温度对密封镉镍蓄电池容量的影响
摘要：对GNYZ3蓄电池在1040 ^温度变化范围内，进行了三种不同条件容量的试验。这三种条件分别是充、放电 均在同一温度下进行时，其温度在1040 °C范围内；不同温度充电，放电温度不变（在20 °C进行）；充电均在20 ^进 行，改变放电温度。通过试验验证了密封镉镍蓄电池容量受温度影响较为敏感，充电温度升高，蓄电池容量显著下降， 主要是温度对充电效率影响较大。在(20±5) ^下充放电时电池容量为最佳值，温度高于25 ^容量下降明显。放电时 温度影响虽小，但仍为(20±5) °C时容量最好。同时还发现，蓄电池的容量随循环次数增加而提高，充电电压随温度降 低而升高。
关键词：温度；密封镉镍蓄电池；容量
中图分类号：TM 912.2 文献标识码：A 文章编号：1002-087 X(2007)03-0225-03
Influence of temperature on capacity of sealed cadmium-nickel rechargeable battery
ZHANG Jia-min1，CHEN Jun-long2，ZOU Chao-jun3，LI Liang-zhong3 (1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453003，China；
2. Factory No.134，Xinxiang Henan 453002，China； 3. Factory No.755，Xinxiang Henan 453009，China)
Abstract： The capacity of GNYZ 3 rechargeable battery was tested in three different conditions at temperature from 10 °C to 40 °C. The three conditions： to charge and discharge at the same temperature，and temperature changed from 10 °C to 40 °C ； to charge at different temperatures but discharge at 20 °C ； to charge at 20 °C but discharge at different temperatures. The results show that the capacity of sealed Cd-Ni rechargeable battery is sensitive to the temperature. If charging temperature increases，then the capacity descends deeply. The temperature influences charging efficiency .The optimal temperature is (20 ±5) °C . If the temperature is above 25 °C ， then the capacity des-
cends deeply. Though only a little influence of temperature on capacity in discharge，but the optimal temperature is (20 ±5) °C yet. At the same time， it is discovered that the capacity increases with the cycle time and the charge voltage increases with the temperature.
Key words： temperature； sealed cadmium-nickel rechargeable battery； capacity
根据环境温度、膜厚度对密封镉镍蓄电池容量影响的试 验，为了进一步验证密封镉镍蓄电池充、放电的最佳温度范 围，并弄清蓄电池的充、放电受温度影响的程度，我们对生产 线上的10只GNYZ3 —类电池，经二次练习循环后，作了在 1040 °C范围内不同温度的试验。试验共分三种情况：一是 充、放电均在同一温度下进行，温度从10 °C变化到40 C; 二 是改变充电温度，放电均在20 °C进行；三是充电均在20 ^进 行，不同温度放电。所有充、放电电流均为0.2C。
1试验情况及试验结果
1.1充、放电均在同一温度下进行
温度从10 °C变化到40 °C时的充、放电电压曲线和容量 变化见图1、表1和图2。
-0-15 °C 充电
-■-20 °C 充电 -^-25 °C 充电 -h-35 °C 充电 -*-40 °C 充电 o 15。。充。C 电 20 °C充。C电 —--25 °C 充。C 电
---35。。充。C 电
令40 °〇充°〇电
收稿曰期：2006- 10-09
作者简介：张甲敏（1966-),男，山东省人，硕士，副教授，主要 研究方向为电化学及高分子材料加工工程。
Biography: ZHANG Jia-min (1966—)，male, master, associate professor.
