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镍镉电池容量衰减的原因

一、电量之惑：镍镉电池容量的悄然变化

在一家小型电子产品制造公司里，工程师小张最近遇到了一件烦心事。公司生产的一批使用镍镉电池的产品，在经过一段时间的使用后，客户纷纷反馈电池续航明显变短。小张心里纳闷极了，这些电池在出厂时各项指标都正常，怎么用着用着容量就不行了呢？这不仅影响了产品的口碑，还可能导致公司面临售后和经济损失。相信很多人在使用镍镉电池的设备时，也都有过类似的疑惑，明明一开始电量还挺耐用，可渐渐地就不行了。那到底是什么原因导致镍镉电池容量衰减呢？这个问题就像一团迷雾，笼罩在使用者和研究者的心头，也促使我们深入探寻其背后的奥秘。

二、电极材料的变化

（一）正极材料的老化

氢氧化镍结构的改变

-镍镉电池的正极材料主要是氢氧化镍。在电池充放电过程中，氢氧化镍会经历复杂的化学反应。随着充放电次数的增加，氢氧化镍的晶体结构会逐渐发生变化。就好比一座原本结构稳固的大厦，在长期的风吹雨打（充放电反应的“洗礼”）下，内部结构开始松动。原本排列规整的氢氧化镍晶体，其晶格间距会发生改变，晶体的完整性受到破坏。

-这种结构的改变会直接影响到电池的性能。因为在充电时，锂离子嵌入氢氧化镍晶格中储存能量；放电时，锂离子再从晶格中脱出释放能量。当晶格结构改变后，锂离子的嵌入和脱出变得不那么顺畅，就像道路变得崎岖难行，导致电池能够储存和释放的电量减少，也就是我们所说的电池容量衰减。例如，经过几百次充放电后，原本能顺畅嵌入晶格的锂离子，现在有一部分无法正常嵌入，使得电池的实际容量大幅下降。

活性物质的损失

-除了结构变化，正极材料中的活性物质也会随着使用逐渐损失。在充放电过程中，正极材料会发生氧化还原反应，活性物质参与这些反应来实现电池的能量转换。但随着时间的推移，部分活性物质会因为副反应的发生而被消耗或转化为其他非活性物质。

-以氢氧化镍为例，在一些情况下，它可能会被过度氧化，生成一些高价态的镍化合物，这些高价态化合物的电化学活性较低，无法像正常的氢氧化镍那样有效地参与电池反应。就好像一支军队里，部分士兵失去了战斗力，整个军队的作战能力就会下降。活性物质的损失直接导致了电池能够参与电化学反应的物质减少，从而使得电池容量不断降低。而且，这种活性物质的损失是不可逆的，一旦损失就难以恢复，这也使得电池容量衰减成为一个逐渐加剧的过程。

（二）负极材料的问题

镉电极的腐蚀

-镍镉电池的负极材料是镉。在电池的工作环境中，镉电极会面临腐蚀的问题。电池内部的电解液通常是碱性溶液，虽然碱性环境相对稳定，但在长期的充放电过程中，镉电极仍会与电解液发生化学反应。

-镉会逐渐被氧化，形成氧化镉等物质。这种腐蚀现象就像金属在潮湿环境中生锈一样，会破坏镉电极的结构和性能。被腐蚀后的镉电极，其表面变得粗糙，活性位点减少，导致在充放电过程中，电子的传输和离子的迁移受到阻碍。比如，原本能够快速传导电子的镉电极，在被腐蚀后，电子传导速度变慢，电池的内阻增大，这不仅会导致电池发热，还会使电池在放电时无法输出足够的能量，表现为电池容量的衰减。

镉的晶型转变

-除了腐蚀，镉的晶型也会在充放电过程中发生转变。在不同的充放电状态下，镉会以不同的晶型存在。随着充放电次数的增加，镉的晶型逐渐向不利于电池性能的方向转变。

-当镉的晶型发生改变时，其物理和化学性质也会相应变化。例如，晶型转变可能会导致镉电极的体积发生变化，这种体积变化会使电极内部产生应力。就像一个不断膨胀和收缩的气球，内部应力会使电极材料出现裂缝甚至破碎。一旦电极出现裂缝，电子和离子在电极内部的传输路径就会被阻断，电池的容量自然也就受到影响。而且，这种晶型转变是一个累积的过程，随着充放电次数增多，对电池容量的影响也越来越大。

三、电解液的影响

（一）电解液干涸

水分蒸发

-镍镉电池中的电解液通常是含有氢氧化钾的水溶液。在电池使用过程中，尤其是在高温环境或者长时间使用后，电解液中的水分会逐渐蒸发。就像一杯放在阳光下的水，时间久了水分会慢慢变少。

-水分的蒸发会使电解液的浓度发生变化，原本合适的电解液浓度被打破。而电解液的浓度对于电池的离子传导至关重要。当水分减少，电解液浓度升高时，离子在其中的迁移速度会变慢。比如，锂离子在浓度过高的电解液中移动时，就像在浓稠的糖浆中穿梭，受到的阻力增大，导致电池的充放电性能下降，电池容量也随之衰减。而且，水分的蒸发还会导致电解液量减少，使得电极与电解液的接触面积减小，进一步影响电池的性能。

密封性能不佳

-电池的密封性能直接关系到电解液是否会干涸。如果电池的密封结构存在缺陷或者老化，就会导致外界的空气进入电池内部，同时电池内部的电解液也可能泄漏出去。

-一些电池在生产过程中，密封工艺可能存在不足，或者在长期使用后，密封材料老化失去弹性。这样一来，在电池使用