提高镍氢电池高温性能的方法研究：从正极添加剂、隔膜到电解液

提高镍氢电池高温性能的方法研究：从正极添加剂、隔膜到电解液

摘要 本文总结了提高镍氢电池高温性能的各种有效方法。本文详细介绍了通过改进镍氢电池正极添加剂、隔膜和电解液来提高镍氢电池高温性能的各种方法。通过对电池正极添加剂、隔膜和电解液的改进。正极添加剂的研究涉及氧化钇、二氧化钛和钨酸钠的单一掺杂和正交组合掺杂。研究表明，正极添加剂是提高镍氢电池高温性能的主导因素。本文利用循环伏安曲线和充放电曲线来论证添加剂的工作原理；钨酸钠的效果最好，氧化钇其次，二氧化钛最差。隔膜对镍氢电池高温性能的影响其次。使用改进的隔膜也可以提高电池的高温性能。 在提供的三种隔膜中，氟化隔膜最好，硫化隔膜其次，普通隔膜最差。在提高镍氢电池高温性能时，电解液也是不可或缺的重要因素。通过对三元电解液的研究，找到了8.0 mol/L（Li0H+NaOH+KOH）的最佳电解液配方。综合改进以上三个因素后，最终得到了一种新型高温镍氢电池。该电池在45℃和70℃下分别能释放出常温容量的99.1%和93.1%，可循环使用250周以上，具有很大的市场应用前景。同时也为从事高温研究的人士提供了研究方向的参考。

关键词：镍氢电池；高温性能；放电；添加剂 摘要 影响镍氢电池性能的因素有很多，其中主要介绍了影响电池性能参数的制造方法，包括Y２０３、Ｔｉ０２和Ｎａ２Ｗ０４成分、隔膜、电解液等。人工授精技术的可能加入，为急性髓系白血病和急性髓系白血病的治疗提供了新的途径。结果表明，Ｎａ２Ｗ０４混合效果最好；Ｙ２０３次之；Ｔｉ０２最好。必要的分离可以提供电池性能，但故障率低于此可能有助于治疗严重病例。 氟化器在高温下的性能一般，接下来就是最后一步了，大家心里肯定不免紧张，研究证明ｘ8．0mol／L（LiOH＋NaOH＋KOOH）是高温下性能最好的电解液，总之，我们成功实现了一种具有良好应用前景的高温Ni－MH电池。 它在４５、７０℃环境下分别可达到９９．１％、９３．１％的环境容量，并具有超过２５０次的循环寿命（基于添加剂、隔膜电解液）。当然它影响了很多东西，这些都由我在本论文中所进行的工作所指导。关键词：镍氢电池；高温性能视角：解剖；附加原创性声明我声明所提交的论文是在我的导师指导下进行的研究工作和研究成果。除了文中特别标记和致谢的地方外，论文中不包含他人已发表或撰写的研究成果，也不包含用于获得信阳学院或其他教育机构的学位或证书的材料。

本人对本研究所作的任何贡献均已在论文中明确说明和致谢。学位论文作者签名：肖阳签名日期：2.2011年2月/日学位论文著作权使用授权本学位论文作者充分了解科技大学关于学位论文保留及使用的规定，现授权学校将学位论文内容全部或部分编入有关数据库以供检索，并以影印、缩小打印或扫描等复印方式保存、汇编以供参考、借阅。同意学校将学位论文复印件及磁盘送交国家有关部门或机构。（机密学位论文解密后受此授权约束）学位论文作者签名：程阳签名日期：及。 2011年2月/日前言自从1984年荷兰飞利浦公司成功开发.5、制备出金属氢化物镍电池以来，对镍氢电池的各项研究不断展开，并取得了很大的成就。镍氢电池以其充放电性能优良、无污染、容量高、能量密度高等特点，受到消费者的青睐。20世纪90年代至今，镍氢电池一直是二次电池市场的主流产品，不仅广泛应用于各类消费电子产品中，而且被很多消费者作为电动车电源的首选。随着各类电器的不断涌现，对电池使用条件的要求也越来越严格，由于电器本身的工作环境，往往要求电池能在较高的环境温度(45℃)下工作。

另外，由于镍氢电池的电化学特性，在充放电过程中会产生热量，充放电电流越大，产生的热量越多。如果电池安装到电器中或电池紧密组合使用时散热条件较差，电池（组）在使用过程中往往会超过45度。传统镍氢电池温度超过30度时，随着温度的升高，充电效率会降低，因此电池的放电容量会下降。另外，传统电池在高温下使用时，内部元器件性能劣化，导致其他电池性能下降、衰减加快。目前流行的电动汽车所采用的镍氢动力电池，由于电池组工作电流大，散热条件有限，还存在高温性能提升的问题。因此，为了使使用镍氢电池的电子产品在高温环境下也能正常、有效地工作，特别是提高目前电动汽车的工作性能，我们选择了此项目。 通过本项目的实施，新型电池在高温下的放电容量、循环寿命、大电流放电性能、自放电等性能都有了很大的提高。电池高温性能改进成功后，镍氢电池各方面的性能完全超越了镉镍电池。由于镉镍电池的禁售，镍氢电池完全可以取代原有的镉镍电池市场。影响镍氢电池性能的主要因素有正极、负极、隔膜、电解液等。[3]正极活性物质为球形氢氧化镍，负极活性物质为AB型储氢合金粉，隔膜为处理过的聚乙烯或聚丙烯材料，电解液为一种或多种强碱-6j。

