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堿性鋅錳電�
閱讀�28165�(shí)間:2011-09-23 16:12:13

  堿�鋅錳電池�20世紀(jì)中期在鋅�電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是鋅錳電池的改�(jìn)�。電池使用氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)的水溶液做電解�(zhì)液,采用了與鋅錳電池相反的負(fù)極結(jié)�(gòu),負(fù)極在�(nèi)為膏狀膠體,用銅釘做集流體,正極在外,活性物�(zhì)和導(dǎo)電材料壓成環(huán)狀與電�外殼連接,正、負(fù)極用專用隔膜隔開制成的電�。具有價(jià)格便宜、容量大、儲存性能好等特點(diǎn)�

�(fā)展綜�

  鋅錳電池�(fā)展至今經(jīng)歷了漫長的演�,早�1868年法國工程師喬治-勒克蘭社采用二氧化錳和炭粉作正極粉料,將它壓入多孔陶瓷的圓筒體中,并插上一根炭棒集流器作正�,用一根鋅棒部分插入溶液中作負(fù)極,電解液是�20%的氯化銨水溶�,電池的容器是用玻璃�,做成�(gè)鋅錳濕電��1886年蓋斯將氯化銨水溶液改用氯化�,氯化鋅,石膏和水合成的糊狀�,并將鋅片作成圓筒形作電池的容器,同�(shí)用石蠟封�,從而做成原電池的雛�。此后不久,又將面粉和淀粉作為電解質(zhì)溶液的凝膠劑,是鋅錳電池的便攜性大大提高,為這種電池的工�(yè)化生�(chǎn)和廣泛地使用打下了良好的基礎(chǔ)�

  1890年前后這種電池在全世界范圍�(nèi)投入工業(yè)化生�(chǎn)�1870年前后采用了汞齊化鋅陽極,以減輕鋅的自放��1877年對碳棒采用浸蠟處理,以防止炭棒爬液,減輕對金屬集流體的腐蝕。早�100多年前就有人提出過用鋅做�(fù)極,MnO2做正�,KOH或NaOH做電解液,在漫長的研究過程中主要圍繞四�(gè)問題�(jìn)�:一是用粉狀多孔鋅電極代替片狀電極,降低放電電流密度和解決鋅片在堿液中易于鈍化的缺�(diǎn);二是采用反極結(jié)�(gòu),提高M(jìn)nO2的填充量,使正負(fù)極容量相匹配;三是對鋅粉汞齊化處理和堿液中加ZnO,解決鋅在堿液中的腐蝕;四是密封�(jié)�(gòu)和密封材料的改�(jìn),解決爬堿現(xiàn)��

  直到1950代前后在鋅錳干電池的基礎(chǔ)上成功研制出堿性鋅錳電池。它以鋅粉為�(fù)�,電解二氧化錳為正極,電解液采用NaOH或KOH,使電池性能成倍的提高。它不僅容量�,還適合于大電流連續(xù)放電。還具備�(yōu)良的低溫性能,儲存性能和防漏性能�

  但在前期的堿錳電池中要控制負(fù)極鋅粉在堿液中的氣量,當(dāng)�(shí)電池的用汞量非常大,用汞量在2%~6%,八十年代末隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng),掀起了無汞堿錳電池的研究熱�,尋找有�(jī)或無�(jī)代汞緩蝕劑和鋅粉中合金元�(主要是Al,Bi,In,Pb)成為主要的研究方�。到九十年代中旬,無汞堿錳電池�(jìn)入市��

  同時(shí),從60年代開始,對可充的堿性鋅錳二次電池開展了廣泛的研�,經(jīng)�30多年的研究已取得突破性的�(jìn)展,但由于其放電深度�,循�(huán)壽命�,還未能�(shí)�(xiàn)商品化。�(jìn)入二十一世紀(jì)以來,堿性鋅錳電池得到飛速的�(fā)�,大有替代普通鋅錳電池和其他電池的趨勀同�(shí)用電器具的發(fā)展對堿錳電池高容量和大電流放電提出更高的要求。因此,未來堿錳電池的研究主要集中在高功率重�(fù)荷放電性能,電池容量的提升以及儲存壽命的提高上�

