锌负极电池v1 锌锰电池v2 锌银电池v3 锌空气电池v具有共同的负极反应:在酸性环境中,Zn2+以离子形式存在在碱性环境中,生成Zn(OH)2沉淀,Zn(OH)2不稳定,又分解生成ZnO碱性很强时生成锌酸盐v正极反应各不相同:锌锰碳性电池:锌锰碱性电池:锌银电池:锌空气电池:v所有锌负极电池的标称电压均为1.5V,具体电压略有偏差1.1锌锰干电池的分类使用方便、价格低廉,一次电池中使用最广泛v按外形分:筒式、叠层式、薄形(纸);11锌锰电池锌锰电池1.1锌锰干电池的分类v电解液:中性、微酸性、碱性;v碱性电池:筒式、扣式、扁平式几种v筒式电池:传统的勒克朗谢电池、纸板电池、碱性锌-锰电池、无汞锌-锰电池v20世纪60年代建立了国际电工委员会(International Electrotechnical Commision,简称IEC),该组织实现了电池型号、规格的标准化命名字母后面紧接着的数字代表单体电池的大小;在单体电池前加上数字表示串联的组合电池中的单体电池数目;单体电池之后加一并联电池数R6P,LR6,3R14,6F22,4F100-4符号RSFPCL外形圆筒形方柱式扁平式高功率高容量碱性电池符号和意义1.1.1传统的勒克朗谢电池以MnO2为正极,Zn为负极,并以NH4Cl水溶液为主电解液,用纸、棉或淀粉等将电解液凝胶化,使其不流出,具有这种结构的电池叫做锰干电池,也称“糊式锌锰干电池”。
这种电池最早在1868年法国人勒克朗谢设计的,开始电解质仍是流动的并把细砂、锯末等物质加在电解质中,使其成为糊状物到了1886年,由美国的加斯纳,设计了一种将电解液用石膏固化,而锌电极制成圆筒形的电池这种电池即使倾斜电解液也不会流出电池的电极反应正极负极电极反应美国在1890年开始生产了这种电池之后又经过不断的改进,发展到目前的干电池干电池主要用在:照明、携带式收音机、照相闪光灯、电动玩具、、助听等方面2CaSO4H2O与少量水作用可逐渐硬化,并膨胀,故可铸造模型及雕塑锌锰干电池可根据不同的用途和特性,制成不同形状和规格的单体电池它们所用的原材料大体一样,只是正极电芯粉和电解液等的配比不同,通常有圆筒形和方形两种筒形电池的锌极兼作电池的容器MnO2电极压成圆柱形的电芯,炭棒在电芯的中央作为正极导体,电芯外面包有绵纸,以防芯粉脱落;锌筒底部的绝缘垫片,是用来防止正负极间的短路;电糊起作离子的导电作用和正负极间的隔离物的作用上部的气室为气体或电糊膨胀而留的余地;封口剂和电池盖都是为了密封电池,防止电解质干固v1.1.2 纸板电池:迭层电池的锌极为锌片,炭饼为正极,在炭饼和锌片之间置有涂过凝胶电解质的浆层纸隔膜。
锌极的另一面紧贴有电子导电的导电膜,用于电池串联每个单体电池之间的外面有绝缘套,并兼作电池的容器迭层电池的结构比较紧凑,体积小,重量轻但一般内阻大,仅能用于电压要求高,电流要求小的场合纸板电池用纸板涂胶代替浆糊做隔离层电解质有氯化铵型和氯化锌型容量比糊式锌锰电池高高氯化锌纸板电池1970年开始生产,可大电流放电,放电时间长电池表达式:负极:正极:总反应:电解液中反应:纸板电池结构v多孔性纸包括:绵纸、滤纸、电缆纸、牛皮纸等造纸的原则:(1)纸质要致密、纯净(2)吸水性强(3)抗拉力大v目前常用的是电缆纸,其主要缺点是吸水性差为解决该问题,常在上面涂上一层高分子材料,如聚乙烯醇(P.V.A)、羧甲基纤维素(C.M.C)、甲基纤维素(M.C)、海藻胶等现将海藻胶纸板的制作简介如下:采用纸板取代浆糊的主要优点是节约了粮食,一个日产20万只R20的干电池厂,消耗粮食约400Kg,一年就要上百吨1.1.3碱性锌锰干电池碱性锌锰干电池1882年德国G.Leuchs发表专利,1965年开始生产电池表达式:负极:正极:总反应:碱性锌锰干电池具有以下优点:v1)工作电压平稳v2)可大电流放电(大于中性2倍以上)v3)具有可逆性(可进行多次充放电)v4)比能量大Zn-MnO2(浆糊)22WH/KgZn-MnO2(碱性)66WH/Kg2)工艺基本情况:炭素壳:用石墨做原料,添加石蜡等粘合剂和防水剂,压成型,作为电池的正极并兼作容器。
