方型600mAh氫鎳電池的制備及性能測試

方型600mAh鎳氫電池的制備及性能測試1.引言鎳氫電池是在20世紀(jì)90年代初實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并迅速發(fā)展起來的一種高能二次電池，具有循環(huán)壽命長、比能量高、比容量高、無記憶效應(yīng)與鎳鎘電池互換且無鎘污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用于筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)及電動(dòng)自行車等領(lǐng)域。鎳氫電池的正極活性物質(zhì)為具有P型半導(dǎo)體性質(zhì)的Ni（OH）2，負(fù)極為貯氫合金，兩極中間用隔膜隔開，電解液采用30%的KOH。反應(yīng)原理為：充放電時(shí)：（“亠”表示充電；“=”表示放電）正極反應(yīng)：Ni（OH）2+OH--NiOOH+H2O+e-負(fù)極反應(yīng)：M+xH2O+xe-'MHx+xOH-總反應(yīng)：M+xNi（OH）2-MHx+NiOOH在充電過程中，不可避免發(fā)生過充電，正極和負(fù)極上會(huì)電解水產(chǎn)生氧氣和氫氣等副產(chǎn)物，為保證電池的高循環(huán)壽命，需采用正極限制電池容量和電解液加入量的方法，改善正負(fù)極板工藝和組裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化電池設(shè)計(jì)。其中，控制電解液的加入量使電解池處于貧液狀態(tài)，將正極析出的氧氣遷移到負(fù)極表面被消耗掉，實(shí)現(xiàn)氧在電池內(nèi)部的循環(huán)和負(fù)極不析出氫氣。通過控制負(fù)極的容量為正極的1.5倍，當(dāng)電池在充電末期和過充電時(shí)，正極析出的氧氣可通過隔膜擴(kuò)散到負(fù)極表面與氫復(fù)合還原為h2o,負(fù)極因有較多剩余容量不易析出氫氣，從而保證電池具有合適的充電內(nèi)壓和電解液損耗率，最終保證電池的高循環(huán)壽命。此外，正負(fù)極的活性物質(zhì)，輔助添加劑和粘合劑，組裝電池時(shí)所用的電解液、隔膜和密封材料等均會(huì)影響電池性能。2.實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)儀器與材料儀器：計(jì)算機(jī)控制充放電儀器、壓片機(jī)、烘箱、點(diǎn)焊機(jī)、電烙鐵、鋸子材料：氫氧化鎳（正極活性物質(zhì)，容量按200mAh/g計(jì)算），貯氫合金粉（負(fù)極活性物質(zhì),容量按220mAh/g計(jì)算），隔膜（PE隔膜）、PTFE（聚四氟乙烯）和CMC（羧甲基纖維素鈉）（作為粘結(jié)劑）、泡沫鎳、CoO粉和Ni粉（作為添加劑）、KOH固體、有機(jī)玻璃（電池殼材料）、去離子水、502膠水、南大703硅橡膠2.2.實(shí)驗(yàn)步驟正負(fù)極板的制備裁剪：裁剪正負(fù)極泡沫鎳，約25mm*35mm共5片，其中正極2片，負(fù)極3片，每片均用點(diǎn)焊機(jī)焊接鎳條（注意不能用烙鐵焊接，Sn和KOH會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）。焊接時(shí)應(yīng)在正負(fù)極泡沫鎳一邊焊接上極耳，極耳不能焊接在中間，否則正負(fù)極放一起后容易短路。正極板的制備：按83%Ni（OH）2固體（冗余20%）、7%PTFE,5%Ni粉和5%CoO粉的配比進(jìn)行計(jì)算后，稱取Ni（OH）2固體粉末3.8g，PTFE0.32g，CoO粉和Ni粉各0.23g混合均勻。由于混合物太粘稠，用粘結(jié)劑CMC乳液0.8g調(diào)成漿狀，然后均勻涂覆在2片泡沫鎳上。注意使泡沫鎳前后雙面完全填滿正極活性物質(zhì)。負(fù)極板的制備：按93%的貯氫合金粉（冗余20%）和7%的PTFE的配比進(jìn)行計(jì)算后，稱取5.1g貯氫合金粉和0.38gPTFE?；旌暇鶆蚝筇吵?，加入1.6gCMC粘結(jié)劑調(diào)制成漿狀，然后再涂覆到3片泡沫鎳上。注意使泡沫鎳前后雙面完全填滿負(fù)極活性物質(zhì)。烘干：把制備好的2片正極板和2片負(fù)極板做好編號(hào)后掛于大燒杯杯口上，于烘干箱中烘干。一周后，取出燒杯用隔膜將每一片極板包住并用壓片機(jī)進(jìn)行壓片。2.2.2電池盒的制備根據(jù)以上所制備出來的5片極板的大小，確定電池盒的規(guī)格約為：30mm*16mm*40mm，在有機(jī)玻璃板上分別量取六面外殼的大小，用鋸子在有機(jī)玻璃板上鋸出這六面外殼，用三角銼將每片外殼周邊打磨光滑平整。將五個(gè)面先用502膠水固定住后，再用703硅橡膠粘結(jié)起來加以固定。自然放置一周后，檢查電池盒是否漏水，不漏則完成電池盒的制備。余下的一片外殼（電池盒的頂蓋）用燒紅的電烙鐵鉆孔3個(gè)。（備注：為了更好地制備電池盒，底面和蓋面要比計(jì)劃稍微大一點(diǎn)。）

