影響鎳氫電池性能的因素有哪些？

鎳氫電池性能與什么有關(guān)？鎳氫電池性能的影響因素有很多，包括正/負(fù)極板的基材，貯氫合金的種類，活性物質(zhì)的顆粒度，添加劑的類別和數(shù)量，以及制作工藝、電解液、隔膜、化成工藝等許多方面。

下面就添加劑（Co）、電解液、隔膜以及化成工藝等對(duì)電池性能的影響這幾方面進(jìn)行一下簡(jiǎn)要的探討。

1、正極添加CoO對(duì)電極性能的影響

將鉆添加到Ni（OH）2電極中，主要是以形成高導(dǎo)電性之CooOH，在活化階段充電過(guò)程中，被氧化成CoOOH，從而提高極片的導(dǎo)電性，由于此反應(yīng)不可逆，因此添加Co對(duì)電極的容量并無(wú)貢獻(xiàn)。

在Ni（OH）2電極中添加鉆能增加其質(zhì)子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性，從而提高正極活性物質(zhì)的利用率，改善充放電性能和增大析氧過(guò)電位，從而降低充電電壓提高充電效率。但是過(guò)量的鉆添加不但導(dǎo)致電池成本增加，還將降低放電電位。添加量對(duì)正極利用率的影響：添加極少量的（2Wt%）表面未經(jīng)預(yù)氧化的Coo即可獲得較高的正極活性物質(zhì)利用率，在5Wt%-10Wt%范圍內(nèi)可獲得最佳的效果。在加入量高于10Wt%后，電池容量反而有所下降，這是由于添加量太高，減少了活性物質(zhì)的填充量，則電池容量不可能提高，而且亦加大正極制作成本。

鉆加入量對(duì)電池大電流放電性能的影響：鉆的加入對(duì)改善電池大電流放電性能具有很好的效果，加入量越多，大電流放電性能越好，但加入量過(guò)多，成本亦升高越多，且電池容量下降，合適的比例為5WM%-10W%。

鉆在電活化期間（第一次充電），由于Co（OH）2的氧化電位比Ni（OH2的氧化電位低，這導(dǎo)致在Ni（OH2轉(zhuǎn)化為NiOOH之前便形成穩(wěn)定的Co0OH，既大大降低了顆粒之間的接觸電阻，也大大提高了顆粒與基體的導(dǎo)電性。如果放電結(jié)束后電壓不明顯低于1.0V，則CoOOH不再參與電池后續(xù)反應(yīng)，這樣負(fù)極就獲得了對(duì)應(yīng)于提供的這一總電荷的預(yù)先充電。如果隨后放電使正極的可用容量已耗盡，但由于預(yù)先充電的緣故，負(fù)極仍然有放電儲(chǔ)備，它在一定程度上可以避免電池充電末期負(fù)極大量析氫，并保證氫氣復(fù)合效率。

2.2電解液對(duì)電池性能的影響

電解液作為電池的重要組成部分，它的組成、濃度、數(shù)量的多少以及雜質(zhì)的種類和數(shù)量都將對(duì)電池的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它直接影響電池的容電量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命、內(nèi)壓等性能。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電解液一般采用大約7mol/l的KOH溶液（也有以一定NaOH代替KOH的），當(dāng)然電解液中也有加入少量其他成分如LiOH等的，但對(duì)一些雜質(zhì)諸如碳酸鹽、氯化物、硫化物等均要求較高。

電池的正、負(fù)極片只有在電解液中才能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于一顆封口的成品電池來(lái)說(shuō)，其中的空間是一定的。若電解液太多，會(huì)造成封口氣室空間變小而使電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)壓上升；另一方面，電解液太多造成堵塞隔膜孔，阻止了氧氣的傳導(dǎo)，不利氫氣迅速?gòu)?fù)合，也會(huì)使電池的內(nèi)壓上升并可能氧化極片致使極片鈍化容量下降，內(nèi)壓的上升可能造成電池漏液、爬堿、使得電池失效。但若電解液太少，會(huì)使得極片不能完全浸漬到電解液，從而電化學(xué)反應(yīng)不完全或者說(shuō)極片的某些部分不能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得電池容量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，內(nèi)阻變大，循環(huán)壽命變短。

