NiMH等常見蓄電池的原理及其應(yīng)用
電化學(xué)反應(yīng)機理
NiMH蓄電池和古老的NiCd蓄電池有親緣關(guān)系,為此首先介紹NiCd蓄電池,其次是NiMH蓄電池,最后說明LIB。
1. NiCd蓄電池
早在1899年,NiCd蓄電池就已發(fā)明,于1947年實現(xiàn)完全密化的NiCd蓄電池,一直應(yīng)用至今。長時間的應(yīng)用表明,NiCd蓄電池不失為一種高性能和高可靠性的蓄電池。
如今的NiCd蓄電池,在發(fā)泡鎳或鎳?yán)w維狀基體上附著大量NiOOH活性物質(zhì)作為正極,以重金屬鎘Cd作為負(fù)極,一同置入電解液（KOH溶液）中,經(jīng)密封后構(gòu)成蓄電池。該蓄電池容器內(nèi),進行的電化學(xué)反應(yīng)如下：
這個電化學(xué)反應(yīng)的特征在于,明明看到作為電解液成分的KOH,但它并不直接參與電化學(xué)反應(yīng)。由于制造蓄電池時使負(fù)極的容量大于正極的容量,當(dāng)過充電時只能看到由正極產(chǎn)生的氧（O2）;因為負(fù)極殘留未被充電部分,不產(chǎn)生氫（H2）;由于產(chǎn)生的氧（O2）被負(fù)極吸收,所以可以實現(xiàn)密封。
從NiCd蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)機理得知,它是依靠OH-離子快速移動,反應(yīng)比鋁酸蓄電池平穩(wěn)。因此,它的重要特征是放電容量盡管在大電流放電時也不出現(xiàn)低下現(xiàn)象（可維持1.2 V端電壓）。結(jié)晶結(jié)構(gòu)基本上不因充放電而變化,使用壽命較長。
2. NiMH蓄電池
美國和荷蘭都對能吸藏氫的合金MH（Hydrogen Storing alloy metal）開展研究,并試圖用于開發(fā)蓄電池。世界上出現(xiàn)NiMH蓄電池商品是在20世紀(jì)九十年代初,發(fā)展卻十分迅速。實踐證明,通過適當(dāng)組合La、Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸藏氫的合金MH,它所能釋放/吸藏的氫H2量相當(dāng)大,例如,1cc的液體氫能變成784cc的氫氣,而1cc體積的吸藏氫的合金MH卻能釋放出1000cc的氫氣。
在NiCd蓄電池里,只要利用吸藏氫的合金MH取代有毒的重金屬Cd（鎘）,便形成對環(huán)境無污染的綠色蓄電池NiMH,其電化學(xué)反應(yīng)如下：
由于設(shè)計時可像NiCd蓄電池一樣也把負(fù)極MH的容量制成足夠大,當(dāng)過充電時由正極放出的氧氣可被MH中的氫氣還原,使蓄電池可實現(xiàn)密封。NiMH蓄電池和NiCd蓄電池一樣,大電流放電時可維持平穩(wěn)的1.2V端電壓。值得稱道的是NiMH蓄電池的廢棄物不污染環(huán)境,而NiCd蓄電池廢棄物（若不回收）必將造成環(huán)境污染。
NiMH蓄電池的負(fù)極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)反應(yīng)機理不同于NiCd蓄電池,它的能量密度和使用壽命都比NiCd蓄電池優(yōu)越,從而也能開拓出更廣闊的應(yīng)用市場。正是由于這種緣故,世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都高度重視NiMH蓄電池的研究與開發(fā)。據(jù)報道,我國有色金屬研究院的科研人員對MH合金已開展很深入的研究,并且獲得可喜的新進展。
3. LIB蓄電池
以金屬鋰Li作為負(fù)極的一次性電池,口碑很好。因此,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都試圖利用Li制造蓄電池,1979年,加拿大MoLi-Energy公司的鋰金屬蓄電池在手機里起火的事故,曾迫使鋰金屬蓄電池一度退出市場。但是,因為鋰Li金屬作為負(fù)極的蓄電池具備理想的性能,各國仍在潛心研究與開發(fā)。
