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SANYO 低自放電3號鎳氫充電電池第九次使用

Yes!, SANYO低自放電3號鎳氫充電電池終於在2011/07/12 11:15沒電了,從2011/06/20大約下午一點時使用到現在,小計23天,這跟上次的21天,感覺差不多,電池的效力還是可以在20天以上,算是不錯,SANYO的能耐到底怎樣,我們再拭目以待吧!

最近找到了有鎳氫電池的製造資訊,ㄚ琪很好奇地大概看一下,覺得滿有趣的,有詳細的製造程序,還有介紹國內一些廠商目前的境況,看起來這麼厲害的電池還是日本人的天下,國內如果有人願意開始作這方面研究,倒是可以做為未來的工作,不過應該要很拼,才能打倒日本吧,而且倒是售價搞不好可以便宜一點,所以轉貼三民國中安童老師的佳文如下:

鎳氫電池的設計源於鎳鎘電池,但在改善鎳鎘電池的記憶效應上,有極大的進展。其主要的改變,在以儲氫合金取代負極原來使用之鎘,因此鎳氫電池說是材料革新的典型代表。1982 年美國 OVONIC 公司請求儲氫合金用於電極製造之專利,使得此一材料受到重視,繼之為 1985 年荷蘭飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電過程中容量衰減的問題<終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有 8 家以上鎳氫電池製造廠,德國,美國,香港,台灣亦有鎳氫電池生產,市場反應良好。而且鎳氫電池所造成之污染,會比含有鎘之鎳鎘電池小很多,因此,目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代.

〔 圖一 〕鎳氫電池,此型式之電池被宣稱具有鎳鎘電池三倍之電容量

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〔 表一 〕鎳氫電池特性及其應用領域

資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計劃整理



鎳氫電池是鎳鎘電池與儲氫合金技術所衍生出較高能量密度的二次電池。儲氫合金在氫氧化鉀電解液中充電時,合金表面進行電化學反應。脫離水分子的微小氫原子在合金表面移動,進而擴散溶解於合金內,並與合金反應生成金屬氧化物,同時釋出反應熱。綜合充放電反應可以下列化學式表示:

正極反應

Ni(OH)2 + OH <—–> NiOOH + H2O + e

負極反應

M + H2O + e <—–> Mhab + OH

電池反應

Ni(OH)2 + M <—–> NiOOH + MHab

M:儲氫合金 Mhab:金屬氫化物

鎳氫電池之組成材料一般在鎳鎘電池中已長期使用,因此技術發展多屬產品物理性質或製程改良,較少有種類上之變化。因而鎳氫電池性能改良之重點,落在儲氫合金材料。


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〔 表二 〕鎳氫電池主要構成材料組成〔1200 mA, 1000 個, 總重量 23 kg〕

資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計劃整理


正極:
鎳氫電池正極活性物質為氫氧化鎳粉末,此材料用於電池已有百年歷史,更已經多次品質改良,因此相關之製造方法很多。不過,依各廠商製程不同,最終所得產品品質迥異。目前市場所使用的材料以球型結構之高容量氫氧化鎳品質最佳。此乃導因於鎳電極之製作已從鎳鎘電池之燒結式極板,轉變為黏結式鎳極,因而可促使電容量大幅提昇,相對搭配之氫氧化鎳材料也要求更高之電容量。

常見品質要求的指標除電容量外,組成成分分析、形狀、晶型、粒徑及密度都相當重要。鎳氫電池所使用之氫氧化鎳,一方面要求其純度,一方面又與其他金屬共沈澱作為改質之用,常使用的鈷有提高電流放電活性的功能,而鋅與電極膨脹率有關。當氫氧化鎳本身密度越高時,單位體積的電容量可更高,而均勻的球型取代不定型氫氧化鎳,可使粉末流動性良好,易於填充。另一方面由於材料之間的空隙減少,也可提高在有限體積內之材料的填充量,進而使電池有更好之性能。

負極:

負極儲氫合金為影響鎳氫電池性能之關鍵所在,其主要構成為兩大類金屬共同熔煉所得。A 類表強吸氫能力金屬如 Mg,Al,Ti,V,La 系金屬。B 類則為具觸媒能力之過渡金屬元素,如Fe,Co,Ni,Mn,Al,Cr,V等。曾被開發出來之多元素多晶相儲氫合金,大致分可AB5,AB2,A2B 及 AB 系列合金。AB5 系列合金為目前市場佔有率最高者,其中MmNi 3.55 Co 0.75 Mn 0.4 Al 0.3 的比例最為常見。Mm 意指稀土金屬,主要含有 La,Ce,Pr,Nd 等強吸氫元素,又稱為 mischemetal。

因為 AB5 系列合金製成較容易控制,成本也較低,市場佔有率高達 95 %。不過此材料電容量之發展已達接近瓶頸階段,反而是 AB2 系列合金,由於具有較高之理論電容量,部份業者特別針對此系列開發,其中則以美國 Ovonic 公司為代表。

基本上,儲氫合金要作為一個良好的電極材料,主要應具備之特性如下:

