镍氢电池制作实验报告.doc
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方形800mA镍氢电池的制备及其性能测试
1引言
1.1实验背景
化学电源也就是通常所说的电池，是一类能够把化学能转化为电能的便携式移动电源系统，现已广泛应用在人们日常的生产和生活中。
电池的种类和型号（包括圆柱状、方形、扣式等）很多，其中，对于常用的电池体系来说，通常根据电池能否重复充电使用，把它们分为一次（或原）电池和二次（或可充电）电池两大类，前者主要有锌锰电池和锂电池，后者有铅酸、镍氢、锂离子和镍镉电池等[1]。
除此之外，近年来得到快速发展的燃料电池和电化学电容器（也称超级电容器）通常也被归入电池范畴，但由于它们所具有的特殊的工作方式，这些电化学储能系统需特殊对待。
在这些电池的制备和使用方法上，有很多形似的地方，因此通过熟悉一种电池可以达到了解其它电池的目的。
本实验即通过制备一种扣式可充电的镍氢电池，并通过测试电池的性能，使同学们在电池制备及其性能表征等方面得到训练。
1.2实验意义
随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、高功率方向发展。
镍氢电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一。
镍氢电池产业的发展有利于促进城市环境的改善，使国民经济可持续发展；有助于移动通讯，无污染电动车等的高新技术产业的发展；同时将带动上游原材料工业的发展……所以，研究镍氢电池是一个新的趋向。
1.3实验原理
镍氢电池的正极活性物质为Ni（OH）2，负极为贮氢合金，正负电极用隔膜分开，根据不同使用条件的要求，采用KOH并加入LiOH或NaOH的电解液。
电池充电时，正极中Ni（OH）2被氧化为NiOOH，而负极则通过电解水生成金属氢化物，从而实现对电能的存储。
放电时，正极中的NiOOH被还原为Ni（OH）2，负极中的氢被氧化为水，同时在这个反应过程中向外电路释放出电量。
电极反应如下：
（“⇀”表示充电；“↽”表示放电）
正极：
Ni（OH）2+OH-⇌NiOOH+H2O+e-
负极：
M+xH2O+xe-⇌MHx+xOH-
实际应用中镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，但在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此如何消除这些气体关系到电池的密封问题。
这可以通过优化电池设计得到解决，主要是采用正极限制电池容量和电解液加入量，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。
其中，电解液的加入量应使电池处于一定的贫液状态，主要是为了正极析出的气体能构迁移到负极表面被反应掉，以利于实现氧在电池内部的循环和负极尽量不析出氢气。
正负电极的容量之比一般控制在1:
1.3-1:
1.4之间，这样电池在充电末期和过充电时，正极析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为H2O，负极则因有较多的剩余容量而不容易析出氢气，从而保证电池具有合适的充电内压和电解液损耗率，最终保证电池的高循环寿命。
充放电过程中，镍氢电池正负电极上发生的反应：
（“⇀”表示充电；“↽”表示放电）
正极：
Ni（OH）2+OH-⇌NiOOH+H2O+e-
过充电时:
4OH--4e-→2H20+O2
负极：
M+xH2O+xe-⇌MHx+xOH-
过充电时：
2H2O+O2+4e-→4OH-
电池：
xNi（OH）2+M⇌NiOOH+MHx
正极活性物质用量,根据法拉第定律,其理论用量:
Mo（g）=3600MQ/nF,其中M-摩尔质量,n——电极反应过程中得失电子数,Q——所设计电池容量A·h数,F—法拉第常数,96500C,实际过程中要考虑利用率等因素,比计算值多10%—20%.负极活性物质用量应考虑电池充电后期产生过量气体的影响,必须过量20%—50%。
根据充放电时正负电极的反应不难看出，影响电池性能的因素是很多的，其中正负电极活性物质在反应过程中的稳定性能和反应活性，以及影响活性物质充分发挥作用的其它因素，包括制备电极时的辅助添加剂和粘结剂，组装电池时所使用的电解液、隔膜和密封材料等，都对电池的性能具有很大的影响[8-9]。
