什么是碱锰电池?

2020-11-18 09:16:53 深圳市创新易电子科技有限公司

碱锰电池,是在碱性锌锰电池的基础上发展起来的,由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂,故又称为无汞碱锰电池。这种电池在不改变原碱性电池放电特性的同时,又能充电使用几十次到几百次,比较经济实。碱锰电池是在1882年研制成功,1912年就已开发,到了1949年才投产问世。人们发现,当用KOH电解质溶液代替NH4Cl做电解质时,无论是电解质还是结构上都有较大变化,电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高。


容量


碱性电池的容量比碳性电池为高,原因是用作阴极的二氧化锰有较高的纯度同密度,内部零件体积较细(例如电极),也让出空间,有助增加容量,总的来说比碳性电池多3至5倍容量。但碱性电池的容量会随输出电流增加而变小,例如同一枚电池可以在低输出电流时有3000mAh的容量,但当用在取1A电流的负—载时,容量只会得700mAh,小于原来的1/4。


电压


单一枚碱性电池的电动势(e.m.f),也即在无负载时的电压一般是1.5V,但随不同的二氧化锰及锌氧化物会使电压在1.5V至1.65V之间变化。当接上负载后,随输出电流的增加电压会下降,在一般负载下电压会降至约在1.1V至1.3V之间。


电流


碱性电池所能输出的电流比碳锌电池大,却比一般蓄电池细。容量较大的碱性电池能够输出较大的电流,原因是电极面积增加,有更多的物质可以同时产生化学反应。过大的电流会使电池在放电的过程加热升温,一般AA电池可以输出700mA电流也不至明显升温,较大型号的C、D电池就可承受更大的升温而不互显升温。


碱锰电池无汞化涉及的技术问题主要有以下几个方面:


机械设备和工装模具


我国碱锰电池工业化较迟,无汞化技术的研究由于受装备、零配件和材料等因素的制约,尚处于起步阶段,特别是适用于低、无汞碱锰电池生产的国产机械设备还未成熟,绝大多数厂仍然采用间断式的设备生产,零配件加工、工装模具仍未考虑无汞化的要求。


正负极准备设备目前使用最多的仍是制药机械,包括拌粉、轧片或济条、成粒、过筛和锌膏配制等。设备主要存在以下几方面的问题:


(1)工装模具、机械设备未重视材料的耐腐蚀、稳定性和耐磨性,国产设备尤为突出。混和桶、轧辊、锌膏容器等虽然采用了不锈钢等高档材料,但仍未达到无汞化的要求,普通不锈钢耐蚀、抗氧化和耐磨性能均较差。无汞碱锰电池阳极对Fe、Mo等元素是以10一7~10一6级控制的,材料腐蚀、电化学反应和机械等因素很容易造成阳极杂质元素超过允许值。韩国火箭公司的阳极准备设备在适应无汞化需要方面考虑较全面,值得借鉴,它的混和机的内壁涂覆了耐磨非金属材料,接触锌膏的机械和容器全部采用工程塑料,完全避免了金属杂质混人。


(2)正品率低,交叉污染严重。由拌粉到筛出合格的粉粒,一般设备的一次成粒率仅有65%左右,2/3为不合格品,需要反反复复在几台机器中循环,这增加了正极粉的交叉污染。而欧美的粉料处理系统,其一次成粒率高达65%~80%,大大降低了设备的磨损和粉粒的交叉污染。


(3)部分设备的传(转)动部分使用铜材等有害金属。无汞碱锰电池正极对铜特别敏感,铜等杂质混人正极粉是造成无汞电池慢性短路的隐患。


(4)碱性介质条件下,烘干工艺容易引起正极粉碳酸化,也容易产生交叉污染。碳酸盐浓度偏高是引发电池爬碱的因素之一,无汞碱锰电池对碳酸盐浓度的要求更高。


(5)负极集流体组装国内还主要依靠手工加机械的间断加工方式。上方面,产品质量受人为因素影响较大,另一方面这种加工方式无法适应无汞化的要求。这也是机械设备需要尽快解决的难题之一。集流钉和负极底的焊接方法还值得研究,目前普遍采用的是直流贮能爆炸焊,这种焊接容易造成铜粉未污染集流体组合件,是引起无汞碱锰电池慢性短路的重要隐患。进口负极集流体组装设备需要几十万乃至上百万元人民币,电池机械厂应重视该设备的研究与开发,这也是提高劳动生产率的重要环节。