應(yīng)該注意電解液的濃度，以減少濃差電阻。

為何電池在貯存和使用過(guò)程中（循環(huán)）會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻升高和放電容量降低以及充電效率降低呢？原因是多方面的：

首先，添加劑Co在貯存和使用過(guò)程中會(huì)往極片的而導(dǎo)致極片表面的Co含量降低，從而使得極片表面的接觸電阻增大（表現(xiàn)為內(nèi)阻上升），從而降低充電效率和析氧過(guò)電位，最終導(dǎo)致放電容量下降。

其次，在循環(huán)過(guò)程中，極片被電解液腐蝕，導(dǎo)致極片粉末松散、脫落或者說(shuō)接觸不好（粒子與粒子、粒子與基材之間）導(dǎo)致內(nèi)阻升高，以及過(guò)度充/放電致使極片受到損傷。

其三，可能是由于極片膨脹，把隔膜中的電解液擠干和吸出，由于電化學(xué)反應(yīng)總是從表面開(kāi)始進(jìn)行而后再向深層發(fā)展，因此導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不完全，導(dǎo)致放電容量下降；并由于電解液的匱乏，致使內(nèi)阻升高（濃差電阻和離子傳導(dǎo)電阻/

遷移電阻升高），充電電位升高，放電電位下降。

其四，可能是由于電解液中的水份在循環(huán)或儲(chǔ)存一段時(shí)間之后，以某種目前尚不清楚的形式存在，如結(jié)晶水、被范德華力束縛、被氫鍵等力所束縛，而不能參與電化學(xué)反應(yīng)（即升高了電解液的濃度），致使電化學(xué)過(guò)程中離子傳導(dǎo)困難，內(nèi)阻升高，充電電位升高，放電電位下降，最終導(dǎo)致放電容量下降。

最后，也可能是由于電池在循環(huán)或儲(chǔ)存過(guò)程中，電解液被重新分配、擴(kuò)散和滲透到極片的深層中去，致使電極表面的電解液量下降，而電化學(xué)反應(yīng)總是從表面開(kāi)始進(jìn)行而后再向深層發(fā)展，因此導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不完全從而出現(xiàn)一系列的間題。

當(dāng)然，電池在使用過(guò)程中過(guò)度充/放電，致使電池壓，氫氣/氧氣在出的同時(shí)帶出電解液，從而使得電解液干涸，也是重要原因之一。

解剖開(kāi)貯存和使用過(guò)的電池，會(huì)發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部的極板和隔膜紙干燥（目視），也許是以上所述原因之一或幾個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

2.3隔膜對(duì)電池性能的影響

隔膜作為電池的正、負(fù)極之間的隔離板，首先其必須具備良好的電絕緣性，其次由于它于電解液中處于浸濕狀態(tài)，其必須具備良好的耐堿性；并且要有良好的透氣性等。因此我們應(yīng)當(dāng)選用在較寬廣溫度范圍內(nèi)（-55℃-85℃）保持電子穩(wěn)定性、體積穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)電子呈高阻，對(duì)離子呈低阻，便于氣體擴(kuò)散盡量薄的隔離板。

隔膜性能的好壞在很大程度上將影響電池的循環(huán)壽命和自放電狀況。

隔膜在循環(huán)過(guò)程中逐漸干涸是電池早期性能衰退的主要原因。隔膜的吸堿量、保液能力和透氣性是影響電池的循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素。隔膜的親水性可保證良好的吸堿量和保液能力；而憎水性可提高隔膜的透氣性。隔膜變干與下列因素有關(guān)：