原理

  堿性鋅錳電池的電化�(xué)表達(dá)式為�

  (�)Zn│KOH(飽和 ZnO)│MnO2(�)

  �(fù)極反�(yīng)� Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e

  正極反應(yīng)� 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH

  電池反應(yīng)� Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH

  其中正極 MnO2 在堿性溶液中的放電分兩步�(jìn)行。電子放電步驟是一 �(gè)涉及固相傳質(zhì)的均相反�(yīng)過程,質(zhì)子和電子� MnO2 晶格中移動使 MnO2 � 步還原為 MnOOH。在這一步驟的初�,MnO2 固相基本晶體�(jié)�(gòu)沒發(fā)生變�� 而只有晶格的膨脹,若在此�(shí)停止放電而�(jìn)行充�,則 MnO2 具有良好的可� 性。第二電子放電步驟俺“溶�-沉積�(jī)理”�(jìn)�,這是一�(gè)不完全可逆的過程� 原因� MnOOH 放電�(shí)� Mn3O4 生成� 而放電產(chǎn)� Mn(OH)2 充電�(shí)又有一部分 氧化� Mn5O4。生成的 Mn3O4 既不能被氧化,也不能被還�,它在充放過程中 積累,一方面消耗了活性材�,另一方面使電池內(nèi)阻迅速增�,造成� MnO2 電極容量的衰退。其�(fù)極的放電行為在宏觀上的順序?yàn)椋簭目拷龢O部位� 漸�(jìn)行到�(fù)極集流體附近,這是由于多孔電極各部分放電時(shí)極化不同造成�� 增大正負(fù)極對�(yīng)面積可以大幅度提高堿性鋅錳電池的放電性能,特別是大電� 放電性能。而負(fù)極鈍化的快慢受鋅粉粗�(xì)的影��

�(jié)�(gòu)

  (1) 圓筒型電池結(jié)�(gòu)

  堿性鋅錳電池具有代表性的圓筒�,與圓筒型普通鋅錳電池的�(jié)�(gòu)布局� 好相�。堿性鋅錳電池中圓環(huán)狀正極緊挨容器鋼筒�(nèi)�,負(fù)極位于正極中�� 有一�(gè)釘子形的�(fù)極集流器,這�(gè)釘子被焊在頂部蓋子上,作為電池的�(fù)極, 而鋼筒為正極。為了方便并能與普通鋅錳電池互換使用,同時(shí)避免使用�(shí)正負(fù) 極弄�(cuò),電池在�(shè)�(jì)制造時(shí),將上述堿性鋅錳電池的半成品倒置過來,使鋼筒底朝�,開口朝�,再在鋼筒底上放一�(gè)凸形�(假蓋),正極便位于上方;在 �(fù)極引出體上焊接一�(gè)金屬�(假底),這樣,外觀上堿性鋅錳電池正、負(fù)極� 和形狀與普通鋅錳電池就一致了�

  (2) 卷式電池�(jié)�(gòu)

  其結(jié)�(gòu)以金屬網(wǎng)作載�,把�、負(fù)極分別壓制成薄帶狀,再與隔膜疊合在 一起卷成螺旋狀(電容�)�(jié)�(gòu)的電池,這種�(jié)�(gòu)的特�(diǎn)是正、負(fù)極作用面積大� 超電勢小,從而在低溫、大電流放電�(shí)可獲得更高的容量�

  (3) 方型單體式電池結(jié)�(gòu)

  方型單體電池正、負(fù)極采用極群式�(jié)�(gòu),正、負(fù)極分別壓制成方型薄片� 極片中間夾有金屬集流�(wǎng)�

性能特點(diǎn)