0.9 1-1-1-1-'
0 2 4 6 8
t /h
图1 GNYZ3蓄电池在不同温度下充放电曲线 Fig. 1 Charge - discharge curves of GNYZ 3 rechargerable battery at various temperatures
表1 GNYZ 3蓄电池容黡随温度的变化 Tab.l Capacity of GNYZ 3 rechargeable battery changes with temperature
Ah
1 6 8 9 10
I0±2 3.92 3.92 3.92 3.91 3.81 3.88 3.87 3.9() 3,88 3.90 3.890
4.05 4.08 4.05 4.08 4.00 4.03 3.97 4.03 4.0R 4.00 4.037
20±2 第1次 3.89 3.79 3.819
第20次 4.08 4 09 4.07 4.07 4.1 M J.96 403 4.01 4.040
25±2 3.S1 3.79 3.SI 3•则
30 土 2 3.68 3,66 3.62 3.68 ■V60 3.65 3.71 3.62 3.670
35±2 3.24 3.18 U3 3.09 3.18 3.12 3.20 J.20 3,14 3.180
40 土 2 K02 2.66 2.66 ：.703
Si
35
45
充放电在同-组度F进行 充放电均为l».2C
15 25
e/r
图2 GNYZ 3蓄电池在不同温度下放电容置变化 Fig.2 Discharge curves of GNYZ 3 rechargeable battery at various temperatures
以上结果可以看出：随着充放电温度的升高，电池的容
量有明显的下降，从20 C充、放电到40 C充、放电，电池容量 降低了 31.8%，并且随着温度的升高电池容量比较有规律地 逐渐下降。
1.2不同温度充电20 C时的放电试验
改变充电温度（1040 C)，在同一温度（20 C)下放电 的充、放电电压曲线及容量变化如图3、表2和图4。
0 2 4 6 »
l/h
图3 GNYZ 3蓄电池改变不同温度充电.20 t：放电的充放电电压曲线 Fig.3 Charge-ctischarge curves of GNYZ 3 battery while charged at different temperatures and discharged at 20
由图3可知：充电电压随温度增加而降低，如曲线1在 10 C充电终止电压高达1.65 V，而曲线5的40 C充电的终 止电压只能到1.411.42V。图1中不同温度下的充电曲线 也是如此。
据见图5、表3和图6。
可以看出：放电时温度的变化对密封镉镍电池的容量影 响并不大，但容量的最佳值仍在20 C左右。
1.5 r
Sli♦允故电鞞暈
35
45
15
图4和表2为蓄电池的容量受温度影响的曲线和数据。 再将图4与图2作一比较：可以看出，温度从20 °〇变到40 °C 时(充电温度），蓄电池容量下降的幅度基本相同。也就是说， 蓄电池的容量受充电温度影响较大[1]。
1.3 20 C充电不同温度下的放电试验
20 C下充电，不同温度的放电电压变化和容量曲线及数
2007.3 Vol.31 No.3 226
图4不同温度充电的GNYZ 3蓄电池.20 放电容置变化曲线 Fig.4 Curves of capacity change (or GNYZ 3 battery while charged at various temperatures and discharged at 20 *C
25
ere
图5 GNYZ3蓄电池在20 t：充电.不同温度下放电曲线 Fig.5 Curves of GNYZ 3 battery while discharged at various temperatures and charged at 20
研究与设计
表3在不同放电温度下GNYZ 3蓄电池的容鼉变化 Tab.3 Capacity of GNYZ 3 rechargeable battery changes with different discharge temperatures
Ah
i 3 4 5 6 10
10 ±2 3.96 3.95 3.95 3.94 3.80 3.89 3.86 3.92 3,93 3.91 5.910
15±2 3.95 3.95 3.92 3.94 3.82 3.90 3.81 3.89 3.94 3.85 3.897
20 ±2 4.08 4.09 4.07 4.07 3.97 4.03 3.96 4.03 4.07 4.01 4.040
25 土 2 3.82 3,85 3.80 3.84 3.77 3.80 3.70 3.76 3.87 3-73 3.794
30i2 m i次 3.90 3.78 3.68 3,69 3.65 3.73 3.54 3.57 3.70 3.57 3.AW)