2.2.3100g-30%KOH電解液的制備稱取36.6g82%的KOH固體和63.4g的去離子水，將63.4g的去離水溶解36.6g的82%K0H固體，配制成100g-30%的KOH電解液。電池的組裝將5片極板按照負(fù)極-正極-負(fù)極-正極-負(fù)極的順序（極板之間用隔膜隔開，隔開正負(fù)極，避免短路，儲(chǔ)存電解液，提供氣體通道）整理排好后放入制備好的電池盒中，分別將正負(fù)極上的極耳疊在一起后穿過電池盒頂蓋上的左右兩個(gè)孔，蓋上電池盒頂蓋，用有機(jī)玻璃溶于四氯化碳溶液將電池盒頂蓋和電池盒盒身固定，從電池盒頂蓋中間的孔中加入配制好的30%KOH電解液，然后用有機(jī)玻璃溶于四氯化碳溶液封口。電池性能測試觀察電池外觀，看電池的尺寸外型是否符合要求，電池是否漏夜。然后，在92.2mA的電流下對(duì)所制備的電池進(jìn)行多次充放電。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理正負(fù)極板與電池外觀如圖1是制作完后的正極。圖2是制作完后的負(fù)極。圖3是電池組裝后的電池外觀。圖1正極圖2圖1正極圖2電池理論正負(fù)極容量與比值極板M活性物質(zhì)/g理論電池容量/mAh正負(fù)極容量比正極3.04g6081:1.476負(fù)極4.08g897.6表一電池正負(fù)極板理論電池容量比電池循環(huán)充放電關(guān)系曲線圖電蟲0.8-1.0-0 電蟲0.8-1.0-0 20M 4M0 eooo 8000 10000時(shí)間fmin圖4電池循環(huán)充放電關(guān)系曲線圖電池放電容量隨充放電循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線圖sa-圖5電池放電容量隨充放電循環(huán)次數(shù)決蔡曲線圖a 圖5電池放電容量隨充放電循環(huán)次數(shù)決蔡曲線圖a 5 ia循環(huán)次數(shù)電池單次充放電關(guān)系曲線圖—■—電壓時(shí)間ftnin圖6電池前單次充放電關(guān)系曲線圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析由圖4可知，電池在多次循環(huán)充放電過程中，充放電電壓的規(guī)律性不是太好，前2次和后5次充電電壓較高，只有1000—7000min之間的充電電壓可以保持一定的水平。說明電池可逆性不是很好，性能不是很穩(wěn)定。由圖5可看出，在21次循環(huán)充放電過程中，電池電壓呈先上升后下降的趨勢，從第1次到第6次，放電電流增到47.5mAh，隨后電流開始下降，最后降到0.5mAh說明該電池在多次循環(huán)過程中放電電流不穩(wěn)定，容量逐漸變小。而充電電流為650mAh,理論電池的容量為600mAh。實(shí)際與理論相差巨大。由圖6知，電池在放電起始階段，電池電壓急速下降至最低值。在充電起始階段，電池電壓急速增大到最大值，之后基本保持不變。結(jié)合圖4可以看出電池在放電之后，電壓基本穩(wěn)定在1V左右?？傮w上，本實(shí)驗(yàn)中，該電池充放電電壓穩(wěn)定性好，但是放電的電流較差，其實(shí)際使用價(jià)值不高，原因可能是：1、在泡沫鎳上涂活性物質(zhì)時(shí)，可能涂得不夠充實(shí)、均勻，涂的量太少，有大量活性物質(zhì)浪費(fèi)。2、電池盒規(guī)格可能不是很合理，使極板間貼得不夠緊密，使測出來的容量較小。3、在實(shí)驗(yàn)過程中電解液KOH溶液長時(shí)間暴露在空氣中，造成電解液純度不高。4、已經(jīng)裝好電極板的電池盒中仍然有較大的空隙，將兩片有機(jī)玻璃放入電池盒中以固定好電極板，這塊有機(jī)玻璃可能會(huì)增加電池的內(nèi)阻。5、實(shí)驗(yàn)過程中儀器沒有洗滌干凈，可能會(huì)污染材料，導(dǎo)致泡沫鎳上的活性材料的量少且對(duì)材料的性質(zhì)有影響。6、實(shí)驗(yàn)中用隔膜包裹極板進(jìn)行壓片，可能導(dǎo)致隔膜裂損，不能真正隔開正負(fù)極。7、組裝電池時(shí)可能由于電極接觸不良使得容量過低。8、為了把極板合理裝進(jìn)電池外殼，減去一部份極板，使測出來的容量減少。4結(jié)論雖說，這次制備的電池的性能不好，但是學(xué)習(xí)到有關(guān)電池的基本概念和知識(shí)：正負(fù)極、隔膜、黏合劑、電解液、工作原理等，使得自己對(duì)日常生活中常見的電池有更加深入和清晰的認(rèn)識(shí)；并且親身實(shí)踐電池的制作工作，如點(diǎn)焊鎳網(wǎng)、調(diào)試黏合劑、切割和制作電池外殼、攆壓極板等，從而增強(qiáng)個(gè)人的動(dòng)手能力，也對(duì)電池制作的過程有了經(jīng)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)沒有測量泡沫鎳的質(zhì)量和涂上活性物質(zhì)并烘干后泡沫鎳的質(zhì)量，用來計(jì)算正負(fù)極的放電比容量，只是去除冗余量后計(jì)算，誤差的。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)查閱足夠的資料，做好準(zhǔn)備。參考文獻(xiàn)：何廣平，南俊民，孫艷輝.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).化學(xué)工業(yè)出版社，2008,170-174傅獻(xiàn)彩，沈文霞