  �(fù)極放電產(chǎn)生鋅酸鹽[Zn(OH)-],鋅酸鹽濃度�(dá)到飽和后沉積� ZnO。放� 最終產(chǎn)� ZnO 是兩性物�(zhì),同 KOH 溶液中的鋅酸鹽[Zn(OH)-]之間存在著溶� 平衡。由于負(fù)極放電反�(yīng)遵循溶解—沉積機(jī)�,產(chǎn)� ZnO 和反�(yīng)� Zn 分屬� �,因� Zn 電極的放電曲線非常平�,存在著明顯的放電平臺,直至�(fù)極放 電結(jié)� Zn 電極的電勢發(fā)生突�,迅速正��

  正極放電反應(yīng)�(chǎn)物水錳石(MnOOH)是通過因相的質(zhì)子擴(kuò)散向電極�(nèi)部轉(zhuǎn) 移的,固相的�(zhì)子擴(kuò)散過程是正極放電反應(yīng)的速度控制步驟,電極反�(yīng)的速度 決定于固相質(zhì)子擴(kuò)散的速度。由于產(chǎn)物水錳石(MnOOH)是在反應(yīng)� MnO2 的晶 格中通過�(zhì)子—電子機(jī)理產(chǎn)生的,MnOOH � MnOO2 存在于同一固相之中,反 �(yīng)具有均相性質(zhì)� 因此根據(jù) Nernst 方程� 反應(yīng)的平衡電勢隨� MnOOH � MnO2 固相濃度比值的增大而不斷負(fù)�,這是 MnO2 放電�(shí)電極電勢持續(xù)下降的主� 原因,電極放電曲線上沒有明顯的放電平�。由于堿錳電池的正極只使用石� 做導(dǎo)電材�,而不用乙炔黑,可以壓制成致密的錳�(huán),因此在相同的電池空� �,堿錳電池可以填充比中性電池更多的正負(fù)極活性物�(zhì);同�(shí),堿錳電池的 正極采用了電解錳,負(fù)極采用了多孔鋅粉�(jié)�(gòu),正、負(fù)極的極化均比中性電� 更小,活性物�(zhì)利用率更�,而且 KOH 電解液的�(dǎo)電能力比中性電解液更強(qiáng)� 電池的歐姆內(nèi)阻更�,所以堿錳電他的放電容量�(yuǎn)高于中性電�,可�(dá)后者的 5 倍以��

  另外,堿錳電池的重負(fù)荷放電能力也�(yuǎn)在中性電池之�,可�(jìn)行較大電流的放電。由于固相質(zhì)子擴(kuò)散過程是正極放電反應(yīng)的速度控制步驟,擴(kuò)散速度� 慢導(dǎo)致放電產(chǎn)� MnOOH 在電極表面上積累從而引起極化增�� �(dāng)放電間歇�(shí)� 固相�(zhì)子擴(kuò)散仍可繼�(xù)�(jìn)�,MnOOH2 仍可繼續(xù)從電極表面向�(nèi)部轉(zhuǎn)�,電� 性能有所恢復(fù),因此堿錳電池具有恢�(fù)特�,常常用于間歇放電,間歇放電� 容量比連續(xù)放電更高。不�,在無汞條件�,部分放電后鋅電極的自放電會� 劇,因此需要采用非常嚴(yán)格的緩蝕措施。如果電池中存在微量� Cu 等有害雜 �(zhì)� 部分放電后還會出�(xiàn)緩慢的枝晶短�� 因此電池必須保證�(yán)格的清潔條件� 避免有害雜質(zhì)的污�。KOH 水溶液的冰點(diǎn)較低,正、負(fù)極的極化較小,而且�(fù) 極采用了多子 L 鋅粉電極�(jié)�(gòu),減緩了鋅電極的鈍化。因�,堿錳電池在低溫 條件下的放電特性要�(yōu)于中性鋅錳電池, 它可以在 40℃的溫度下工�� 20� � �(shí)可以放出 21℃時(shí)容量� 40%~50%�

