U充?I充?t（U充和U放應(yīng)取平均電壓）9 C% x* B: C+ z
+ H9 K( G# l8 P! @* }! P6 e" s; D& V


7. 記憶效應(yīng) 


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%的電量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)。 


電池全部放完電后，板上的結(jié)晶體很小。電池部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完全變?yōu)闅溲趸?，剩余的氫氧化亞鎳將結(jié)合在一起，形成較大的結(jié)晶體。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。

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