常见蓄电池的原理及其应用
发布时间：
2017-11-03
常见蓄电池的原理及其应用现在，常见的蓄电池有镍氢NiMH、镍镉NiCd和锂离子LIB蓄电池。由于各自的电化学反应机理不尽相同，因此也各有其特点和不同的应用领域。本文根据它们的电化学反应机理，介绍各自的特点和相应的应用领域。电化学反应机理NiMH蓄电池和古老的NiCd蓄电池有亲缘关系，为此首先介绍NiCd蓄电池，其次是NiMH蓄电池，最后说明LIB。1.NiCd蓄电池早在1899年，NiCd蓄电池就
常见蓄电池的原理及其应用
现在，常见的蓄电池有镍氢NiMH、镍镉NiCd和锂离子LIB蓄电池。由于各自的电化学反应机理不尽相同，因此也各有其特点和不同的应用领域。本文根据它们的电化学反应机理，介绍各自的特点和相应的应用领域。
电化学反应机理
NiMH蓄电池和古老的NiCd蓄电池有亲缘关系，为此首先介绍NiCd蓄电池，其次是NiMH蓄电池，最后说明LIB。
1. NiCd蓄电池
早在1899年，NiCd蓄电池就已发明，于1947年实现完全密化的NiCd蓄电池，一直应用至今。长时间的应用表明，NiCd蓄电池不失为一种高性能和高可靠性的蓄电池。
如今的NiCd蓄电池，在发泡镍或镍纤维状基体上附着大量NiOOH活性物质作为正极，以重金属镉Cd作为负极，一同置进电解液（KOH溶液）中，经密封后构成蓄电池。该蓄电池容器内，进行的电化学反应如下：
这个电化学反应的特征在于，明明看到作为电解液成分的KOH，但它并不直接参与电化学反应。由于制造蓄电池时使负极的容量大于正极的容量，当过充电时只能看到由正极产生的氧（O2）；由于负极残留未被充电部分，不产生氢（H2）；由于产生的氧（O2）被负极吸收，所以可以实现密封。
从NiCd蓄电池的电化学反应机理得知，它是依靠OH-离子快速移动，反应比铝酸蓄电池平稳。因此，它的重要特征是放电容量尽管在大电放逐电时也不出现低下现象（可维持1.2 V端电压）。结晶结构基本上不因充放电而变化，使用寿命较长。
2. NiMH蓄电池
美国和荷兰都对能吸躲氢的合金MH（Hydrogen Storing alloy metal）开展研究，并试图用于开发蓄电池。世界上出现NiMH蓄电池商品是在20世纪九十年代初，发展却十分迅速。实践证实，通过适当组合La、Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸躲氢的合金MH，它所能开释/吸躲的氢H2量相当大，例如，1cc的液体氢能变成784cc的氢气，而1cc体积的吸躲氢的合金MH却能开释出1000cc的氢气。
在NiCd蓄电池里，只要利用吸躲氢的合金MH取代有毒的重金属Cd（镉），便形成对环境无污染的绿色蓄电池NiMH，其电化学反应如下：
由于设计时可像NiCd蓄电池一样也把负极MH的容量制成足够大，当过充电时由正极放出的氧气可被MH中的氢气还原，使蓄电池可实现密封。NiMH蓄电池和NiCd蓄电池一样，大电放逐电时可维持平稳的1.2V端电压。值得称道的是NiMH蓄电池的废弃物不污染环境，而NiCd蓄电池废弃物（若不回收）必将造成环境污染。
NiMH蓄电池的负极材料结构和电化学反应机理不同于NiCd蓄电池，它的能量密度和使用寿命都比NiCd蓄电池优越，从而也能开拓出更广阔的应用市场。正是由于这种缘故，世界各产业发达国家都高度重视NiMH蓄电池的研究与开发。据报道，我国有色金属研究院的科研职员对MH合金已开展很深进的研究，并且获得可喜的新进展。
3. LIB蓄电池
以金属锂Li作为负极的一次性电池，口碑很好。因此，各产业发达国家都试图利用Li制造蓄电池，1979年，加拿大MoLi-Energy公司的锂金属蓄电池在手机里起火的事故，曾迫使锂金属蓄电池一度退出市场。但是，由于锂Li金属作为负极的蓄电池具备理想的性能，各国仍在潜心研究与开发。
现在，市场流行的锂离子蓄电池（LIB）是以牺牲电池性能获取安全性和使用寿命的折衷方案，其电化学反应如下：
LIB是由涂有LiCoO2活性物质的铝集电体作为正极、碳（石墨或活性碳）和溶解有LiPF6的有机溶液构成的。当充电时，LiCoO2中分层结构里Li离子游向负极被分层结构的碳所吸附；当放电时，碳分层结构里吸附的锂离子又回游到正极，于是正极复原成LiCoO2分层结构，负极也复原成碳分层结构。也就是说，该蓄电池在周而复始的充放电过程中，出现的只是锂离子而不是活泼的锂金属。因此，LIB具备较好的安全性和可使用的寿命。
LIB的主要特点是具有较高的重量能量密度，平稳的放电电压为3.6 V，可在-20℃～60℃的温度范围内工作，无存储效应，自放电率低（因而不能大电放逐电）。为了安全地使用LIB，要求具备严防过充电和过放电的保护设施。
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