对于影响高温镍氢电池的因素也是如此。到目前为止，对镍氢电池高温性能的研究还仅限于实验室对正极和负极的理论研究。生产和实际方面的研究相对较少。目前，我们在这方面的研究在国内处于领先水平。镍氢电池在高温下的主要问题有：1、正极的充电效率相对较低；2、循环寿命相对较差；3、高温下负极除氧功能的退化和循环过程中腐蚀的加速。因此，本文拟从实际生产的角度来解决上述问题。以制备出在高温条件下容量高、循环性能好、安全性能好的镍氢电池。本课题最大的创新性研究是：从改进正极、电解液、隔膜、电池生产工艺等多个方面全面提高电池的高温性能。而且所用方法比较简单实用，可以直接用于工业生产。 它把工业生产和科研创新很好的结合起来，所要解决的关键技术问题是：1、通过适当改进正极，使正极在高温充电过程中的析氧电位发生偏移，从而提高正极活性物质的充电效率和电池的高温容量；2、全面改善影响电池高温性能的一切因素（隔膜、电解液、附件等），进而全面合理地最大化提高电池的高温性能。高温镍氢电池目前主要的应用领域是民用消费产品和通讯产品，客户对电池的高温性能不断提出要求。

高温电池可广泛应用于草坪灯、应急灯、列车照明、夜战通信信号中转站、军用卫星、水下鱼雷演练、电子战装备与数字化单兵系统以及电动工具、电动汽车等领域。因此，为了进一步扩大市场，研制生产高温镍氢电池是非常必要的。第一章文献综述1.1镍氢电池的发展第一章文献综述电池的发展已有200多年的历史，最早的伏特电池出现于1800年，随后里特制成了世界上第一个电池，1858年普兰特制成了第一个实用的二次电池——铅酸电池，在此后100多年中经过不断的改进和更新。铅酸电池在二次电池市场中占有非常重要的地位，但这种电池理论比容量低，体积较大，抗震性差，自放电强，且有氢气放出，稍有不慎可能引起爆炸。 1899年，瓦尔德马·荣格纳研制出敞开式镍镉蓄电池，并首次使用镍板。几乎与此同时，托马斯·爱迪生发明了用于电动汽车的镍铁电池。由于这些碱性电池的材料比其他电池贵得多，因此其实际应用受到很大限制。1932年，科学家开始在镍电极中使用活性物质。1947年，密封式镉镍电池研制成功。在这种电池中，化学反应产生的各种气体不需要排出，而是可以在电池内部结合。

镉镍电池的广泛研究始于20世纪60、70年代。镉镍电池与铅酸电池相比，寿命更长、效率更高、能量密度更高、自放电更小、低温性能更好、抗过充放电能力更强、结构紧凑、维护简单、密封电池可任意放置使用，无需维护，广泛应用于小型电子设备、计算机、工业、航空、大型逆变器、火箭导弹等，一度占领了整个小型二次电池市场。在此期间，高压镍氢电池、镍锌电池、镍铝电池相继问世，但它们也存在成本高、循环性能差、安全性能差、工艺复杂等缺点，最终在与镉镍电池的竞争中落败，未能实现大规模工业生产应用。随着社会的进步，人类经济社会活动规模不断扩大，特别是工业的快速发展，导致环境生态问题日益突出。 20世纪70年代的能源危机为绿色产业发展提供了契机，促进了镍氢电池的快速发展。20世纪90年代，日益高涨的环保呼声使镍氢电池再次成为研究的热点。地球上目前大量使用的化石燃料的已探明储量已无法维持百年之久。全球各大汽车公司竞相投入大量人力、物力研发新一代电动商用车。电动汽车作为一种新型清洁节能交通工具，具有无可比拟的优势，一方面，行驶过程中不消耗汽油，没有污染，热辐射小，噪音小。

因此受到全世界的欢迎，享有“明日之星”的美誉。另一方面，它是高科技的产物，集中了光学、电学、化学等各学科的最新技术，是汽车、电动工具、电力电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术最新成果的综合产物。电动汽车的技术发展涉及的技术课题很多，其中一大课题就是电池技术。所以有人说电动汽车的发展意味着电池技术的进步。目前，汽车上使用最完善的电池是铅酸电池。但铅酸电池一次充电行驶距离较短，从能量密度上看，非常有限。因此必须选用高能量密度、高功率密度的电池。镍氢电池是最佳选择之一。电动汽车用镍氢电池分为高能量型和高功率型。 其中高能量​​型用于EV，高功率型用于HEV。这两类车辆对电池能量密度、功率密度等性能的要求有很大差异，电池的充电状态也不同[9-…]。镍氢电池与镍镉电池相比，具有无记忆效应、比能量高、大电流放电性能好、对环境温和、无污染等优点。由于镉对环境的污染和环保呼声日益高涨，许多发达国家已经开始限制镍镉电池的使用，甚至即将禁止使用镍镉电池，镍镉电池即将退出历史舞台，这给了镍氢电池很好的发展空间和机遇。由于镍氢电池的电压与镍镉电池相当接近，因此，原有的镍镉电池市场完全可以被镍氢电池取代。 随后工业化锂离子电池的问世，对镍氢电池的发展产生了一定的负面影响，锂离子电池虽然具有放电电压高、比功率高、比容量高、循环寿命长等优点；但是由于其安全性能相对较差、大电流放电性能差、内阻较大等问题，导致镍氢电池在动力电池领域存在着较大的市场空白。