常见蓄电池的原理及其应用

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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。