1. 在使用溫度及低壓限制下有良好的吸放氫能力。

2. 具優良的電化學反應觸媒能力。

3. 抗氧化及抗腐蝕性能。

在合金製作時,各元素成分的比例對電池品質有絕對性之影響,如 Ni,Co,Mn,Al,Cr 等元素組成,多用以改進合金性能,而合金粒徑需控制在 100μm下。

目前合金粉碎的方法乃採用吸氫後體積膨脹,放氫後自然粉碎的方式。再藉由溫度與壓力控制獲得所需之粒徑分佈。為了增加儲氫合金之導電度,最後產品常添加碳粉。而表面以化學方法包覆銅處理則對材料之循環有良好之改善。

基版製作:

極電材又稱為基材或基板。負極一般為鍍鎳鐵網,而正極則以純鎳為主。此乃因為在鎳氫電池極版製作時,為使正、負極之電容量有適切之搭配,特別在正極基版上所做的改良。因過去鎳鎘電池正極基版所使用之鍍鎳鋼板,孔隙度只能達 80 % 左右,無法再提高氫氧化鎳活性物質的填充量,故難以高容量化。

反觀鎳氫電池負極所使用之儲氫合金,本身即擁有良好導電度及電容特性。正、負極材料差距過於懸殊,因此需藉由基材的改良來調整。目前市場上使用之正極基版主要有海綿狀的發泡鎳網和纖維狀基版兩種。
發泡鎳網與纖維狀基版之孔隙度可達 95 %,故可大幅提高活性物質之填充空間,並可減少電池體積及重量。纖維狀基版之製法相當多,其中一種是用細徑鎳金屬纖維與木質纖維材料混合打漿製成。發泡鎳網則是 PU 發泡體以化學浸鍍法鍍鎳,再以高溫去除有機物。新型基材的使用明顯提升電池能量密度與放電功率,在價格上也較高。

隔離膜:

鎳氫電池隔離膜與鎳鎘電池同樣是採用尼龍不織布或 PP 不織布,但尼龍不織布於鹼性電解液中亦有解離物,鎳氫電池製作時較少使用,目前約 90 % 以上皆採用 PP 不織布。用作電池隔離膜之基本特性,至少有下列要求:

1.在強電解液中具抗腐蝕性。

2.多孔隙以便於離子傳導。

3.對電解液之吸附力。

4.具電絕緣性以防止正負極間漏電或短路。

關於孔洞大小,實用上以 20μm較普遍,假若孔洞太大可能因正、負極活性物質粉末掉粉而接觸,孔洞過小則影響透氣率,進而影響電池內壓。此外,孔洞之分布需力求均勻。而電解液之吸收僅需達最適吸收量即可,過多過少皆不適宜。反而是電解液吸收的速率,將間接影響電池製程之快慢。

目前使用於鎳氫電池之 PP 不織布,因機械強度的問題,其厚度必須在 0.1mm 上,一般常見為 0.12~ 0.13mm 左右,比起鋰離子二次電池所用之薄膜厚了很多,為提高鎳氫電池之電容量,隔離膜之薄化為目前最重要之課題。關於不織布之厚度,雖可經由纖維密度下降而變薄,但其機械強度也會跟著下降。又空隙率若上升,因纖維表面積減少,電解液之液性也會降低,且不易維持孔洞之均勻性。為了克服上述之缺點,目前隔離膜製造廠商則應用超細纖維技術開發出超細纖維不織布,供應鎳氫電池製造使用。

〔 圖二 〕左為圓柱型鎳氫電池基本結構,右為方形鎳氫電池基本結構



〔 圖三 〕市售氫氧化鎳製造流程

〔資料來源:廠商提供〕


〔 圖四 〕儲氫合金一般製作流程

〔資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計劃整理〕


〔 圖五 〕發泡鎳網之製作流程

〔資料來源:工研院化學工業研究所 ITIS 計劃整理〕



在電池使用或保存上,基於安全考量下,必須有幾項使用限制及注意事項:

1. 禁止加熱或焚化電池。

2. 禁止直接焊接電池。

3. 禁止拆解或修改電池。

4. 禁止破壞正極端或鎳罐。

5. 充電時使用合於規定的充電器。

6. 當電池外觀有異常時,請勿繼續使用。

7. 當電解液接觸皮膚時,必須立即洗去。當電解液接觸眼睛必須

以清水大量沖洗眼睛,並立即送醫。

8. 不可使電池短路。

9. 不可削去電池外皮。

10. 不可投擲、撞擊電池。

11. 使電池遠離嬰幼兒可接觸的地方。


〔 圖六 〕鎳氫電池廣泛應用於各種電器用品


如〔 圖九 〕所示,鎳氫電池已被廣泛應用於各種電器用品,諸如:行動電話,手提式攝影機,筆記型電腦,數位相機,PDA,CD player。而未來則有可能應用於電動自行車,電動機車,電動車等。由於鎳氫電池的體積及重量,及性能表現上大幅優於先前之鎳鎘電池等。其佔有率在現階段已經相當大。