1）隔膜本身性質(zhì)的變化如：吸液速度和保液能力變差；

2）極片在充放電過(guò)程中發(fā)生膨脹將隔膜中電解液擠出和吸出；

3）電極表面活性和氣體復(fù)合能力變差，電池過(guò)充時(shí)正極產(chǎn)生的氧氣未能快速?gòu)?fù)合掉，造成電池內(nèi)壓升高，達(dá)到一定壓力后從安全閥濁壓而造成電解液損失。

電池的自放電也與隔膜有關(guān)。有人認(rèn)為：鎳氫電池中鎳電極的活性物質(zhì)與氫氣發(fā)生反應(yīng)是MHNi電池自放電的主要原因（微短路也是原因之一）：

NiOOH+1/2H2→Ni（OH）2其中的氫氣是由于過(guò)充電靜置后，儲(chǔ)氫合金釋放出其中的部分氫原子復(fù)合而成，因此我們需要有較好透氣性的隔膜板，此處的透氣性并不是指通透氣體而是指能通透協(xié)帶氫或氧原子的離子的透氣性。電池不過(guò)充或不充飽可降低漏電率，目前不少?gòu)S商的電池充飽電后靜置30天持電率可超過(guò)70%（常溫常壓狀態(tài)）。

當(dāng)然，隔膜紙除了以上所述的條件外，還應(yīng)當(dāng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，以保證電池在卷繞和極片膨脹時(shí)不至于斷裂。

2.4熱和電活化對(duì)電池性能的影響

采用封口化成工藝的鎳氫電池在活化初期及大倍率充電時(shí)內(nèi)壓過(guò)高，造成電池漏液爬堿，容量下降，壽命縮短，安全性能變差，而且化成時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)封口的鎳氫，電池進(jìn)行熱處理（即熱活化），可以對(duì)其性能進(jìn)行改善，尤其是對(duì)內(nèi)壓的改善。其本質(zhì)原因是：

熱處理的過(guò)程中，負(fù)極中的貯氫合金表面在強(qiáng)堿性電解液的作用下，較快地偏析出大量的鎳原子族即形成富鎳層，鎳原子族均勻分散在其它疏松金屬氧化物和氫氧化物或其水合物中，在鎳原子族的催化作用下，過(guò)充時(shí)正極所產(chǎn)生的氧擴(kuò)散到負(fù)極表面，并與貯氫合金中的氫反應(yīng)，重新化合成水，改善貯氫合金的消氧機(jī)能，降低電池內(nèi)壓。另外，熱處理時(shí)可降低電解液的表面張力，促成電解液的均勻分布，有利于電化學(xué)反應(yīng)的均勻進(jìn)行。

熱活化的時(shí)間、溫度不同對(duì)電池性能的影響也不同，時(shí)間太短達(dá)不到預(yù)期效果；時(shí)間太長(zhǎng)則浪費(fèi)時(shí)間，效率太低。溫度太低反應(yīng)速度過(guò)慢，溫度太高可能會(huì)導(dǎo)致電池短路，極片膨脹厲害，影響電池性能。一般以50-80℃為宜，2-8小時(shí)比較合適。

電活化過(guò)程初期，首先發(fā)生的反應(yīng)是CoO+OH-=CoOOH此反應(yīng)為不可逆反應(yīng)，由此使得正極片的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)（因Ni（OH）2基本不導(dǎo)電而且NiOOH的導(dǎo)電性也較差），從而降低電池的內(nèi)阻和充電電壓，提高充電效率和放電容量。因此可以讓負(fù)極預(yù)先充電，具有充電儲(chǔ)備。而后期的電活化只是對(duì)電極進(jìn)行充放電即 Ni（OH）2與NiOOH之間來(lái)回轉(zhuǎn)化，通過(guò)這種來(lái)回轉(zhuǎn)化（晶型轉(zhuǎn)換），在極片表面不斷產(chǎn)生新鮮表面，使得電化學(xué)不斷反應(yīng)進(jìn)行下去。在后期的電活化中，只要電池電壓不低于0.8V，鉆就不參與反應(yīng)。為提高化成效率，一般以三個(gè)充/放電循環(huán)為好，充/放電電流應(yīng)由小逐漸變大為佳。