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镍氢电池的电极反应方程式

2019-05-24

镍氢电池是以金属氢化物为负极,氢氧化镍电极为正极,氢氧化钾溶液为电解液,电池的电极反应如下:

镍氢电池的电极反应方程式

正极

充电:Ni(OH)2+OH—NOOH+H2O+e

过充电:40H—2H2O+O2+4e

放电:NiOOH+H20+e—N(OH)2+OH

过放电:2H20+2e—H2+2OH

负极

充电:M+H2O+e—MH+OH

过充电:2H20+O2+4e—40H

放电:MH+OH—M+H2O+e

过放电:H2+2OH—2H20+2e

总电池反应:MH+NOOH=M+Ni(OH)2

充电时,正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH,水分子在贮氢合金负极M上放电,分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的MHad,再扩散到贮氢合内部而被吸收形成氢化物MHab。氢在合金中的扩散较慢,扩散系数一般都在107~108cm·s1。扩散成为充电过程的控制步骤。

这个过程可以表示如下:

M+H20+e—MH2d+ OH

MHad—aMHab

aMHb—β-MH

MHad+ MHa-—2M+H2

MHad+H2O+e—M+H2+OH

在电极充电初期,电极表面的水分子在金属镍的催化作用下被还原成氢原子,氢原子吸附在合金的表面上,

形成吸附态氢原子MH2d。吸附在合金表面上的氢原子扩散进入合金相中,与合金相形成固溶体a-MHab。

当溶解于合金相中的氢原子越来越多,氢原子将与合金发生反应,形成金属氢化物βMH。当氢原子浓度进一步提高时,将发生氢原子的复合脱附或电化学脱附。

过充电时,由于阳极上可以氧化的Ni(OH)2都变成了NiOOH(除了活性物质内部被隔离的N(OH)2之外),这时OH失去电子形成O2,O2扩散到负极,在贮氢合金的催化作用下得到电子形成OH,也可能与负极产生的氢气复合成水,放出热量,使电池温度升高,同时也降低了电池的内压。负极上由于贮氢合金已吸饱了氢不能再吸氢,这时,水分子在负极上放电形成H2,H2再在贮氢合金的催化作用下与正极渗透过来的氧气复合成水。

放电时,NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2,金属氢,化物(QMH)内部的氢原子扩散到表面而形成吸附态的氢原子,再发生电化学反应生成贮氢合金和水。氢原子的扩散步骤仍然成为负极放电过程的控制步骤。

过放电时,正极上可被还原的NiOOH已经消耗完了(镍氢电池一般设计为负极容量过量),这时H2O便在镍电极上还原

正极(镍电极):2H20+2e>Hz+2OHT

负极(贮氢合金电极):H2+2OH>2H20+2e

这样氢气在镍电极上生成,又在贮氢合金电极上消耗掉。这时电池的电压变成“负”的,即镍电极电位反而比氢电极电位更负,所以也称为反极。

在电池反应中,贮氢合金担负着贮氢和电化学反应的双重任务。

从上面的过程可以看出,在过充和过放过程中,由于贮氢合金的催化作用,可以消除产生的O2和H2从而使电池具有耐过充过放电能力。但随着充放电循环的进行,储氢合金逐渐失去催化能力,电池内压便升高了。为了保证氧的复合反应,消除氧气压力,设计电池时,负极容量过量,电池容量由正极限制。实现电池密封时,才能保证电池的安全。

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