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镍镉电池工作原理

发布时间:2020-09-11 11:58:18来源:作者:点击数:

  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。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。

  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。