性能和用�

  電池性能符合國家行業(yè)�(biāo)�(zhǔn),與國外電池性能相當(dāng)。由于能重負(fù)載,大電流放�,電容量大,低溫性能和防漏性能�,性能�(jià)格比�(�(jià)為干電池2-3倍,大電流工作電能是6-8�)等優(yōu)�(diǎn)而廣泛用于民用和工業(yè)。特別適用于閃光照相�(jī),微型收錄機(jī),攝像機(jī),對講機(jī),BP�(jī),剃須刀,手掌型彩電和游戲機(jī),玩�,遙測器,報(bào)警器,計(jì)算器,助聽器,手電筒和電鐘等儀器設(shè)�。如AA�(五號)堿性鋅錳電池用于閃光照相機(jī)可連拍8-10�(gè)膠卷,而干電池只能�1-2�(gè)膠卷,鎘鎳電池就不能使用??梢哉f凡是使用干電�,鎘鎳電池的都可由堿性鋅錳電池來取代�

�(yīng)�

  無論是民用還是軍�,一次堿性鋅錳電池主要是作為便攜式電源使�。普通鋅錳電�(通常稱為鋅碳電池或IjcIanch6電池)大電流連續(xù)工作能力�,而堿性鋅錳電弛能大電流連續(xù)工作,最適合于需要大電流供電的設(shè)備使用如照像�(jī)、野外攝像機(jī)、無線電控制的航模與海模、電動工�、電動玩�、收錄機(jī)��

  它具有高的容量與低的�(nèi)�,對用電�(shè)備或器具能夠提供比普通鋅錳電池更平穩(wěn)的工作電壓和更長的工作時(shí)�,適合于作為遙控器、筆記本電腦、尋呼機(jī)、測試儀�、收音機(jī)、手持對講機(jī)等裝置的配套電源�

  它優(yōu)異的高溫放電性能及中等電流放電下還具有高的工作電�,這些特點(diǎn)使堿性鋅錳電池在某些�(lǐng)域比鍋鎳蓄電池和普�鋰錳電池更有�(yōu)�,如野外井下作業(yè)及高溫環(huán)境中使用�

  另外,可再充電的堿性鋅錳電�,不僅具有很好的荷電保持能力,電池的活性材料也得到了充分利用,從而節(jié)約了資源,保�(hù)了環(huán)�,降低了使用�(fèi)�,使堿性鋅錳電池的性能�(jià)格比(�(fèi)效比)得到�(jìn)一步提�,還無記憶效�(yīng),這使堿性鋅錳電池更具有競爭力,�(yīng)用領(lǐng)�?qū)⒏訌V��

  在軍事裝備中,堿性鋅錳電池因使用方便、性能�(yōu)�,貯存期長已被作為裝備的配套器材。尤其在軍事通信裝備�,它被廣泛作為戰(zhàn)�(shù)電臺、野�(zhàn)電話、末端設(shè)備、儀器儀表等的配套電�。在野戰(zhàn)條件�,沒有市�,充電又極困�,全靠電池供電。電�24小時(shí)都處工作狀�(tài),發(fā)訊時(shí)耗電較大,為了保證通信不中�,需要配套電池能夠提供長的工作時(shí)�,具有很好的連續(xù)工作能力,堿性鋅錳電池能較好滿足這些要求,因此目前國�(nèi)外戰(zhàn)�(shù)電臺配套的一次電池大量選用的還是堿性鋅錳電�。電池是通信裝備的“糧食”“血液�,屬于消耗品,需貯備一定數(shù)量的電池,以備怠想不到情況�(fā)生時(shí)有足夠的電池能夠提供使用。優(yōu)�(zhì)的堿性鋅錳電�,貯存期可在5年以�,這是其它一次電池難以達(dá)到的,故堿性鋅錳電池優(yōu)異的貯存性能,在軍用中的另一�(gè)主要用途是作為貯備電池使用�

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