充電型小家電中鎳氫電池的氫氣釋放以及解決方法

　　摘要：鎳氫充電電池在充電和使用過程中是否會產生和釋放氫氣，其濃度究竟有多大？本文通過模擬小家電實際使用情況研究AA鎳氫充電電池在使用和充電過程中的氫氣釋放行為，以及戈爾膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜對氫氣擴散所起的作用。
　　關鍵詞：電池 鎳氫電池 氫氣 透氣膜 小家電
　　中圖分類號：O646文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0072-02
　　隨著鎳鎘電池由于環保因素逐漸退出舞臺，AA鎳氫電池（以下簡稱鎳氫電池）由于其環保和價廉等因素，被廣泛應用于電動牙刷，濕式電動剃須刀和便攜式及應急手電筒等家用電器之中。
　　鎳氫電池在充電和使用過程中是否會產生氫氣，一種長期以來在電池行業中的觀點是鎳氫電池在充電和放電過程中會產生和釋放氫氣，但是量非常小，可以忽略不計。氫氣是一種爆炸性氣體，其最低爆炸濃度為4%，也就是說，當設備中氫氣的比例達到或超過設備自由空間容積的4%時，只要有電火花，就可能引起爆炸。而設備開啟和關閉都會產生電火花。
　　北美的加拿大和美國是全球使用電動牙刷和濕式電動剃須刀最廣泛的國家，美國食品和藥品監督局（FDA）以及加拿大衛生部記錄了近幾年的傷害事件。
　　（1）2009年6月，倫納德·福克斯在使用歐樂-B電動牙刷時，牙刷產生爆炸，致使其面部、左眼和右手受到損傷。2011年1月，福克斯將牙刷生產商寶潔公司告上加拿大不列顛哥倫比亞省最高法院。
　　（2）2010年，美國FDA發文警告，徹池杜威（Church & Dwight）的SpinBrush品牌的多個型號電動牙刷有使用中爆炸危險，且有可能敲掉牙齒齒片以至被吸入喉嚨的危險。
　　（3）2011年，加拿大衛生局收到多宗投訴，指出高露潔Motion品牌的電動牙刷在刷牙過程中發生爆炸。同年，高露潔召回了所有該品牌的電動牙刷。
　　那么鎳氫電池在充電和使用過程中是否真的會產生和釋放氫氣，其濃度究竟有多大，我們以電動牙刷和濕式電動剃須刀為基準設備進行測試。
　　（4）國際電工學會對牙刷（IEC 60335-2-52：2002口腔保健電器的特殊要求）和電動剃須刀（IEC 60335-2-8：2002電動剃須刀，電推子和類似電器的特殊要求）的防護等級均有規定，要求達到IP67。
　　（5）電動牙刷和濕式電動剃須刀中，有涓流充/放電和快充等模式，其中1h快充即充電倍率為1C的模式最為惡劣。鎳氫電池的容量從750mAh～2400mAh時不等。
　　（6）一般電動牙刷手柄的容積為45～60mA，濕式電動剃須刀手柄的容積為70～75mL左右。
　　基于上述條件，實驗的設計如圖1所示，包括以下幾點。
　　（1）金屬術鋁合金電池盒，容積55mL，防護等級IP67。
　　（2）勁量（Energizer）1.2V/2000mah/AA鎳氫電池一節。
　　（3）恒流放電和充電，充/放電電流2A，充/放電倍率1C。
　　（4）整個測試為自然閉式循環，以防止氫氣泄漏影響實際測量數值。
　　（5）氫氣的濃度由氫氣傳感器給出。
　　理論上說，最好的降低密閉電池盒中的氫氣濃度的方法是開孔。圖4顯示的是在相同的電池盒上開不同尺寸的小孔后，其對電池盒中氫氣濃度的影響。
　　實驗顯示，開孔有助于電池盒中氫氣的擴散，有效降低電池盒中的氫氣濃度。而且，開孔越大，擴散效果越好，氫氣濃度越低。
　　然而，對于需要達到IP67的電動牙刷和濕式電動剃須刀，開孔會導致水和潮氣進入，腐蝕線路板。另外，水的進入會降低防護等級，滿足不了IP67的要求。膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜是目前防水效果最好的材料，戈爾的Gore-Tex廣泛應用于戶外運動的服裝面料中，在防水的同時可以促進潮氣的排除，消除“悶熱”，增強體感舒適度。本試驗亦采用了戈爾公司兩種不同透氣量的膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜以測試其對氫氣擴散的效果。
　　本試驗可得出以下結論。
　　AA鎳氫充電電池在過充時，會釋放大量氫氣，氫氣濃度遠超4%的最低爆炸極限。采用可充電鎳氫電池的防水小家電，存在潛在的爆炸風險。
　　小家電外殼開孔可有效擴散氫氣，降低氫氣濃度，但是無法實現防水和防塵要求。以膨體聚四氟乙烯（ePTFE）透氣膜覆蓋外殼開孔處可以兼顧氫氣擴散和防護要求。當開孔面積較小時，大透氣量的膨體聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜相較于小透氣量的膨體聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜對氫氣的擴散有比較明顯的差異。但這種差異隨著開孔面積的增大而減