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北半球的能源材料
老師：蘇順發
姓名：林庭立
學號：M9840221
報告大綱
一、前言
二、鎳氫電池之一般反應
三、正極材料
四、 α-Ni(OH)2為活性材料的正極反應
五、 β-Ni(OH)2為活性材料的正極反應
六、 Ni(OH)2正極性能之改進
七、結論
八、參考文獻
前言
隨著環保意識的抬頭，為避免鎳鎘電池中鎘
有害物質的污染，在1990 年代發展出鎳氫化
物電池（簡稱鎳氫電池，Ni-MH，nickelmetal hydride battery）。
近年來，更由於可攜式電子產品推陳出新，
並朝著輕薄短小的方向發展，新型電子產品
市場對於高功能二次電池的需要日益增加，
鎳氫電池及鋰離子二次電池因其高能量密度、
高充放電容量而備受注目。
鎳氫電池之一般反應
正極反應： Ni(OH)2 + OH-
充電
放電
NiOOH + H2O + e-
充電
負極反應：
電池反應：
M + H2 O + e-
放電
MHab + OH-
充電
Ni(OH)2 + M
M：儲氫合金
放電
NiOOH + MHab
MHab：金屬氫化物
鎳氫電池在充、放電的過程中，只有吸放氫的反應，
而無金屬的析出與沉積，電解液的水分不會被消耗，
因此具有高穩定、充放電特性優良及壽命長等優點。
正極材料
氫氧化鎳作為鎳鎘電池、鎳鋅電池、鎳氫電池等之正極
活性材料已有百年的歷史，它屬於六角形的結晶結構圖
2.3(a)，並以α及β兩種型態存在於自然界中。
圖
2.3(b)為α-Ni(OH)2結構示意圖，當正電荷層脫水，陰離
子轉變成OH-離子後，層間距縮短為4.6埃，此即轉變為
β-Ni(OH)2的基本形態。氫氧化鎳因其不同結晶形態而
產生不同的電化學反應，
在進行充電時，α-Ni(OH)2 及β-Ni(OH)2分別轉變
成γ-NiOOH及β-NiOOH，整個充放電的反應過程
如下所示：
充電
放電
熱鹼中
過充電
充電
放電
α-Ni(OH)2為活性材料的正極反應
α-Ni(OH)2在水或KOH溶液中浸漬一段時間後會自
然轉變成β-Ni(OH)2，失去原有的性質。但由於γNiOOH的平均氧化態為3.5，當進行
αNi(OH)2/γ-NiOOH反應時，每單位活性物質的電
子轉移量為1.5，比β-Ni(OH)2/β-NiOOH反應的電
子轉移量高，因此以α-Ni(OH)2作為活性物質之鎳
極，有較高的理論電容量。
β-Ni(OH)2為活性材料的正極反應
以β-Ni(OH)2作為正極活性物質是最常見的，主要是因
為β-Ni(OH)2在水或KOH溶液中結構很穩定。
βNi(OH)2在充電後會變成β-NiOOH，若過充電則轉變為
γ-NiOOH，而γ態的過氫氧化鎳經放電後，再轉成αNi(OH)2。由於γ-NiOOH的密度比β-NiOOH 小。
因此會造成電極膨脹的現象，輕者使活性物質和導電網
的距離增加，嚴重時則可能使活性物質從基板脫落，降
低活性物質的利用率，也使電極的壽命降低。
由下表，鎳電極充放電後的體積變化比率可知，鎳電
極在未過充電的狀況下，體積變化約18%，然而過充
電後，充放電過程的體積變化量高達66%，可見重複
過充電會對鎳電極的結構造成很大的傷害。目前可利
用添加鈷或鋅的方式來改善電極膨脹的問題。
Ni(OH)2正極性能之改進
對電極有正面幫助的物質通稱為添加劑，相對於添加
劑，對電極有不良影響之物質通稱為雜質。目前，提
升電極性能最有效且最簡單的方法即是在電極中加入
添加劑。添加劑依其性質可分為兩大類：
(1)導電度促進劑（conductivity enhancer）：
此類添加劑主要在於提高鎳正極的導電度，金屬或金
屬氧化物都可以作為增加鎳正極導電度的物質。
(2)功能促進劑（performance enhancer）：
這類添加劑可提升鎳正極的充電特性，如降低電極膨
脹程度或自放電率。鈷添加劑一般而言，鈷的添加對
氫氧化鎳電極性能之增進最為顯著，添加鈷的形式有
金屬鈷、CoO等。
結論
鎳氫電池的正極活性材料為氫氧化鎳粉末，此材料
用於電池已有百年歷史，更已經過多次品質改良，
因此相關製造方法很多。
由於鎳氫電池需求量的快速成長，對於正極活性材
料性能的再提昇，成為刻不容緩的課題。
增進氫氧化鎳粉末性能的方法以添加鈷最為常見，
然而添加鈷雖然可改善正極材料的容量與活性，但
氫氧化鎳本身的組織形態也直接影響電極性能。
參考文獻
1.梁桂肇，”鎳氫電池市場與發展”，工業
材料，第111 期。
2. 蔡宜家，”鎳氫電池正極活性材料”，
國立清華大學，碩士論文。
報告結束