镍氢电池：性能良好但航天应用存风险，你了解多少？

镍氢电池：性能良好但航天应用存风险，你了解多少？

镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极)，负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金(该电极称储氢电极)，电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。镍氢电池是氢能应用的重要方向，越来越受到人们的重视。

在人类大规模开发利用的情况下，化石燃料越来越少，近年来氢能的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能应用的重要方向，日益受到人们的关注。虽然镍氢电池确实是性能良好的一类电池，但是航天用镍氢电池属于高压镍氢电池（氢气压力可达3.92MPa，即40kg/cm2）。这样的高压氢气存放在薄壁容器中容易发生爆炸，而且镍氢电池还需要贵重金属作为催化剂，成本十分昂贵，难以民用。因此，国外从20世纪70年代开始探索民用低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。 高压镍氢电池最早由美国的M.Klein和JF于20世纪70年代初研制成功，用镍氢电池取代镉镍电池并应用于各类卫星的趋势已经形成。

镍氢电池正极活性物质为Ni(OH)2(称NiO电极)，负极活性物质为金属氢化物又称储氢合金(该电极称储氢电极)，电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。活性物质形成极板的主要工艺有烧结、拉浆、泡沫镍、纤维镍和嵌渗等。不同工艺制备的电极，其容量、大电流放电性能差别很大，电池一般根据不同的使用条件，采用不同的工艺生产。通讯等民用电池大多采用拉浆负极、泡沫镍正极组成电池。其充放电化学反应如下[1]：

正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-

负极：M+H2O+e-=MHab+OH-

总反应：Ni(OH)2+M=NiOOH+MH

注：M：氢合金；Hab：吸附氢；反应方程中从左至右的过程为充电过程；反应方程中从右至左的过程为放电过程。

充电时正极Ni(OH)2与OH-发生反应生成NiOOH和H2O，同时放出e-生成MH和OH-。总的反应是Ni(OH)2与M生成NiOOH，储氢合金储存氢气。放电时则相反，MHab放出H+，H+和OH-生成H2O和e-，NiOOH、H2O和e-又重新生成Ni(OH)2和OH-。电池的标准电动势为1.319V。

镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。

低压镍氢电池具有以下特点：（1）电池电压为1.2~1.3V，与镍镉电池相当；（2）能量密度高，是镍镉电池的1.5倍以上；（3）可快速充放电，低温性能好；（4）可密封，抗过充、过放电性能强；（5）没有枝晶生成，可防止电池内发生短路；（6）安全可靠，对环境无污染，无记忆效应。[1]

高压镍氢电池具有以下特点：（1）可靠性高。具有良好的过放电和过充电保护，能承受高充放电率，无枝晶形成。比容量特性好，质量比容量为60A·h/kg，是镉镍电池的5倍。（2）循环寿命长，可达数千次。（3）全密封，维护量少。（4）低温性能优良，在-10℃时，容量无明显变化。

镍氢电池在使用时应小心保养。

（1）使用过程中避免过充电。在循环寿命期间，使用过程中应避免过充电，因为过充电易引起正负极膨胀，造成活性物质脱落及隔膜损伤，导电网络被破坏，电池欧姆极化增大。

（2）防止电解液劣化。在镍氢电池循环寿命过程中，应抑制氢气的析出。

（3）镍氢电池的贮存。镍氢电池应充满电，如果长时间不储存电能而贮存，负极储氢合金的作用会减弱，缩短电池寿命。

（4）电池电量耗尽后要充电。镍氢电池与镍镉电池一样，具有“记忆效应”，即如果在放电时电池中尚有电量的情况下反复充电和使用，电池很快就会变得无法使用。

镍氢电池已经是成熟的产品，目前国际市场镍氢电池年产量约7亿只，日本镍氢电池产业规模和产量一直居世界前列，美国、德国仅次于日本，在镍氢电池领域也已开发研究多年。我国制造镍氢电池原料的稀土金属资源十分丰富，已探明储量占世界总探明储量的80%以上。目前，我国开发的镍氢电池原料加工技术也日趋成熟。镍氢电池可与锌锰电池、镍镉电池互换使用，未来圆形电池主要向产品规格多样化、商品化发展，而方形电池的发展重点则是作为动力汽车的电源。镍氢电池（Ni-）是早期镍镉电池的替代产品，是目前最环保的电池。 它们不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境造成的污染问题。镍氢电池具有较大的能量密度比，这意味着使用镍氢电池可以有效延长设备的工作时间，而不会给数码设备增加额外的重量。镍氢电池的另一个优点是，镍镉电池中存在的“记忆效应”大大降低，这使镍氢电池的使用更加方便。

镍氢电池是目前混合动力汽车领域应用最为成熟的二次电池。但客观上，镍氢电池也存在一些“掣肘”：提炼技术不够成熟、成本过高，另一大隐患是一旦大面积推广，未来将面临回收利用的问题。长期来看，镍氢电池将面临锂离子电池的强劲挑战，但短期来看，在即将到来的新能源时代，镍氢电池依然前景可期。

锂电池未来之星

整个锂离子电池行业自1991年商业化以来得到了迅速发展，其中聚合物锂离子电池在安全性、体积、质量、容量及放电性能等方面均优于液态锂离子电池，应用范围更为广泛。

在日前举办的第五届北京国际电动汽车与清洁能源汽车展览会上，记者发现，各大客车厂商参展的纯电动客车几乎全部采用了锂电池，一汽客车采用了锂动力电池，中大青山纯电动客车、山东宜兴采用了磷酸铁锂电池，包括磷酸铁基锂离子电池、磷酸亚铁锂电池等多种锂电池均得到充分展示。

清华大学汽车工程研究院常务副院长宋健表示，目前全球混合动力电池市场份额的99%为镍氢电池，我国镍氢电池技术发展也相对成熟。但镍价昂贵，镍氢电池生产成本远高于锂电池。新一代锂电池与镍氢电池相比，重量将减轻一半，储电容量将提高一倍以上，一次充电后的行驶里程将大幅提升。另外，镍氢电池的寿命将在未来3至5年内达到极限。从长远来看，锂电池将成为未来新能源汽车发展更可靠的动力来源。