1.4实验目的
1.4.1通过制备一种方形镍氢电池，了解化学电源的工作原理和制备方法。
1.4.2通过对制备电池性能的测试，掌握表征电池性能的实验技术。
2.实验条件
2.1实验仪器与工具
点焊机（焊接泡沫镍与镍条）；
压片机（压缩极板）；
烘箱（烘干电极板）；
计算机控制充放电仪器（测试电池盒性能，绘制伏安曲线图）；
有机玻璃（电池壳材料）；
锯子（切割有机玻璃）；
砂纸（打磨有机玻璃片，使其边缘光滑，易于粘接，避免漏液）；
环氧树脂+固化剂（粘结剂）；
钻孔器（在电池壳上打孔）
2.2实验试剂
氢氧化镍（正极活性物质，放电比容量210mAh/g）；
贮氢合金粉（负极活性物质,放电比容量280mAh/g）；
隔膜（PE隔膜，作用：
隔开正负极，避免短路，储存电解液，提供气体通道）；
60％（PTFE+CMC）粘结剂；
Ni粉（提高极板导电性）；
4%CMC；
8mol·L-1 KOH混合电解液（98%KOH+2%LiOH）。
3实验过程
根据电池的外壳尺寸和对性能的要求，确定正负极板和隔膜的尺寸以及活性物质的装填量，然后制备正负极板、裁制隔膜并配制电解液，再把正负极板与隔膜卷绕或折叠在一起放入电池壳中，加入适量的电解液后封口，最后把电池化成后检测性能。
具体步骤如下：
3.1正负极板和隔膜的裁剪
3.1.1根据电池比容量，裁剪正负极泡沫镍，约3cm*2.5cm共7片，其中正级3片，负极4片，分别用电焊机焊接镍条，称量泡沫镍的质量，记录数据。
3.1.2再根据泡沫镍的大小，剪出比泡沫镍略大的隔膜。
3.2正负极板的制备
3.2.1正极板的制备
3.2.1.1粗测正极板所需涂料
按Ni（OH）288%与PTFE（聚四氟乙烯）7%和Ni粉5%的比例计算所需的质量。
先粗略配置2g涂料，即称取1.76gNi（OH）2固体粉末与0.14gPTFE和0.1g的Ni粉添加剂混合均匀，再加入约1.4g4%CMC调制成浆，发现，大概能均匀涂覆在2片泡沫镍上。
3.2.1．2正极板的制备
按上述步骤计得4片泡沫镍大约需要4g涂料，所以称取3gNi（OH）2固体粉末与0.2gPTFE和0.2g的Ni粉添加剂混合均匀，再加入约3.8g4%CMC调制成浆，制得的涂料刚好能均匀涂覆在4片泡沫镍上。
3.2.2负极板的制备
按贮氢合金粉93%，PTFE7%的比例计算所需的质量。
称取7.4g贮氢合金粉与和0.6gPTFE混合，再加入约2.6g4%CMC调制成浆，然后涂覆到3片泡沫镍。
3.2.3烘干
把制备好的极板做好编号，置于烧杯中，于烘箱中约85℃烘干、一周后，取出用保鲜膜包住并用压片机进行压片，称量，减去泡沫镍的质量，计算得到正负极的放电比容量。
3.3电池盒的制备
根据极板的大小，确定电池盒的规格约为5cm*5cm*1.5cm，用锯子在有机玻璃板上锯出电池盒的六个面，并用砂纸打磨平滑，将五个面用粘合剂（环氧树脂+固化剂）粘连起来唉，自然放置一天晾干，晾干后检验是否漏液，不漏即完成电池盒的制备。
余下一片请人用电钻钻孔2个。
3.4电解液的配制
称取KOH固体（含量>=85%）约8.75g,LiOH约0.75g,加去离子水配成25g溶液，搅拌均匀，冷却至室温后待用。
3.5电池盒的组装
将7片极板按负-正-负-正-负-正-负的顺序排好，并在每两片中间加入隔膜，整理好放入电池盒中，加入电解液，并将正极和负极镍条穿过电池盖，用环氧树脂固定即可，并插入一支毛细管用于排气。
组装完成后进行充放电测试。
4实验记录与分析
4.1电池外观
观察正极板为暗绿色长方形薄片，负极为灰色长方形薄片，表面平整。
电池外观外壳为长方体透明状，规格约为5cm*5cm*1.5cm,外形美观，粘合紧密，无漏液，有排气孔，总体符合要求，但是规格偏大，具体如下图。
图1正极板图2负极板
图3电池壳外观图4电池盒测面图
4.2正负极板数据记录
表1正极板材料用量（粗测）
正极
氢氧化镍
镍粉
PTFE
总质量
CMC
用量/g
1.76
0.1
0.14
2
1.4
表2正极板材料用量
正极
氢氧化镍
镍粉
PTFE
总质量
CMC
用量/g
3
0.2
0.2
3.4
3.8
表3负极板材料用量
负极
贮氢材料
PTEF
总质量
CMC
用量/g
7.4
0.6
8
2.6
表4正负极板比容量
电极编号
涂前质量/g
烘干后质量/g
活性材料总质量/g
电池容量mA.h