1)电池结构A:CuB:锌膏C:隔膜D:炭仓E:炭素壳,电池正极导体F:纸壳G:马口铁皮;商标正极炭包:用电解锰,天然锰、乙炔黑按一定配比,并加入比重1.1的KOH溶液混合,压成简状环式炭包隔膜:采用耐碱性和吸水良好的纸为基体,再涂布浆层负极:采用含汞量为4%的汞齐锌粉,添加12%纤维粉,710%的淀粉混匀装配时先把环行炭包装入炭素壳中,适当压实,使二者有很好的接触再将浆糊纸卷成管型插入炭包中间然后将和好的锌粉装入隔膜筒内,待无游离电解液后,插入黄铜做导体v1.1.4无汞锌锰电池在锌锰电池中添加汞可提高析氢过电位,减少锌负极腐蚀,加量为锌粉的610%由于汞对环境和人类有害,2005年实现锌锰电池无汞化,电池汞含量质量分数不超过0.0001% 1.2圆筒锌锰干电池的制造锌锰干电池的生产工艺,因电池品种和各厂的机械化程度不同而各有所异,现仅就主要部分作以下介绍:锌锰干电池的生产工艺流程是由许多的工序构成的(如下图所示)其工序较多,但大致可归结成以下几个部分:1.2.1电解质溶液的制备随着工业的发展,为了研制高比能,耐低温,长寿命的锌锰干电池,人们对电解液的成分作了许多的改进,目前常用的有以下几种:.aNH4Cl:其作用为:参加电池反应,减少锌电极的极化;担任离子的导电,常见的氯化物中比电导最大NH4Cl水解生成的H+,有利于减缓电芯中PH值的上升,使电极正电位下降。
氯化物水溶液20%NH4ClKClNaCl2MgCl2ZnCl218时的比电阻/2.973.735.787.1410.99NH4Cl的主要缺点是冰点高,20%的水溶液在20时便结冰,使电池在低温下不能工作另外,NH4Cl亦沿锌筒爬出,引起电解液外溢bZnCl2: 可降低冰点,吸水性强,有助于保持电解质中的水分,防止电糊干涸增大了电解液的锌离化子浓度,可减缓锌的腐蚀ZnCl2水解生成的H+,可以减少正极电位下降 ZnCl2有促进淀粉的水解作用,可加速电解液的糊化温度不加ZnCl2加10%的ZnCl270 1803580 6030904025电解的糊化时间(S)其主要缺点是:比电阻大,约为NH4Cl的4倍1.2.1.c稠化剂:锌锰干电池电解液中加的稠化剂是淀粉和面粉其通式为(C6H10O5)n,n值可从几百到百万,都具有支链的链状的高分子化合物淀粉糊化后分子相互交织在一起形成立体网状结构,把电解液包在其中成为凝胶状浆糊它导电性良好,能固化电芯,把它与锌筒隔开,并能防止电解液外溢若只用淀粉,则电糊的胶体强度大,导电性好,但其保水能力和粘性都较差与一定量的面粉一起使用面粉电糊粘性好保水能力强,但对锰粉和电解质的作用不稳定,胶体强度低,二者结合使用。
1.2.1.d缓蚀剂: HgCl2:电解液中加入HgCl2后,锌皮与HgCl2作用,将Hg置换出来,生成一层锌汞齐膜由于H2在锌汞齐上的过电位比锌及其它一些金属杂质上的过电位高,故能减小H2的析出速度,从而又可减缓了锌皮的腐蚀 乳化剂OP、TX10:都是聚氧乙烯烷基苯基醚一类的有机非离子型表面活性剂其用量一般在0.05%左右,其作用机理为:该非离化子做表面活性剂,在Zn(Hg)表面上具有较好的吸附,从而抑制了Zn的腐蚀 