钜大LARGE | 点击量：1475次 | 2021年04月21日
镍氢电池为何能量密度比锂离子电池低四成 还能成为丰田混动的首选？
说到混合动力，除了本田这个后来者外，在国内市场靠谱的就是最早将这一技术带到我国的丰田。显然丰田正是吃了这个甜头，2019年一月，第八代凯美瑞销量达到了19720辆，其中混合动力车型占比为21%。而售价更为亲民的紧凑级车型雷凌，一月销量达26681辆，其中混合动力车型占比也达到了20%。
但关于混合动力汽车，不少消费者依旧存在一个疑问，为何在绝大多数新能源汽车（如特斯拉、蔚来、比亚迪等）都使用锂离子电池，丰田还一味专注于使用镍氢电池？在我们日常使用的生活用品早已使用锂离子电池的今天，使用镍氢电池是否显得过时，这是出厂出于降低生产成本的做法吗？事实上，混合动力汽车使用镍氢电池有着相当大的优势，不仅丰田，包括福特、通用等诸多品牌的混合动力汽车大多选择镍氢电池作为电能的存储介质。
我们日常使用的电压为1.2V一节的充电电池，就是镍氢电池。
1电池千万种，安全第一条
镍氢电池之所以能成为一众汽车的首选，中重要的是其具有无可比拟的安全可靠性能。一方面，镍氢电池电解液为不可燃的水溶液。另一方面，镍氢电池的比热容、电解液蒸发热相对较高、而能量密度相对较低，这意味着即使发生短路、刺穿等极端异常情况，电池温升幅度也不大不会引起燃烧。最后，作为一款较为成熟的电池产品，镍氢电池的产品质量控制难度低，良品率较高。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
截至2014年底，全球超过73%的混合动力汽车采用镍氢电池，总数超过800万辆，这些混合动力汽车在使用过程中，并出现过因电池引起的严重安全事故。而作为商业化混动汽车的代表丰田普锐斯，得益于出色的充放电程序，这些车在使用十年后电池也没有出现明显的寿命衰减。因此，成熟的镍氢电池，是目前最具商业应用价值的电池。
国外有测试人员对普锐斯的电池组进行人为的不断电充电测试，电池组也没有因此而引起严重的安全事故。
2浅充电造长寿命
其次是镍氢电池具有良好的快速充放电性能。混合动力汽车的电池容量都不大，例如最新的第八代凯美瑞双擎，电池容量仅有6.5千瓦时，相比插电混动动辄10千瓦时以上的电量，容量少了一半以上。而由于混合动力系统的工作方式，要不停地对电池进行快速充放电，而在这种工况下，镍氢电池相比锂离子电池更加有优势。
尽管镍氢电池的能量密度只有锂离子电池的60-80%（锂离子电池为100J/m³），但由于镍氢电池的特点对安全保护，温度控制等要求更低，因此无需大体积就能轻松在混合动力汽车上找到自己的容身之所。
混合动力汽车特殊的动力系统，在合理的动力输出策略之下，在行驶过程中一般只会用到电池容量的10%，即使最极端的情况，电池最大用量大概只能是40%。换言之，电池有约60%的电量是永远动用不到，这种称为浅充电的电池管理策略，这关于从镍铬电池改善而来的，电池记忆效应大幅改善的镍氢电池而言，能极大地延长其使用寿命，充放电循环次数可达10000次以上。
美国《消费者报告》曾对调查了超过3.6万位普锐斯车主，得出的结论是，车辆可靠性高，而且使用成本非常低。对此，《消费者报告》用一辆行驶10年33万公里的第一代普锐斯和十年前仅行驶3200公里的第一代普锐斯新车进行相同标准的油耗测试以及性能测试。结果显示，使用了10年行驶33万公里的旧车与新车无论是在油耗性能还是动力性能都保持在同一水平，说明镍氢电池组和混动系统仍然工作正常。
使用镍氢电池的普锐斯混合动力汽车，不少海外媒体对其有着很高的可靠性评价。
从2015年新能源汽车（纯电动与插电式混动）在国内市场开始普及至今，因这类采用了锂离子电池的汽车，在使用一定年限后电池寿命减少，而在冬季低温环境下电量出现明显的衰减，令不少车主在使用中有明显的续航焦虑。而这样的结果，正是锂离子电池的特性造成的。因此，车龄在3-4年的新能源汽车，保值率最高的只有45%，相比燃油车最低的60%（同车龄）低不少。
3环保的电池才能造出环保的汽车