正负极容量比
正极1
0.9636
4.6053
3.6417
764.757
2.438
正极2
正极3
负极1
1.2895
7.9489
6.6594
1864.632
负极2
负极3
负极4
故电池的容量为：
764.757mA.h
4.2电池充放电曲线
图5电池循环充放电曲线图
图6电池充（放）电容量随充放电次数关系曲线图
4.3数据分析
由图5可看到电池在循环充放电过程中，充放电曲线比较有规律，电压保持在一定水平，在5000多min时依然保持电压值较恒定，说明电池性能比较稳定，充放电电压稳定。
结合图6，在21次循环充放电过程中刚开始充放电电流逐渐增大，然后保持在180mA左右，随着次数的增加，电流有逐渐下降的趋势。
由欧姆定理可以估算电池的电阻值约为10欧姆左右，电阻比较大。
由极板制作算出理论电池容量为764.8mA.h，而实际性能测试时只有180mA.h左右，相差很远，说明电池性能不够优越,分析原因可能有：
4.3.1在设计电池盒的时候盒子规格过大，特别是电池盖的两个钻孔间距离比较大，所以极板需要错开排放，这样导致了极板间接触面比较小，气体通道也比较小，导致气体交换速率低，可能会造成容量过低。
4.3.2组装电池时可能由于电极接触不良使得容量过低。
4.3.3制备正负极板时由于浆料比较粘稠，可能会导致其中某些极板活性物质很多，其他极板活性物质则相对较少，这样不均匀的分布极有可能导致正负极板反应程度相差过大，导致电池容量降低。
4.3.4镍氢电池要求电解液应为贫液状态，而实际操作时则是富液状态，这会影响电池的容量。
4.4实验讨论
4.4.1极板制备过程中，由于损耗预算得较小，而实际制作过程中损耗较大，所以实际电池理论容量为764.8mA,低于原本设计的800mA.h，在实验过程中可以根据具体情况，适当调整损耗比例。
4.4.2在制备正极的时候只需要涂三片泡沫镍，而负极则需要涂四片，所以在加粘接剂的时候，正极可以适当加少一点，负极加多一点，这样负极材料就比较稀薄，比较容易均匀涂抹在四片泡沫镍上，避免出现活性物质不足，只够涂部分极板的情况。
4.4.3烘干极板使用的温度应低于100℃，避免破坏活性物质。
4.4.4极板在组装前，需要进行压片，压片时候要注意压片机的松紧程度，如果太紧就会造成断裂，故调整好松紧非常关键，使用保鲜膜包住压片可以避免压片机上的铁锈沾到极板上，影响电池性能。
4.4.5用隔膜隔开极板时，实验过程中发现，如果把隔膜剪开一片片夹在极板中心极易使极板在移动或加液过程中接触短路，所以用隔膜直接把极板底部包住，更加简易安全。
4.4.6电池盒制备时必须严格按照极板的大小和厚来裁切有机玻璃，否则电池盒规格不合适会造成不必要的麻烦。
所以只需要比极板略大即可，而且裁切过程中根据两极的位置确定电池盖钻孔的位置。
电池盒材料裁切后应用砂纸打磨平滑，这样有利于粘合，不易漏液以及更美观。
本实验使用（环氧树脂+固化剂）粘接剂，耐酸耐碱，粘接效果比较好，干透后呈浅黄色透明状，对外观影响不大。
4.4.7电池盒在装入极板后，如果余下的空隙比较大，可以采用加入塑料板或玻璃片的方法进行补救。
4.4.8电池在放入极板和隔膜后就应该加入电解液，本电池应处于贫液状态，但实际操作时加入电解液过多变成了富液状态，这会影响电池实际容量。
用环氧树脂胶结剂粘合后需要预留透气孔，因为充放电过程中会产生气体，部分无法用于反应的需要排气，所以最好将一小段毛细管插在电极处作临时透气口。
4.4.9实用的镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此要消除这些气体关系到电池的密封问题。
可以通过优化电池设计得到解决，主要为用正极限制电池容量和电解液加入量的方法，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。
4.5实验拓展
4.5.1电池解剖。
在对电池研究的过程中，有时为了检查电池性能改变的原因，需要通过把电池解剖，并分析电池两电极上活性物质的变化以及电解液和隔膜的状况。
在打开电池时，要注意对具有强腐蚀性电解液的防护，同时要防止正负电极因残余电量而引起的短路，以及负极板与空气接触时发生的氧化反应。
4.5.2电极活性物质。
在电池充放电过程中，通过自身价态的变化实现化学能和电能转化的物质，这些物质的性能与它们的晶型、组成（或制备该物质时添加剂），以及组成电极时其它诸如粘结剂、周围的导电剂等因素有关。