组装设备主要存在模具材质差、不耐磨、粉尘污染严重等问题。机械厂应加强与金属材料研究部门的协作,选择适用的正极环模具材料和热处理方法。


原材料和零配件


为推进碱锰电池无汞化的进程,要扎扎实实地抓好几个基地的建设。无汞碱锰电池专用EMD尚须进一步提高质量,特别是重金属杂质的含量有待再降低,还要在提高电池电位和高电压放电容量上下点功夫。


用于碱锰电池的微粉石墨,好多是由鳞状石墨加工处理而成,而鳞状石墨中Fe、Cu等元素的含量较高。若无有效控制措施和检测手段,用这种石墨生产无汞电池,即可酿成重大质量事故。


国产无汞锌粉尚未完全过关,要从选用高质量的锌材入手,还必须研究适宜的加工方法。用Ca代替Al的In-Bi一Ca锌合金更有利于减轻无汞碱锰电池贮存期内的慢性短路。选择析气量对放电深度依附性较低的锌粉是解决无汞电池贮存和耐漏液性能的重要措施。


碱锰电池用隔膜需进一步改善性能,提高密度和均匀性,增加阻滞性。韩国提供的隔膜卷绕技术为螺旋卷绕法,为适应无汞化的要求,建议适当调整卷绕角度,使有效层数增加。降低隔膜纸的厚度,增加卷绕层数,这也是国际碱锰电池业的一种倾向。


传统的CMC等锌膏增稠剂因采用无汞锌粉稳定性变差,已不能适应无汞电池的要求。为提高无汞碱锰电池的抗振动性能和贮存性能,建议选用PA和PA一Na等高粘度、稳定性好的锌膏稠化剂,并选择恰当的配比,电池的性能可获得较理想的效果。碱锰电池零配件的标准化是碱锰电池实现无汞化的基础条件。建立几个碱锰电池零配件基地,加强零配件质量的控制,对提高碱锰电池质量、实现碱锰电池无汞化是十分重要的。


无汞化的工艺及控制


(1)改善锌膏的导电性能


汞的“湿性”有助于锌粉之间和锌粉与集流体之间的连(粘)接,改善了锌膏的导电性,使电池具有较好的抗振动性能。电池去汞后,导电性明显下降。改善锌膏的导电性能可从使用高粘度稳定性好的锌膏增稠剂、适当提高锌膏中锌粉的比例和在锌膏中添加其它导电材料几方面入手。


(2)控制生产过程的污染


无汞碱锰电池生产必须保持洁净的生产环境和无污染的生产过程。根据国外电池业的经验,生产一般要求在恒温湿条件下进行,适宜的温度为20℃~28℃,湿度为30%~60%(RH)。负极组合件组装不适宜在低温下进行,钢壳涂布导电石墨不宜在高湿条件下进行。整个生产过程要做到无尘,防止带入使锌析氢增加的杂质。间断式的零配件加工方式,手工操作多,配件污染无法控制,质量也无法保证。


(3)控制碳酸化


生产过程中有效控制正负极的碳酸化是无汞碱锰电池重要的工艺措施之一。首先要控制空气中CO2的浓度,锌膏配制在真空条件下进行,电解液、锌膏、正极粉必须密封包装,KOH、无汞锌粉等应尽可能减少暴露于空气中的时间,包装破损时,应杜绝使用等等。封口工序前的设备和输送轨道均应加设防护罩,减少空气交换,防止电池制品碳酸化。还应注意控制电池的在线时间,无汞电池生产在特殊情况下的最长停机时间一般不得超过两小时。国产设备的可靠性相对较差,容易出现故障,要有防止设备故障的应急措施。


(4)注意Cu和超细锌粉对无汞电池的影响


铜在碱锰电池的阴极中基本以化合态存在,在电势的作用下,容易向阳极迁移,电池阳极中的锌由于去汞,加速了超细颗粒向阴极迁移,当隔膜管中有缺陷点时,Cu2+与Zn在缺陷点处发生氧化还原反应,形成的铜的氢氧化物晶枝逐渐穿透隔膜,形成短路。生产过程中必须严格控制Cu的污染,无汞锌粉中的超细颗粒应加以限制,防止因锌微粉迁移形成电池短路。


(5)研究更适合于无汞化要求和电池容量提高的新结构


国产碱锰电池目前仍以日本富士结构占主流,就封口形式而言,由于无汞碱锰电池析气量增大,这种结构的可靠性值得商榷。带辅片的负极组合件更有利于密封,由于尼龙的一致性较好,无汞碱锰电池的密封圈从可靠性考虑选用尼龙比聚丙烯好,遗憾的是尼龙密封圈的成本较高。欧美碱锰电池的结构很值得我国借鉴,除了密封可靠外,电池可利用的空间变大了,更有利于电池容量的提高。


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