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镍镉电池工作原理

镍镉电池

镍镉电池的正极材料为球形氢氧化镍,充电时为NiOOH,放电时为Ni(OH)2。镍镉电池(Ni-Cd,Nickel-Cadmiun Battery)因其碱性氢氧化物中含有金属镍和镉而得名。

镍镉电池工作原理反应方程式

负极材料为海绵状金属镉或氧化镉粉以及氧化铁粉,氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性,增加极板的容量。电解液通常为氢氧化纳或氢氧化钾溶液,为了增加蓄电池的容量和循环寿命,通常在电解液中加入少量的氢量的氢氧化锂(大约每升电解液加15~20g)。

(1)镍电极反应机理

镍电极充电时,首先是电极中Ni(OH)2颗粒表面的Ni2+失去电子成为Ni3+,电子通过正极中的导电网络和集流体向外电路转移;同时Ni(OH)2颗粒表面晶格OH中的H+通过界面双电层进入溶液,与溶液中的OH结合生成H20。上述反应先是发生在Ni(OH)2颗粒的表面层,使得表面层中质子H+浓度降低,而颗粒内部仍保持较高浓度的H+。由于浓度梯度,H+从颗粒内部向表面层扩散。

镍电极充电时,由于质子H+在NiOOH/Ni(OH)2,颗粒中扩散系数小,颗粒表面的质子浓度降低,在极限情况下会降低到零,这时表面层中的NiOOH几乎全部转化为NiO2。电极电势不断升高,反应如下:

NiOOH+OH?→NiO2+H2O?+?e

由于电极电势的升高,导致溶液中的OH-被氧化,发生如下反应:

40H?- 4e– ?→ O2↑+2H2O

因此,在充电过程中.镍电极上会有O,析出,但这并不表示充电过程已全部完成。通常情况下,在充电不久时镍电极就会开始析氧,这是镍电极的一个特点。在极限情况下,表面层中生成的NiO,并非以单独的结构存在于电极中,而是掺杂在NiOOH晶格中。NiO2不稳定,会发生分解,析出氧气。

2NiO2+H2O→2NiOOH+1/2O2↑

(2)镉电极的反应机理

镍镉电池的负极活性物质是海绵状金属镉,放电产物是难溶于KOH溶液的Cd(OH)2。镉电极的放电反应机理是溶解一沉积机理,放电时Cd被氧化,生成Cd(OH)3进入溶液,然后再形成Cd(OH)2沉积在电极上。Cd(OH)3在碱液中的溶解度为9×10-5mol/L,该浓度可以使镉电极具有较高的反应速率,这也是镍镉电池能够高倍率放电的主要原因。电极的放电机理为首先发生OH的吸附:Cd+OH→Cd-OH吸附+e

随着电板电势不断升高,镉进一步氧化,生成Cd(OH)3进入溶液:

Cd-OH吸附+2OH→Cd(OH)3+2e-

当界面溶液中Cd(OH)3过饱和时,Cd(OH)2就沉积析出:

Cd(OH)3→Cd(OH)2↓+OH

生成的Cd(OH)2附着在电极表面上,形成疏松多孔的Cd(OH)2,有利于溶液中的OH继续向电极内部扩散,使内部的海绵状镉也通过溶解沉积过程转化为Cd(OH)2实现内部活性物质的放电。

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