虽然锂离子电池没有记忆效应，但充放电循环次数一般只有600次左右，而且在高电流快充快放以及过充过放的复杂使用环境中，电池寿命大幅下降。另外由于锂离子电池采用有机电解质溶液，低温下电阻迅速增大，0℃下性能已大大衰减，不能满足-10℃下正常使用要求。反观镍氢电池，由于采用碱性电解质水溶液，其工作温度可低至-40℃，因此在冬季，混合动力汽车的动力、经济等性能也没有明显变化。
镍氢电池的成分较少，回收价值高，回收难度小。
最后，由于镍氢电池不含剧毒物质，对环境更加友好。镍氢电池的重要成分为镍、稀土，回收价值高（有残余价值），回收难度小，基本可全部回收再利用，实现材料可持续发展，被称为是最具有环保效果的电池。
反观锂离子电池，回收难度就高得多。锂离子电池自身的化学活泼特性，是其回收的技术路线相当复杂，电池必须先进行预处理，包括放电、拆解、粉碎、分选。拆解之后的塑料和金属壳体可以回收，但代价高昂：因为残余电压仍然高达数百伏（不包括18650电池），并有一定危险性；电池壳体为了安全要，封装为不可自拆卸的形式，打开颇费功夫；另外，锂离子电池正极材料也是五花八门，对回收用的酸碱溶液要求高。以目前的技术，锂离子电池回收无疑是一桩赔本的买卖。
除了上述这些，镍氢电池还有放电特性平稳，放电曲线平滑，发热量小等优势。因此，在电池技术未有重大突破之前，这种能量密度相对较低的镍氢电池，依旧是对电池电量要求不高的混合动力汽车的最佳拍档。
镍氢电池(柱式)是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。镍氢电池正极活性物质为Ni（OH）2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。
由于化石燃料在人类大规模开发利用的情况下越来越少，近年来，氢能源的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。虽然镍氢电池确实是一种性能良好的蓄电池，但航天用镍氢电池是高压镍氢电池（氢压可达3.92MPa，即40kg/cm2），这样的高压力氢气贮存在薄壁容器内使用容易爆炸，而且镍氢电池还要贵金属做催化剂，使它的成本变得很贵，这就很难为民用所接受，因此，国外自70年代开始探索民用的低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。高压镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.Klein和J.F.Stockel等首先研制。用镍氢电池代替镉镍电池并应用于各种卫星上的趋势已经形成。
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镍氢电池正极活性物质为Ni（OH）2（称NiO电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。活性物质构成电极极片的工艺方式重要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式及嵌渗式等，不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异，一般根据使用条件不同的工艺生产电池。通讯等民用电池大多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成镍氢电池。充放电化学反应如下：
正极：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H2O+e-
负极：M+H2O+e-=MHab+OH-
总反应：Ni（OH）2+M=NiOOH+MH
注：氢合金（M）,吸附氢(Hab),反应式从左到右的过程为充电过程,反应式从右到左的过程为放电过程。
充电时正极的Ni（OH）2和OH-反应生成NiOOH和H2O，同时释放出e-一起生成MH和OH-，总反应是Ni（OH）2和M生成NiOOH，储氢合金储氢；放电时与此相反，MHab释放H+，H+和OH-生成H2O和e-，NiOOH、H2O和e-重新生成Ni（OH）2和OH-。镍氢电池的标准电动势为1.319V。