在現代的生活中,可攜式個人電子設備,漸漸普及化。可想而知,在這個潮流中,扮演能源供應者角色的電池,佔有舉足輕重的地位。談到可攜式,一般可攜式設備體積及重量不可過大是必備條件,同樣道理,電池本身的體積和重量一樣將被嚴格的要求。而鎳氫電池正是這樣的產物,鎳氫電池具有較鎳鎘電池高之體積容量密度及重量容量密度,而且鎳氫電池所造成之污染,會比含有鎘之鎳鎘電池小很多,因此,目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代。

在國內方面,由於通訊市場開放,再加上資訊產業的蓬勃發展,創造了龐大商機刺激一連串相關產品的需求成長,電池正是此種強烈需求背景下的產物,而鎳氫電池的輕,薄,短,小以及高容量的優異性能,與新式電子產品的發展可說相得益彰,也在無形中創造高度的附加價值。

雖然目前鎳氫及鋰離子二次電池,沒有強制回收的法令。但在電池使用量激增,天然資源有限下,回收電池勢在必行。同時也是兼顧環保與來源材料的另一途徑。

以小型鎳氫電池回收製程而言,物理性分離可依循電池回收製成的模式,主要先經過濕式粉碎,再經鹼液及水洗,最後篩分出儲氫合金,正極活性物質,鎳鐵金屬粗粒子,塑膠四大類。在鎳氫電池構成材料中,尚含大量鈷,鎳成分,可經進一步的分離再區分出,而後續的化學精練過程,則是回收製程中目前急待開發的技術。

根據相關評估報告指出,以日處理量 10 萬個電池來分析處理業者之回收成本(包括分類費,運輸,人事費等),雖然會依各家分類方法而異,但根據鎳鎘電池回收經驗估計,每個小型鎳氫電池回收成本為 2 日圓,大型鎳氫電池回收材料成本僅需小型電池 1/10 以下。預估將來大型電池的回收將具有經濟價值,針對貴重材料在精製也就成為值得開發之技術。

全球部分:

雖然目前美國,德國,台灣,大陸及香港都有廠商投入鎳氫電池之製造,但日本仍佔有 95% 以上之產能,且由松下,,及東芝三家寡占市場。 由於全球鎳氫電池之生產,多數被日系廠商掌握,相對電池之製造供應也都以日商為主。

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〔 表三 〕鎳氫電池材料主要供應廠商


國內部分:

目前國內生產鎳氫電池的廠商,包括亞太公司、華新科技、耐能及台達/湯淺。

1.

亞太公司為台塑集團的轉投資公司,以研發生產電動汽車用的鎳氫電池為主,與其他幾家以生產小型規格的環保電池為主的公司,在應用市場上,有所區隔。亞太公司也是現有的環保電池廠中,設立時間最晚的( 1996 )。其所擁有的技術、設備均為外購,主要技術來源為美國,故其合金系統採用的是美國 OBC 公司的專利(AB2)﹔但其在生產技術,材料、設備自製能力及材料、設備採購能力方面都被同業認為有相當的實力。

2. 華新科技

於 1995 年籌設,技術來源同樣從美國來,因此合金系統也採行 AB2。技術及設備來源也都是外置;生產小環保電池以 AA 及 Long-A 為主。不過華新科技並無材料、設備的自製能力﹔同時在採購能力及生產技術方面,仍待摸索中。

3. 湯淺/

於 1994 年設立,為一合資企業,日本湯淺握有 51 % 的股權。目前每日產量約為 2 萬顆電池,預計年產量為一千萬顆;共生產三種規格 AA,AAA 及 Long-A。由於與湯淺合作的關係,因此可使用湯淺所擁有或購買的專利。基本上台達希望藉在鎳氫電池上所能模仿到的自動化生產及設計能力能夠順利移轉到未來鋰離子電池的製造。也希望在研發上,能有自製能力,擺脫股權、技術受控的陰影。目前已漸漸在材料、設備上朝向自製發展。不過由於受限於技術掌控在湯淺的手中,研發及量產能力還是受到侷限。目前仍處於虧損階段。

4.

耐能於 1994 年設立,主要以擁有自己的技術團隊起家。目前的合金系統採用荷商飛利浦 AB5 的專利。目前每日產量為 1 萬顆;預估每年產量為 3 百萬顆。主要產品規格兩種,AA 及 Long-A。由於這是一個由宏碁電腦、光陽、中華開發所合資組成的經營團隊事業,不像其他競爭者有母公司的資金支援,因此在辦理資金籌募上相當困難;但由於二次環保電池產業期初需要不斷的資金投入,維持其研發、製造的能力累積。由於廠商間的利益衝突,及環保科技電池製程、良率的不確定性仍相當高;因此目前耐能所擁有的技術團隊產生變動,量產能力不足。

好了,現在換 GP 超霸充電池高電力鎳氫(NiMH)電池用用看,看能否有機會打敗SANYO,讓曲線上衝一下,如果可以,嘿嘿,那還是買GP的好了,不是嗎?比耐力就要花時間試,所以之後請繼續追蹤ㄚ琪SANYO 低自放電3號鎳氫充電電池這系列的使用報告吧!

鎳氫充電電池評比表更新了,歡迎查詢!

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