摘要：介绍了一种双极性氢镍电池，由双极性电堆和储氢罐通过有阀门的氢气管道连接在一起。由于正、负极活性物质的分离和电堆的双极性结构，不仅提高了负极活性物质的灵活性，如可以采用储氢密度更高的合金材料、还可以用高压氢气瓶；还可以避免电池内部的自放电，提高电池的比能、比功率和寿命。该电池应用于电动车辆时可以以车辆的结构件为电池的高压储H2容器，相当于电池的比能增加了一倍，车辆有更大的续航力。

一、双极性氢镍电池的设计思想

综观电池的发展历史，人们往往更加关注开发新的电池体系以获得更好的电池性能，可能忽略了对既有的电池进行结构改进也能达到同样的目标。相对于正负极分开的传统电池结构，双极性结构对一次电池和二次电池都具有无可比拟的优势。但双极性结构除了在燃料电池与液流电池中得到应用，研究最多的就数铅酸蓄电池了。由于一直找不到合适的双极板材料，双极性铅酸蓄电池的进展不大（不过，即使有符合要求的材料，对提高铅酸蓄电池的比能也是有限的，而且与代价相比得不偿失。铅酸蓄电池的优点不在比能）。因为双极性基板要求惰性、耐腐蚀、导电性好、析氢析氧过电位高，这样的要求在铅酸蓄电池环境中几乎是无法满足的。但对于碱性电池来说，满足双极性基板要求的材料很容易得到，因此双极性电池研究的重点应该是碱性电池，而在碱性电池中最值得研究的就是氢镍电池了。

氢镍电池是二十世纪80年代以来在镍镉电池的基础上发明的一种新型蓄电池，它的比能比镉镍电池大幅度提高，但没有镉的污染、基本消除了记忆效应，因而一时得到了广泛的应用。但是，氢镍电池的自放电大，寿命比镉镍电池大幅度缩短（约500~1000次），使它的发展受到了制约，除了在作为少数动力电池（电动汽车）外，它几乎被后来的锂离子电池所取代。

氢镍电池的优点和缺点，都是由于其储氢合金造成的。即储氢合金在碱性电解液里的不稳定造成了电池的自放电严重；储氢合金在碱性电解液里的腐蚀、粉化和结构破坏造成了电池寿命的缩短。如果能够把储氢合金从电池的内部转移出来，那么氢镍电池面临的问题就可以迎刃而解。

把储氢合金从电池的内部转移出来的办法是，把电池设计成双极性结构，电池系统由双极性电堆和储氢罐通过有阀门的氢气管道连接在一起。电池本体部分，以镍板或镀镍钢板为基板，一面是正极活性物质NiOOH，另一面只有凹进的流道作为H₂进出的通道；作为催化剂的雷尼镍或雷尼银与隔膜复合在一起；整组电池按燃料电池的方式组装成电堆，正极部分留有灌注电解液的通道，负极部分留有H₂进出的通道，该通道通过管路接到外面的储氢罐。管路上有电磁阀控制，当电池搁置时阀门关闭，H₂不能进入电池本体发生反应，这样电池的自放电就受到控制；由于储氢合金不与碱性电解液接触，因此就不存在腐蚀和粉化的寿命问题，这样电池的寿命就只与正极有关。根据镍正极在不同类型的电池如镉镍电池、铁镍电池里的使用经验，即使100%DOD循环，它也能使用5000次以上。对于储氢合金，由于与碱隔离，也可以不受限制地使用储氢密度更大的储氢材料，还可以直接用高压氢气瓶替代，即使发生了什么问题，也可以方便地替换。

二、双极性氢镍电池的制造

根据以上原理和设计思想，双极性电堆由端板、双极板、催化剂和隔膜的复合膜、正极框等组件构成，具体的制作方法举一例如下：1、以矩形镍板或镀镍钢板为基板，见图1，厚度在1㎜以下，其中一边有引流的极耳，用于电池的终端引流和化成接线；除用于终端引流的两片外，其余的极耳在化成完后可以剪除；基板的一面保持必要的粗糙度以利于正极活性物质的粘结；通过机械冲压的方式在其光洁的一面一次完成H2流场的加工，并同时冲出用于H₂流通的孔和周遍用于装配螺栓的孔，数量和尺寸根据电池的大小确定。2、用塑料注塑的方式加工正极框，其长宽尺寸与基板一样，厚度与正极活性物质的厚度相等；在正极框的一角有用于H₂流通的孔，孔的位置与基板上H₂流场的进出口对应；正极框的框梁上有相应的螺栓孔；正极框的一个侧面留有注液孔，见图2。3、在基板粗糙的一面用激光焊接正极框，形成复合双极板，见图3；在正极框的范围内涂覆正极活性物质，固化干燥后用陪板（不锈钢板）完成化成，干燥。4、制造雷尼镍或雷尼银作为催化剂，印刷或复合在大小与正极框内腔尺寸一样的隔膜上，形成二合一膜，见图4，膜上的相应位置也有H₂孔。5、用厚一些的镍板或钢板制作端板，厚度要满足装配强度要求；其中负端板的内侧有H₂流场。6、装配：按负端板、二合一膜、复合双极板、二合一膜、复合双极板……复合双极板、正端板的次序在装配螺栓上摆放各组件，见图5，摆放完后用螺母紧固，然后用激光把塑料与金属的交接面焊牢，保持密封。否则，得在塑料和金属之间加橡胶密封垫圈或在塑料边框上刻槽镶嵌O型密封圈。7、单独制作储氢合金罐，或高压罐并注入H₂，把氢罐用带电磁阀的管道与电池本体连接起来，见图6。8、用真空注液机对电池本体定量灌注碱性电解液，然后封闭注液孔。至此即完成电池的生产，打开阀门电池即可放电，然后充电；在电池不进行充放电时，要关住阀门，目的是为了控制自放电。

