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镍镉电池工作原理

时间:2010-04-18 13:02:26

镍镉电池的材料
电池的分类有很多种,在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池,可以多次可充电再使用的电池称为二次电池,而镉镍电池是属于二次电池中碱性蓄电池的一种。镍镉电池在材料方面阳极是使用过氧氢氧化镍,阴极使用镉化合物之活性物质,电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液。当对镉镍蓄电池充电时,会在阳极上面产生氢氧化镍,在阴极上面产生金属镉,因而在两极间形成了电位差。将镍镉电池的阳极和阴极两端外接负载放电时,阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极,因此提供能量供外部负载消耗。

由于镍镉电池的功率容量大且为可充电式,所以它经常被用作转动器的电源,小至闪光灯,大至潜水艇。

全密封的镉镍电池发行不久后,镉镍蓄电池的使用者,即发现其电压上的麻烦,不止会导致电池的损坏且会使之爆开。镍镉电池是由密封可充电的子电池(cell)以串联/并联方式所组合而成。如果串联的子电池没有相同容量,则在放电电流大的使用情况下,其中一个子电池可能会比其它的子电池先放完电。在这种情况下,如用电池充电器充电的话,会损害到电池,甚至爆开。然而,目前电池制造技术的进步,已降低了上述的威胁,而且便用者能利用辅助技术以避免电池反向或降低对电池的威胁。来源838电子
为了解释电池反向的影响,假设有三个1.25V的密封式可充电的镍镉电池串联在一起,以供应闪光灯3.75V的电源。假如此三个电池的容量都一样,则它们传输到负载的额定化学电能应该一样,而且三个电池含在同一时间放完电。 3.75V的平均工作电压,使用10小时的情况下。其平均电流大约为100mA。838电子

在正常的使用情况下,此三个电池的电子,应出电池的负端经由负载电路,再回到正端(与电流方向相反)。而电池内部的子电池之间的电子流动方向,乃由各子电池的金属部分通过接触部分,到达邻近子电池的中心部位。但是,如果其中有一个电池,在其它二个电池尚未放完电之前,即已放完电时,则此放完电的电池,就是一个电阻器罢了; 而此时,整个电源系统大约只能提供2.5V的电压。电池完全放电时的电阻大小,乃跟据其止端接受电子,电解液离子传导电子以及负端放出电子的能力而定。

[!--empirenews.page--]典型的镍镉电池两端的金属片[/!--empirenews.page--]典型的镍镉电池两端的金属片,是由精纯的镍粉所制成。其制造过程中,产生一个多孔的结构,80%小孔的平面区域约为0.2 M2/gm。这些小孔当中,部分侵入活性化学材料,其余的部分,则侵入电解液。

浸在没充电的正极金属片中的活性材料是氢氧化亚镍(Nic-kel Hydroxide);如此金属片被充电的话,氢氧化亚镍就反应成氢氧化镍(Nickelic Hydroxide)。没充电的负极金属片,乃含有氢氧化镉(Cadium Hydroxide)。当金属片被充电后,氢氧化镉则反应成金属镉。所以金属片的极性,乃由化学的浸透方法来决定。

在镍镉电池中,放电化学反应的方向与充电反应的方向相反。当电池充电太多或反向充电的话,其反应的主要生成物为氢气和氧气。正极金属片如被充饱和的话,则所有氢氧化亚镍全部变成氢氧化镍;因为此时已没有氢氧化亚镍了,故想要继绩充电的话,则传会产生氧气罢了。而在负极中,当所有的氢氧化镉皆已反应成金属镉后,如再继绩充电的话,则仅会产生氢气而已。

电池化学的每一金属片,其化学反应速率都要一样方可。如果各片的化学反应速率不一样,则在充电过程中,活性材料含量最少的金属片,将首先产生气体;而且因产生气体所消耗的电能,在放电的时候,无法再转换成电能了。

面对着过度充电的情况,要产生何种气体较好呢?电池设计者选择氧气;因为氧气可经由绝缘性材料[尼龙(Nylon)或保丽龙(Polypropylene)]扩散,且与金属镉起化学反应,使金属还原为没充电时的氢氧化镉。因此,当正极金属片被充电饱和后,负极金属片(也许尚有没反应的氢氧化镉)不会再存有化学能。换句话说,当电池的正极金属片过度充电时,则只要负极金马片被充电,扩散的氧气马上放出电子。

由于过度充电所产生的氧气会很快地再与镉结合,因此,不会使密封的电池气压,高到危险的程度。同样地,假如氢气在负极金属片中产生,它亦会与正极的金属片结合;但是,其结合速率太慢,使得剩余的氢气积存在密封的电池,造成有危险性的气压。因此,过度充电时能产生氧气。

[!--empirenews.page--]如果反向充电[/!--empirenews.page--]如果反向充电的话,电子被强迫由负极出来,经由充电器再进入正极,则其化学反应非常困难。氢氧化亚镍不会接受电子受成镍;而是水分子(water molecules)接受电子受成氢氧。除此之外,当负极中已经没有镉可再放出电子,而受成氢氧化镉时,电子会由里离子(OH-— hydroxy1 Ions)放出,如此会形成氧气两增加电池内部的气压。
由于电池的反向充电,也许会出现嵌重的问题;特别是当电池中的子电池,如其中一个已放完电,而其它尚能提供大电流,则此不再有电能的子电池的高阻抗,会产生足以损害电池的高热,而且所产生的气压会高得迫使安全气孔(Vent)打开。如果安全气孔设计适当的话,则每次气体由气孔跑田时,电解液的降低量不会影客电池的正常功能。装有“低磁滞”(low hysteresis)安全气孔的镉镍电池,能承受偶而的反向充电;但如果安全气孔打开的次数太多的话,则会降低电池的容量,而且,这样会因下次使用大电流,而使反向充电提早发生。838电子