其它添加剂在电解液中常加入Cr2(SO4)3,增加电糊强度,加入CaCl2和LiCl,降低电解液的冰点,提高低沉性能电糊R20(手电筒电池)配方1#电液:NH4Cl19.94%,ZnCl2(50%)9.97%,H2O69.74%,Zn0.035%2#电液:NH4Cl23.24%,ZnCl2(50%)56.26%,H2O19.95%,Zn0.065%1.2.1.e电解液的配制工艺白浆:1#电液65.55%,土豆粉27.53%,面粉6.92%清浆:2#电液93.85%,土豆粉0.47%,比重1.209(20)的Cr2(SO4)3溶液4.04%,OP(10%)水溶液1.17%,HgCl20.4%电糊:白浆60%,清浆40%电糊中各组分的含量:NH4Cl:16.5%,ZnCl2:13.16%,ZnO:0.37%,HgCl2:0.18%,面粉:4.14%,Cr2(SO4)3:0.39%,H2O:48.53%,土豆粉:16.68%,OP:0.5%配制要点:必须仔细除去原料中的重金属杂质(Fe、Cu、Ni、Pb等)。
方法:在ZnCl2溶液中加入纯Zn片,加热到110130,使重金属离化子都置换出来操作过程要严格避免与油、铁器等物接触配清浆和白浆时都不允许有疙瘩存在,必须使面粉“吃饱”,电液否则,淀粉在电池里还要吃水,使电糊变成“里干外湿”,影响电池的质量控制PH值,电糊的PH值一般在5.0左右1.2.2电芯的制造1.2.2.a电芯成分电芯是把二氧化锰、乙炔黑,石墨、固体氯化铵和调粉液按一定比例,混合均匀配制各组分的作用如下:二氧化锰(俗称锰粉):它是直接参与电池反应,决定电池容量的主要材料二氧化锰的来源:、天然锰粉,、化学锰粉,、电解锰粉、化学锰粉:化学二氧化锰的制法较多,主要包括还原高锰酸钾法,硝酸钾热分解法,碳酸锰法等碳酸锰法是把低品位的软锰矿制成硫酸锰溶液经过滤,然后以碳酸氢氨做沉淀剂,使硫酸锰成为碳酸锰沉淀,最后经过焙少生成二氧化锰反应如下:阳极:阴极:、电解锰:是用碳酸锰和硫酸作原料,采用电解的方法制得电解时的电极反应为:v石墨和乙炔黑它们都是由碳构成的同素异构体,具有良好的导电性和一定的吸液能力把它们混在电芯中和锰粉紧密接触,用来提高二氧化锰电极的电导能力,并能使电芯保持较多的电解液,有利于锰粉和电解液的充分接触、反应。
提高活性物质的利用率和延长电池的寿命石墨的导电性好,吸液能力差,乙炔黑的颗粒细,比表面大(6080m2/克),具有链状结构,其吸液能力比石墨强因此用乙炔黑代替石墨能使电芯吸收更多的电液,提高电池的容量但石墨的加入对提高短路电流更为有利且石墨的颗粒越细越好氯化铵电芯中氯化铵的存在的作用:、补充因放电时电解液中氯化铵的减少,减少放电室电芯中的PH值的上升,、提高电芯中电解液的电导调粉液在制作电芯的粉料中加入调粉液,有利于电芯的成型而且便电芯保持一定水分,增加电芯液相的导电性2.电芯的制造流程(R20型电池)1.2.2.b电芯的制造流程(R20型电池)1.2.2.c工艺要求:和粉要求均匀含水量(粉)一般控制在1318%左右,太湿压制电芯时,易挤出电解液,太干不易成型电芯粉合好后要妥善保存,防止吸潮和挥发电芯压制用力要均匀,各处的紧密度要一致炭棒应居于电芯中心,接触紧密,不能中断和破头电芯应圆正,表面光滑,无裂纹,粘粉电芯的大小、重量和含水份应符合要求为使电芯加电液后不膨胀,不掉粉在电芯外边用绵纸包上,并用棉纱线在扎线机上扎紧捆好包纸要平正,无破损,均匀,结实1.2.3炭棒制造A、制造炭棒的原材料和作用炭棒是由石墨和煤、沥青经压制和焙烧而成。
石墨在炭棒中起电导作用,是制造炭棒的主要原材料煤沥青是煤焦油蒸馏的产物,它在炭棒中起粘合作用B、制造流程C、质量要求1)电阻小2)表面粗糙,以利和电芯紧密接触3)透气性好,防止电池产生气涨4)机械强度好5)有一定的防水性,防止电液渗出腐蚀铜帽1.2.4糊化品制造(1)制造流程(2)操作要点、糊化要均匀,灌入锌筒前,电糊要不断搅拌,动作要快,否则,会导致糊化不均匀,或上稀下干糊化沉度要控制好,一般夏季水温在6575,冬季可稍高点糊化时间一般在2分钟电糊面要与电芯齐肩,若高于电芯,易蚀铜帽,若低,则会减少活性物质的利用率和电池容量电芯应居锌筒中央,以免偏心,锌筒各处电流密度不均,导致锌筒局部腐蚀穿孔要严防电液电糊粘到炭棒上,锌筒内壁上端,以免腐蚀锌皮和铜帽1.2.5锌筒制。