4.5.3电池的额定（或标称）容量：
在标称的充放电条件下，电池的放电容量必须达到的最小值。
4.5.4电池的充放电曲线：
电池在规定的充放电电流条件下，充放电电压随充放电时间的变化曲线。
4.5.5电池充放电倍率：
如电池额定（或标称）容量为C，则充放电电流I与C商值就为充放电的倍率值，而电池的实际充放电容量又与所采用的电流密切相关，因此提到电池额定（或标称）容量时要说明所采用电流的大小。
电池充放电小时率与倍率表达了同样的内容，只是小时率是用放电时间来间接说明所采用的电流大小。
4.6思考题
4.6.1怎样计算电池容量？
答：
理论电池容量（C）的计算方法：
一般情况下，制备镍正极（氢氧化镍容量按210mAh/g计算，添加剂用氧化钴和镍粉，粘结剂用60％PTFE和4％CMC），制备金属氢化物负极（贮氢合金容量按280mAh/g计算，不加添加剂，粘结剂用60％PTFE和4％CMC）。
实际电池容量（C）的计算方法：
容量C＝放电电流（恒流）I×放电时间（小时）T；反过来：
放电时间T＝容量C／放电电流（恒流）I。
比如一个电池用500mA（毫安）的恒定电流放电2个小时，那么这个电池的容量就等于500mA*2H＝1000mAH=1AH；再如一个电池用5安的电流放了2个小时，那么该电池的容量就是10AH。
4.6.2 制备纽扣镍氢电池需要注意哪些方面？
答：
制备电极板时，栽取的泡沫镍集流体稍微比电极板壳小，预防压片后电极板大于板壳；剪取的隔膜稍比电极板大，防止正负极板接触造成电池短路。
实用的镍氢电池一般要求是准密闭的反应体系，在充电过程中正负电极上不可避免地会发生副反应生成氧气和氢气，因此要消除这些气体关系到电池的密封问题。
（通过优化电池设计得到解决，主要为采用用正极限制电池容量和电解液加入量的方法，同时辅助于优化正负极板工艺和电池组装结构等。
）
5方形1000mAh镍氢电池的设计
1、正负极板的制作
用剪刀裁剪5块尺寸为2.5*3.5cm的泡沫镍，并用点焊机在每块泡沫镍上焊接一条铝片，位置大概为上部偏左或偏右。
2、正极板的制备
称取Ni（OH）25.71g，CoO0.344g和Ni粉0.344g混合均匀，再加入以上粘结剂（PTFE0.2g+CMC0.6g）和适量的水调制成浆，然后均匀且平均涂覆在两块泡沫镍集流体中，放进烘箱烘干，然后压片后制成镍正极。
其中CoO可以提高极板的导电性和活性物质的反应可逆性，镍粉主要作用是提高极板导电性。
3、负极板的制备
称取贮氢合金粉6.43g与粘结剂（PTFE0.2g+CMC0.6g，）和适量的水调制成浆，然后均匀且平均涂覆到三块泡沫镍集流体中，放入烘箱烘干，然后压片后制成金属氢化物负极。
4、电池外壳的制作
用有机玻璃作材料，丙酮做粘合剂，制作一个长4cm，宽3cm，厚1cm的外壳，顶盖不封，且在顶盖上挖左右两个小孔，以便正负极伸出。
5、电解液的制备
称取3gKOH溶于7g水中，得到30%的KOH溶液。
6、电池的组装
将5块极板按照负极→正极→负极→正极→负极的顺序叠放好，并在正负极中间加上镍氢电池专用隔膜，注意正极的铝条位置要一致，且要与负极的铝条分开成两边。
然后将电极组放入电池外壳中，盖上顶盖，用丙酮封好。
最后从顶盖的小孔中将电解液注入电池内，注意注满。
7、电池物料消耗清单
表3正、负极极板试剂用量（单位：
g）
正极
负极
Ni（OH）2
5.71
-
贮氢合金粉
-
6.43
CoO
0.334
-
Ni粉
0.334
-
粘结剂
PTFE
0.12
0.36
0.12
0.36
CMC
表4正负极极板及电池壳尺寸（单位：
cm）
正极
负极
极板
长
3.5cm
宽
2.5cm
极板数
2
3
电池壳厚度
1cm
电池壳
正面
3cm*4cm
侧面
4cm*1cm
底座
3.5cm*2.5cm
盖子
3cm*2cm
【参考文献】
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[2]张丽华,王彦.近年镍氢电池发展状况及前景（上）.市场逮评,2008,12,34-35.
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122-124
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