正极的制作也可以采用烧结的工艺在背面刻有流场的镍板上连续进行，完成烧结后裁剪成双极板，刮掉两侧多余的活性物质，焊上正极框，然后组装成电池。当然，电池还有其它制造方法，详细情况见专利文件。

三、电池的性能特点

由于双极性的结构，电池省略了大量的内部连接件，电池的内阻大幅度减小，电池的比能比功率会得到进一步的提高；电池的每一片极板、每一片极板的每一个地方电流密度都相等，而且即使大电流放电电流密度也会很小，这样电池就不会产生不均衡的问题，电池的可靠性和寿命会得到进一步的提高。这样的氢镍电池，特别适合电动车辆和大规模地储能应用。用于电动车船时，电池直接设计成与电机的电压等级相匹配。用于储能时，可用多个电堆并联，但共用一个储氢罐。

这样的氢镍电池，实际上是一个碱性半燃料电池，不同的是用镍电极代替了氧电极，相对于氢氧燃料电池，其优点是：1、电极极化小，电池电压更高（1.2V〉0.8V）；2、不需要使用贵金属催化剂，没有成本和资源的约束；3、可以使用廉价的金属双极板，节约了成本，提高了可靠性；4、不必使用昂贵的质子交换膜；5、没有复杂的水管理和热管理，控制相对简单。

当然，该电池的优点远不止这些。我们可以通过和现有电池的比较进一步论证。

比较以下各种碱性二次电池，特别是以NiOOH为正极的电池，如镉镍电池、铁镍电池、锌镍电池、金属氢化物镍电池等，它们的循环寿命分别为2000周、4000周、500周、1000周，就可以发现一个有趣的现象，这些电池的循环寿命都是由负极决定的，负极寿命长，电池寿命就长；负极寿命短，电池寿命就短；而且电池的其它性能如自放电（负极活性物质的析氢过电位决定了自放电的大小）、记忆效应、短路等也由负极决定。这是因为，正极活性物质NiOOH在循环过程中，只有H＋或质子在嵌入或嵌出晶格，由于其尺寸太小，无论进出都不足以对正极活性物质结构造成破坏；而且，不论放电电流的大小，正极的容量输出几乎不受影响。因此，NiOOH正极的寿命几乎是永久的，或者进一步说，只要负极的结构不发生变化，电池理论上的寿命也是永久的；而解决负极寿命问题的办法是使用H2作为负极活性物质，由于它没有固体结构，因此不存在结构破坏的问题，电池的寿命问题就迎刃而解，同样的原理也可以应用于以Ag2O和AgO为正极的碱性二次电池。

其实，高压氢镍电池美国早有开发，并利用在可靠性要求非常高的航天器上。我们可以举例说明该电池的性能特点。

例如哈勃望远镜，安装了6组高压氢气镍电池，每组电池2个模块，每个模块由3个88AH电池组成。电池组随哈勃望远镜于1990年升空，每天都要循环几十次，原计划使用18年，但由于美国航天飞机的故障导致哈勃望远镜的维修延迟，电池实际上不间断地工作超过了19年。

国际空间站是ISS迄今为止人类建造的最大航天器，它也使用高压氢气镍电池作为工作电源，由38个81AH的单体电池组成，计划按35%深度放电，每天循环16周期。从1998年升空以来，它事实上已经使用了16年。按有关当局的计划，ISS一直工作到2020或2028年，如果电池不更换，可使用30年之久。当然，近年来，航天器也开始使用锂离子电池，但与地面使用一样，它们的容量通常只在20AH以下，寿命也没有这么久。

太空用高压氢气镍电池由于电池置身于高压氢气罐中而有严重的自放电，由于在天空使用时，电池的充放电非常规律，因此对电池的正常使用没有太大的影响。但如果是地面使用，电池不可能如此规则地运行，因此电池严重的自放电将令人难以忍受。

