汽车混合动力系统中的镍-氢电池影响与性能

镍-氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成,负极活性物质主要由储氢合金制成,也是一种碱性蓄电池。

镍-氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染等特点,被誉为绿色电源。镍-氢电池的标称电压为1.2V,比能量可达7080W·h/kg,有利于延长混合动力汽车的续驶里程,比功率可达200W/kg,是铅酸蓄电池的2倍,能够提高混合动力汽车的起动性能和加速性能。镍-氢电池有高倍率的放电特性,短时间能以3C（C为按额定电流放电时的实际放电容量）放电,瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电和过放电性能好,能够带电充电,并可快速充电,在15min内可充60％的容量,1h内可完全充满,应急补充充电的时间短。在80％的放电深度下,循环寿命可达1000次以上。采用全封闭外壳,可以在真空环境中正常工作。低温性能较好,能够长时间存放。镍-氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素,不会对环境造成污染。镍-氢电池可以随充随放,不会出现没有放完电后即充电的记忆效应。

1.镍-氢电池的构造

镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍Ni（OH）2,负极为储氢合金,电解质为氢氧化钾,在正负极之间有隔膜。在金属铂的催化作用下,完成充电和放电的可逆反应。镍-氢电池的特性与镍-镉电池基本相同。

镍-氢电池的极板有发泡体和烧结体两种,发泡体极板的镍-氢电池放电电压不能低于0.9V。工作电压也不太稳定,特别是存放一段时间后,老化现象比较严重,会有近20％的电荷流失。镍-氢电池在出厂前必须进行预充电,以避免发泡体极板老化所造成的内阻增高。经过改进的镍-氢电池的烧结体极板本身就是活性物质,不需要进行活性处理,也不需要进行预充电,电压平衡、稳定,具有低温放电性能好、无污染、安全可靠不易老化和寿命长等优点。

镍-氢电池的基本单元是单体电池,每个单体电池都由正极板、负极板和装在正负极板间的隔板组成。每节电池的额定电压为13.2V（充电时最大电压为16V）。将单体电池按使用要求组合成不同电压和不同容量的镍-氢电池总成。这种镍-氢电池的比能量可达70W·h/kg,能量密度可达165W·h/L,比功率在50％的放电深度下为220W/kg,在80％的放电深度下为200W/kg,可大幅提高混合动力汽车的动力性能。通常,镍-氢电池的外形有方形和圆形两种。

2.镍-氢电池的工作原理

镍-氢电池的正极,是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属,以及塑料和黏合剂等制成的涂膏,用自动涂膏机涂在正极板上,经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni（OH）2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素,可明显提高电极的性能稳定性。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极,并采用镍粉、石墨等作为导电剂,可以提高大电流时的放电性能。

镍-氢电池负极的关键技术是储氢合金,要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气循环。理想的金属储氢材料应具备以下条件：①在不太高的温度下,储氢量大,释放氢量也大。②原料来源广,价格便宜,容易制备。③经多次吸、放氢,其性能不会衰减。④有较平坦和较宽的平衡压力平台区,即大部分氢均可在一持续压力范围内放出。⑤易活化,反应动力学性能好。储氧合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金晶格基块,用钛-钒_-锆-镍-铬（Ti-V-Co-Ni-Cr）5种基本元素,与钴、锰等金属元素烧结的合金,经过加氢、粉碎、成型和烧结制成负极板。储氢合金的种类和性能,对镍-氢电池的性能有直接影响。负极在充电或放电过程中既不溶解,也不再结晶,电极不会有结构性变化。在保持自身化学功能的同时,还能保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理,以增加其防腐性能,这有利于提高镍-氢电池的比能量、比功率和使用寿命。

电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在蓄电池充电过程中,水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧根离子,氢离子被负极吸收,负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中,氢离子离开了负极,氢氧根离子离开了正极,氢离子和氢氧根离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍-氢电池的化学反应式如下,其中M为储氢合金,MH为吸附了氢原子的储氢合金：(www.xing528.com)

图1-23所示为镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型。

图1-23 镍一氢电池在碱性电解液中进行反应的模型

3.镍-氢电池的充、放电特性

①放电特性。D型镍-氢电池（六个单体电池组件）放电时,3C的功率输出时,质量比功率可达500W/kg以上：2C的功率输出时,质量比功率可达600W/kg以上。深度范围内,质量比功率的变化比较平稳,对混合动力汽车动力性能的控制十分有利,寿命可达10万km以上。

②充电特性。D型镍-氢电池的充电接受性很好,充电效率接近100％,能够有效地接收混合动力汽车在制动时反馈的电能。另外,由于能量损耗较小,镍-氢电池的发热量被抑制在最小范围内,可以有效地控制剩余电量,并用电流来显示剩余电量。

③寿命。混合动力汽车动力电池组经常处于充电、放电状态,而且充电、放电不规则地进行,这对蓄电池的寿命是一个严酷的考验。松下电池公司用模拟混合动力汽车行驶工况对镍-氢电池进行仿真试验,证实镍-氢电池的特性几乎不发生变化,镍-氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。