镍氢电池的重要有6大特性：表现工作特性的充电特性与放电特性，表现储存特性的自放电特性与长期储存特性，表现综合的循环寿命特性与安全特性。它们都决定于镍氢电池的结构，表现于所处环境，显著特点是受温度与电流影响巨大。
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1、充电特性：当镍氢电池充电电流增大和（或）充电温度降低时会导致电池充电电压上升。一般在0℃～40℃之间的环境温度下采用不大于1C的恒定电流充电，而在10℃～30℃之间充电能获得较高的充电效率。
假如经常在高温或低温环境中对镍氢电池充电，会导致镍氢动电池性能的降低，关于0.2C以上的快速充电，充电控制措施是必不可少的。反复的过充也会降低镍氢电池的性能，所以，高低温以及大电流充电的保护措施一定要到位。
2、放电特性：镍氢电池的放电平台是1.2V，电流越大，温度越低，镍氢电池放电电压和放电效率都会降低，镍氢电池的最大持续放电电流为1C-2C。
镍氢电池的放电截止电压一般设定在0.9V，IEC标准充放电模式设定为1.0V，因为，1.0V以下一般还可以供应稳定的电流，而0.9V以下还可以供应略小一些的电流，因此，镍氢电池的放电截止电压可以看作0.9V~1.0V的一个电压区间，有些镍氢电池则可以下标到0.8V。一般情况下，假如截止电压设定得太高，则镍氢电池容量不能被充分利用，反之，则容易引起镍氢电池过放。
3、自放电特性：是指镍氢电池充足电开路（无负载）存放时容量自耗的现象，自放电特性重要受环境温度的影响，温度越高，镍氢电池存放后容量自耗就越大。
4、长期存放特性：重要是指镍氢电池的电量恢复能力。经过较长时间（如一年）存放后使用时，镍氢电池的容量可能会比存放前的容量小，但经过几次充放循环后，镍氢电池能恢复到存放前的容量。
5、循环寿命特点：镍氢电池的循环寿命受充放电制度、温度和使用方法的影响。按照IEC标准充放电时，一次完全充放电就是镍氢电池的充电周期，多次的充电周期就构成了循环寿命，镍氢电池的充放电循环可以超过500次。
6、安全性：镍氢电池的安全性能是电池设计中较好的，这固然与其所采用的物质材料有关，也与其结构有密不可分的关系。在使用过程中，假如镍氢电池使用不正当造成过充、过放、短路，而促使镍氢电池内部压力升高，这时，一个可恢复的安全阀将会打开，就能够起到降低内部压力，从而防止电池爆炸的用途。
镍氢电池的用途
（1）电气设备：电力仪表、自动化控制、测绘仪器。
（2）家用便携式：便携式血压、血糖测试仪、多参数监护仪、按摩器、便携式DVD等。
（3）灯具：探照灯、手电筒、应急灯、太阳能灯。
（4）电子玩具：飞机航模、遥控车、遥控船。
（5）电动工具：电钻、电刨、电锯、电批消费性电子产品镍氢电池被普及地应用在消费性电子产品中。
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镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池
低压镍氢电池具有以下特点：
（1）电池电压为1.2~1.3V，与镉镍电池相当。
（2）能量密度高，是镉镍电池的1.5倍以上。
（3）可快速充放电，低温性能良好。
（4）可密封，相对其它电池耐过充放电能力强。
（5）无树枝状晶体生成，可防止电池内短路（柱式型）。
（6）安全可靠对环境无污染，无记忆效应等。
高压镍氢电池具有如下特点：
（1）可靠性强。具有较好的过放电、过充电保护，可耐较高的充放电率并且无枝晶形成。具有良好的比特性。其质量比容量为60Ah/kg，是镉镍电池的5倍。
（2）循环寿命长，可达数500以上。
（3）全密封，维护少。
（4）低温性能优良，在-10℃时，容量没有明显改变。
镍氢电池在使用时应注意维护
（1）使用过程忌过充电。在循环寿命之内，使用过程切忌过充电，这是因为过充电容易使正、负极发生膨胀，造成活性物脱落和隔膜损坏，导电网络破坏和电池欧姆极化变大等问题。
（2）防止电解液变质。在镍氢电池循环寿命期，应抑制电池析氢。
（3）镍氢电池的存放。保存镍氢电池应在充足电后，假如在电池中没有储存电能的情况下长期保存电池，将使电池负极储氢合金的功能减弱，并导致电池寿命减短。