第20次 3.93 3.96 3.93 5.93 3.86 3.90 3.81 3.88 3.95 3.86 3.9(H)
35 土 2 •?.78 .1.86 3.77 3.79 3.S0 3*55 3.69 3.K6 3.69 3.760
40±2 3.78 3.83 3.83 I 3.83 3.70 3.80 3.69
4,5/
5 3；5l 5h率免放电容_
2 00 10 20 50 40 50
ere
me 20 C充电的GNYZ3蓄电池，改变放电温度的容量变化 Fig.6 Curves of capacity changes for GNYZ 3 battery while discharged at various temperatures and charged a! 20
对电池作过充电及容量检验。过充电有两只出气孔漏气；
容量为4.07Ah，该次容量为第26次,比第20次又提高了 0.74%。现将3次20 °C下充放电循环的数据列于表4作一比 较。
表4 3次20 r下充放电循环的数据
Tab.4 Data of 3 charge-discharge cycles at 20 JC
循环次数 第1次 第20次 第26次
20 iCfFW./Ah 3.819 4.04 4.07
比第1次提舟fi分数 5.97% 6.7 ^
2试验结果分析
2.1环境温度对密封镉镍蓄电池容量的影响
从以上三种情况的试验结果来看，环境温度对密封镉镍 蓄电池容量的影响较为显著。从图2和图4来比较，可以看出 改变温度的幅度相同时，容量曲线变化的幅度也基本一致；而 图2与图6比较，则显示了放电温度改变时对蓄电池的容量 没有显著的影响。
按照传统晶体学理论，镍电极活性物质存在四种基本晶 型结构，即 a -Ni(OH)2、b -Ni(OH)2、b -NiOOH 和 g -NiOOH[2]。
正常条件下，镍电极活性物质在充放电过程中为 b -NiOOH与b -Ni(OH)2之间的转化，此过程为：
b -Ni( OH) 2+H2〇=2 b -NiOOH %〇+ H2 (1)
该反应为吸热反应[3]。镍电极在充电过程中吸热，在放电 期间放热。在充电过程中，镍电极除了发生方程（1)的反应外， 还发生方程（2)和方程（3)的反应，析出O2,为吸热反应。
NiOOH+OH-=NiO2+H2O+e ( 2)
4 OH-- 4e—O2+2H2O (3)
温度升高，虽然有利于镍电极活性物质在充放电过程中 为b -NiOOH与b -Ni(OH)2之间的转化，但副反应(2)和(3)也 活跃起来，整体结果使正极氧化镍电极的充电效率下降。
氢氧化镍晶型的转化与温度、晶粒的大小、充放电状态等 有很大的关系。高温时主要是b/b、/g存在于低温状态。镍 电极在40 C上下存在两个Tafel区，很有可能是析氧机制发
生了改变。
综合以上分析，温度对充电效率的影响较大，随着充电温 度的升高，正极氧化镍电极的充电效率显著下降。充电效率和 温度对烧结氢氧化镍电极充电效率有影响。由于蓄电池的容 量是由正极决定的，所以充电时环境温度升高，蓄电池的容量 随之下降的幅度较大。
2.2蓄电池的工作电压较平稳的温度范围
从图1、图3和图5的充、放电电压变化曲线可知，在试 验的温度范围内，以0.5 C电流充、放电，电池的充电电压随 温度的下降而上升，如在40 C充电终止电压只能充到1.41‰1.42 V,而10 C充电时的充电终止电压则高达1.65V。另外， 电池的充电电压还随循环次数的增加而升高，例如第1次充 电终压为1.476 V,到第20次就达到1.544 V(同为20 C)。从 以上试验结果还可以看出，蓄电池的工作电压也就是在(20 土 5) C范围内较平稳。
2.3充放电循环次数的增加有利于容量逐渐提高 以上试验中还显示出随着充放电循环次数的增加，电池 的容量也逐渐提高，如表4数据所示。在20 C充电30 C放电 时也作了两次，中间相隔10次循环，提高了 6.56%(第1次为 40 C充电后紧接着做的，结果可能偏低）。分析认为：电池正 极的基体为镍粉，经烧结后Ni没有完全被还原，在电池经过 多次充、放电循环后，Ni基体被活化，参与了电化学反应。所 以循环次数增加，电池容量提高，直至容量达到额定容量的 136%。
3结论
(1)密封镉镍蓄电池对温度比较敏感，主要是充电时受 环境温度的影响较大，放电时也受环境温度影响，但影响微小。
(2)密封镉镍蓄电池的容量在(20±5) C有最佳值，且容 量稳定，工作电压也较平稳。
(3)密封镉镍蓄电池容量分类及过充电应保持在同一条 件下（20±5) C进行，以保证密封镉镍蓄电池的性能一年四季 都能稳定。
参考文献：
[1]宋清山，陆跃州.温度对碱性蓄电池充电接受能力的影响[J].电 池工业，2003，8(4): 151—153.
[2]袁安保，张鉴清，曹楚南.镍电极研究进展[J].电源技术，2001，25 (1):53—59.
[3]李相哲，许玉林，丁干.碱性蓄电池的热效应[J].电池工业，2002， 7(2)： 64—68.
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