避免子电池(Cell)反向的方法,乃小心的选择子电池,以使所有的子电池皆有相同的容量。每_子电池都要个别测试,而且仅能把相同容量的子电池组成在同一电池(Battery)中。这种方法,使得电池中最弱的子电池完全放完电之前,其它的子电池亦因电力太弱,而不能供应足以使消耗完的子电池反向充电所需的电流。

有些制造商表示他们的电池能容忍反向充电的原因,乃他们在电池的正、负极中都加上有反向充电缓冲特性(Reverse Charge Buffering)的材料。此种材料接受电子的特性比径离子(Hy-droxy1)或水分子都要好。少量的负极活性材料(氢氧化镉)加到正极,同时把少量的正极活性材料(氢氧化亚镍)加到负极;这些少数的材料不但不会影响到电池的正常功能,而且当所有的子电池开始反向时,能延迟氢气的产生。

镍镉电池和硫酸铅电池差异之一就是价格。就已知道的容量而言,镍镉电池比硫酸铅电池贵。然而,镍镉电池亦有其优点,它能配合应用上的需要而制成特殊性质的电池;而硫酸铅电池就没有这项特性。例如,特殊的镍镉电池能工作于非常低的温度,另外有些镍镉电池有接受大电流充电的能力(充电时间可在数分钟内,甚至数小时内完成)。而且,当镍镉电池在完全放完电的情况下,亦能保持好几年而不会变质。

至于密封的硫酸铅电池,其工作范围就较小,但是它的价格较便宜,而且所能提供的电能与镍镉电池一样多。

选择电池乃依据所需的电流量和电池安培一小时的容量。首先要决定便用那一种电池,再计算所需的安培一小时容量(放电电流所需放电时间)。假如计算的结果,所需的容量大于选用的电池容量,则需要选用容量更大的电池。

[!--empirenews.page--]电池容量的估计[/!--empirenews.page--]电池容量的估计亦要考虑温度因素。低温时会增加电池内阻,此内阻会降低其放电电压及有效的放电电流。在高温时,镍镉电池的输出电压会下降,而且会阻碍电池的充电容量。其它因素亦会减少电池容量。例如,经常在高温度的情况下充放电的镍镉电池,其寿命短于不经常放电的电池。所以制造商的规格书中,都附有温度特性的说明。电池电压的选择乃基于负载最大的容许电压,最小的工作电压以及电压需要调节的程度。838电子

电池的最高电压发生于充电期间。充电电压必须高于放电电压方能迫使电流流入电池。例如,镍镉电池的充电电压范围是1.4V/ceIl~1.6Vcell,而其放电时的电压为1.25V。在25℃时的充电电压,对于镍镉电池而言是1.45V;对硫酸铅电池而言是2.45V。在高温或额定的充电电流,高到足以升高电池温度的情况时,其所需的充电电压最低。为了使充电电压的变化降至最低,一般电池都在固定的温度下充电。充电电压的妥化与温度和规格书所注明的充电电流都有关系。

所谓最小的电池电压乃指电池放完电时的电压。在接有负载时,电池电压的变化率低于100mV(如温度保持一定)的情况下,电池放电至原来能量的10%之电压点称为截止点(Cutoff Po-int ),此时电池电压会降低几佰个mV。

因铅酸电池和镍镉电池的电压忧化低于100mV,所以似乎没必要加上电压调节。例如,传统的1.25V镍_镉电池,其电压变化为100mV,则需要调节的比例为8%。但是如需要调节的比例大于8%时,则要加装调节器;而在计算电池每次充完电后的使用寿命时,必须把调节器的功率散逸与负载的消耗合并在一起算。

由于电池电压随温度的不同而有所改变,所以制造商都有提供不同温度的电池放电电流对电压的曲线图,这些曲线一般都有标示寅池电压的中央点(放电周期一半时的电池电压)。如放电电流和工作温度都知道的话,就能从这些曲线中得知工作电压。

至于电池的长期存放效果和其充/放电的次数亦要被预估。镍镉电池能够存放一段很长的时间而不会变质,但每次充电后仅能使用3~4个月;而硫酸铅电池大约可使用2~3年;然而,只要硫酸铅电池用完电后,必须马上再充电,以免破坏电池。

[!--empirenews.page--]不正确的存放电池会缩短其使用寿命[/!--empirenews.page--]不正确的存放电池会缩短其使用寿命。例如镍镉电池存放于高温时的自我放电比存放于常温时快,而且更容易被变质的分离器(Separator)引起内部短路。如存放的时间过长的话,会有少许的水从电解液中蒸发掉。密封电池中的子电池,无法被完全的密封起来;因此,密封中的液体将以几乎察觉不到的速率蒸发掉。由于此速率非常小以致于有用氢气和氧气至少能使用10年。

假如电池的大量放电远超过其正常的截止电压点,则亦会使密封式电池更容易地造成其内部的短路。在有电的子电池中,储存的电能也许可以排除正负极之间的小短路;但是几乎放完电的子电池,轨无可资利用的电能来排除这些短路了。

有时候,镍镉电池重复的充/放电会引起“电池记忆”(Battery Memory)或电压下降;在没有敬先电就再充电所引起的电压下降更明显。这种现象的发生多半是因过度充电且温度太高所引起的。因此,虽然电池以正常的情况传输一样大的电流,但其电压会比较低。但无论如何,假如正常地使用电池,而且完全放完电,则能再充电至饱和容量。

镉镍蓄电池原理-镍镉电池与铅酸蓄电池-反应

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