充电型小家电中镍氢电池的氢气释放以及解决方法

　　摘要：镍氢充电电池在充电和使用过程中是否会产生和释放氢气，其浓度究竟有多大？本文通过模拟小家电实际使用情况研究AA镍氢充电电池在使用和充电过程中的氢气释放行为，以及戈尔膨体聚四氟乙烯（ePTFE）透气膜对氢气扩散所起的作用。
　　关键词：电池 镍氢电池 氢气 透气膜 小家电
　　中图分类号：O646文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（c）-0072-02
　　随着镍镉电池由于环保因素逐渐退出舞台，AA镍氢电池（以下简称镍氢电池）由于其环保和价廉等因素，被广泛应用于电动牙刷，湿式电动剃须刀和便携式及应急手电筒等家用电器之中。
　　镍氢电池在充电和使用过程中是否会产生氢气，一种长期以来在电池行业中的观点是镍氢电池在充电和放电过程中会产生和释放氢气，但是量非常小，可以忽略不计。氢气是一种爆炸性气体，其最低爆炸浓度为4%，也就是说，当设备中氢气的比例达到或超过设备自由空间容积的4%时，只要有电火花，就可能引起爆炸。而设备开启和关闭都会产生电火花。
　　北美的加拿大和美国是全球使用电动牙刷和湿式电动剃须刀最广泛的国家，美国食品和药品监督局（FDA）以及加拿大卫生部记录了近几年的伤害事件。
　　（1）2009年6月，伦纳德·福克斯在使用欧乐-B电动牙刷时，牙刷产生爆炸，致使其面部、左眼和右手受到损伤。2011年1月，福克斯将牙刷生产商宝洁公司告上加拿大不列颠哥伦比亚省最高法院。
　　（2）2010年，美国FDA发文警告，彻池杜威（Church & Dwight）的SpinBrush品牌的多个型号电动牙刷有使用中爆炸危险，且有可能敲掉牙齿齿片以至被吸入喉咙的危险。
　　（3）2011年，加拿大卫生局收到多宗投诉，指出高露洁Motion品牌的电动牙刷在刷牙过程中发生爆炸。同年，高露洁召回了所有该品牌的电动牙刷。
　　那么镍氢电池在充电和使用过程中是否真的会产生和释放氢气，其浓度究竟有多大，我们以电动牙刷和湿式电动剃须刀为基准设备进行测试。
　　（4）国际电工学会对牙刷（IEC 60335-2-52：2002口腔保健电器的特殊要求）和电动剃须刀（IEC 60335-2-8：2002电动剃须刀，电推子和类似电器的特殊要求）的防护等级均有规定，要求达到IP67。
　　（5）电动牙刷和湿式电动剃须刀中，有涓流充/放电和快充等模式，其中1h快充即充电倍率为1C的模式最为恶劣。镍氢电池的容量从750mAh～2400mAh时不等。
　　（6）一般电动牙刷手柄的容积为45～60mA，湿式电动剃须刀手柄的容积为70～75mL左右。
　　基于上述条件，实验的设计如图1所示，包括以下几点。
　　（1）金属术铝合金电池盒，容积55mL，防护等级IP67。
　　（2）劲量（Energizer）1.2V/2000mah/AA镍氢电池一节。
　　（3）恒流放电和充电，充/放电电流2A，充/放电倍率1C。
　　（4）整个测试为自然闭式循环，以防止氢气泄漏影响实际测量数值。
　　（5）氢气的浓度由氢气传感器给出。
　　理论上说，最好的降低密闭电池盒中的氢气浓度的方法是开孔。图4显示的是在相同的电池盒上开不同尺寸的小孔后，其对电池盒中氢气浓度的影响。
　　实验显示，开孔有助于电池盒中氢气的扩散，有效降低电池盒中的氢气浓度。而且，开孔越大，扩散效果越好，氢气浓度越低。
　　然而，对于需要达到IP67的电动牙刷和湿式电动剃须刀，开孔会导致水和潮气进入，腐蚀线路板。另外，水的进入会降低防护等级，满足不了IP67的要求。膨体聚四氟乙烯（ePTFE）透气膜是目前防水效果最好的材料，戈尔的Gore-Tex广泛应用于户外运动的服装面料中，在防水的同时可以促进潮气的排除，消除“闷热”，增强体感舒适度。本试验亦采用了戈尔公司两种不同透气量的膨体聚四氟乙烯（ePTFE）透气膜以测试其对氢气扩散的效果。
　　本试验可得出以下结论。
　　AA镍氢充电电池在过充时，会释放大量氢气，氢气浓度远超4%的最低爆炸极限。采用可充电镍氢电池的防水小家电，存在潜在的爆炸风险。
　　小家电外壳开孔可有效扩散氢气，降低氢气浓度，但是无法实现防水和防尘要求。以膨体聚四氟乙烯（ePTFE）透气膜覆盖外壳开孔处可以兼顾氢气扩散和防护要求。当开孔面积较小时，大透气量的膨体聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜相较于小透气量的膨体聚四氟乙烯（ePTFE）薄膜对氢气的扩散有比较明显的差异。但这种差异随着开孔面积的增大而减