本文介绍的电池保留了太空用的氢气镍电池的优点，并对其缺陷进行了改进，把H2置身于电池本体之外的H2罐，通过阀门就可以控制电池的自放电，另外H2的储存方式也不受限制。此外，电池本体采用双极性结构，其比能进一步提高了。还有一个优点对于它的大规模使用非常有意义，就是电池可以很方便地大型化。我们知道，现有的金属氢化物镍氢电池容量不能做得较大，因为有电池内部压力过大的风险。

四、电池的应用方向

除了在可靠性和寿命要求非常高的太空领域应用外，氢镍电池还成功地应用在千呼万唤的电动汽车EV或HEV上（我们知道，电动汽车之所以难以实现，主要源于电池的比能、寿命、安全性、价格等因素的制约），最显著的例子就是日本丰田公司的普锐斯HEV，它几乎是现代日本唯一值得夸耀的产品。普锐斯HEV已经成功地商业化，而且已经推出了三代产品，而它成功的关键在于氢镍电池。相反，其他公司集中火力猛攻的锂离子电池，其优越的性能至今仍然是美丽的传说。但是，普锐斯HEV使用的氢镍电池实际上是金属氢化物镍电池，要使用昂贵的稀土金属材料，电池的循环寿命有限；电池也不能做得过大，所以2000年版的普锐斯装了228只电池，每只电池只有6.5AH的容量。因此丰田公司的氢镍电池，无论是比能、寿命、还是成本，都无法与本发明的氢镍电池相提并论。

在电动车辆中使用时，由于电池采用了双极性结构，如果不计H₂罐的重量，电池本体的比能可以达到150WH/㎏以上（现有的金属氢化物镍电池比能为70WH/㎏，本发明的电池里负极没有储氢合金作为活性物质，故总的活性物质重量可以减半，再加上双极性结构对比能的贡献；同理电池的体积比能也能得到同等幅度的提高，因此电池的没重量更轻，体积更小）。之所以这样计算，是因为H₂罐可以由直径10~20㎝左右、长度200~400㎝左右的无缝钢管制成，装配在汽车底盘两侧或周围，作为汽车的结构件使用（见图7和8），使汽车更为坚固。罐内直接填充H₂即可（压力罐储H₂已经是一项成熟的技术），不必使用昂贵的储氢合金，这样可以避开使用稀土元素，不受资源约束。电池的主要原材料为镍、铁（不锈钢）等，没有污染，廉价易得，电池的价格可以降到和铅酸蓄电池相当的水平；而且电池比任何其它电池都要坚固耐用。罐内直接填充H₂还有一个好处，就是电池的荷电状态随时可以通过压力传感器进行精确计量，完全满足车辆能量管理的需求，这是现有的任何其它二次电池都无法实现的（包括普锐斯HEV使用的氢镍电池也不能）。罐内H₂的压力根据现有技术的成熟度从150atm到750atm都可以，不必太大但以小一些为益，更不必使用液H₂，这样可以增加系统的安全性和可靠性，减少不必要的压缩机和制冷机动力。如果制造纯电动汽车，按电池的比能，EV每充一次电可以行驶 220km以上，这时如果储H₂罐为2根，内径10㎝，长度为400㎝，罐内H2的压力达到150atm即可满足要求。更重要的是，电池的寿命足够长，EV寿命周期内不必更换电池。

如果车上配备同样长寿命的发电机如斯特林发动机作为增程器（斯特林发动机效率更高、寿命更长、可靠性更高、燃烧更充分、噪音更小），这样汽车的续航力可以达到500km以上，油耗可以达到40km/L。假设现有汽车的平均行驶成本为0.75元/km，汽车的行驶寿命为10年100万km，则整车在寿命周期内的燃油成本为75万元；而以上混合动力汽车相同时间内的燃油成本只是前者的1/4，即使电池的成本达到锂离子电池的水平，30万km节约的燃油成本也能收回购车时多余的支出，且不谈环境方面的效益。但实际上，由于汽车的结构得到加固，电池和发动机的寿命更长，整车的寿命可以达到30年以上(和普通的机电产品如永磁电机的寿命相当)，是现有汽车的3倍，而车辆的制造成本和现有汽车相当，这是因为电池的成本可以大幅度下降。

该电池应用于电动自行车和电动摩托车时，作结构件用的车架同时也作为储H₂的容器（见图9），从而使整车的重量减轻，充一次电行驶的距离是使用铅酸蓄电池产品的5倍，寿命在10倍以上，且更为环保。其余与电动汽车类似，这里不再赘述。

谈一谈该电池在储能领域应用。无论是太阳能、风能发电，还是提高电网效率与质量的调峰调频，储能电池都大有用武之地。储能电池是固定使用，规模庞大，因此比能不是制约性指标，而电池的寿命和成本才是关键因素，因为它们关系到储能电站是否能赢利，这也是目前储能电站得不到快速发展的原因所在。通过上文对氢气镍电池的分析，可以看出它完全满足储能电池的要求。建设和运行时，可以成百上千个电池本体公用一个大型的储氢罐，这样成本可以进一步下降。