碱性锌锰电池的发展与应用
原创性声明 本人声明，所呈交的毕业论文是本人在导师指导下完成的研究开发的成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究容。如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。 本人的毕业论文若有不实或抄袭，愿意承担一切相关的后果和责任。 目录 摘要 .............................................................................................................. 2
第一章 绪论 ................................................................................................ 3
第二章 碱性锌锰电池的概述 .................................................................. 5
2.1碱性锌锰电池的工作原理 ................................................................... 5
2.2碱性锌锰电池的结构 .......................................................................... 6
2.3碱锰电池特点 .................................................................................... 6
第三章 碱性锌锰电池的研究进展 .......................................................... 8
3.1 碱锰电池的无汞化 ............................................................................ 8
3.1.1 无汞锌粉的开发及组成 ................................................................. 9 3.1.2 在电液中加代汞缓蚀剂 ................................................................. 9 3.1.3 提高原材料纯度选择优质原材料 ..................................................... 9 3.1.4 加强工艺控制 ............................................................................ 10
第四章 碱性锌锰电池的应用及使用中存在问题 ............................... 10
4.1碱性锌锰电池的应用 ........................................................................ 10
4.2使用中存在的主要问题 .................................................................... 11
第五章 碱性锌锰电池的现状与发展趋势 ............................................ 13
参考文献 .................................................................................................... 14
致 ................................................................................................................ 15 摘要 文章介绍了碱性锌锰电池的发展现状及应用，通过特点、结构、工作原理、综合阐述了碱性锌锰电池的研究现状，存在的问题和应用。
关键词 碱锰电池 正负极材料 发展趋势 第一章 绪论 锌锰电池发展至今经历了漫长的演变，早在1868年法国工程师乔治-勒克兰社采用二氧化锰和炭粉作正极粉料，将它压入多孔瓷的圆筒体中，并插上一根炭棒集流器作正极，用一根锌棒部分插入溶液中作负极，电解液是用20%的氯化铵水溶液，电池的容器是用玻璃瓶，做成第一个锌锰湿电池。1886年盖斯将氯化铵水溶液改用氯化铵，氯化锌，石膏和水合成的糊状物，并将锌片作成圆筒形作电池的容器，同时用石蜡封口，从而做成原电池的雏形。此后不久，又将面粉和淀粉作为电解质溶液的凝胶剂，是锌锰电池的便携性大大提高，为这种电池的工业化生产和广泛地使用打下了良好的基础。 1890年前后这种电池在全世界围投入工业化生产。1870年前后采用了汞齐化锌阳极，以减轻锌的自放电。1877年对碳棒采用浸蜡处理，以防止炭棒爬液，减轻对金属集流体的腐蚀。
早在100多年前就有人提出过用锌做负极，MnO2做正极，KOH或NaOH做电解液，在漫长的研究过程中主要围绕四个问题进行:一是用粉状多孔锌电极代替片状电极，降低放电电流密度和解决锌片在碱液中易于钝化的缺点；二是采用反极结构，提高MnO2的填充量，使正负极容量相匹配；三是对锌粉汞齐化处理和碱液中加ZnO，解决锌在碱液中的腐蚀；四是密封结构和密封材料的改进，解决爬碱现象。 直到1950代前后在锌锰干电池的基础上成功研制出碱性锌锰电池。它以锌粉为负极，电解二氧化锰为正极，电解液采用NaOH或KOH，使电池性能成倍的提高。它不仅容量高，还适合于大电流连续放电。还具备优良的低温性能，储存性能和防漏性能。 但在前期的碱锰电池中要控制负极锌粉在碱液中的气量，当时电池的用汞量非常大，用汞量在2%~6%，八十年代末随着人们环保意识的加强，掀起了无汞碱锰电池的研究热潮，寻找有机或无机代汞缓蚀剂和锌粉中合金元素(主要是Al，Bi，In，Pb)成为主要的研究方向。到九十年代中旬，无汞碱锰电池进入市场。 同时，从60年代开始，对可充的碱性锌锰二次电池开展了广泛的研究，经过30多年的研究已取得突破性的进展，但由于其放电深度浅，循环寿命短，还未能实现商品化。 进入二十一世纪以来，碱性锌锰电池得到飞速的发展，大有替代普通锌锰电池和其他电池的趋势。同时用电器具的发展对碱锰电池高容量和大电流放电提出更高的要求。因此，未来碱锰电池的研究主要集中在高功率重负荷放电性能，电池容量的提升以及储存寿命的提高上[1]。 第二章 碱性锌锰电池的概述 2.1碱性锌锰电池的工作原理 碱性锌锰电池的电化学表达式为： (－)Zn│KOH(饱和ZnO)│MnO2(＋) (2-1) 负极反应： Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e (2-2) 正极反应： 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- (2-3) 电池反应： Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH (2-4) 其中正极MnO2在碱性溶液中的放电分两步进行。第一电子放电步骤是一个涉及固相传质的均相反应过程，质子和电子在MnO2晶格中移动使MnO2逐步还原为MnOOH。在这一步骤的初期，MnO2固相基本晶体结构没发生变化，而只有晶格的膨胀，若在此时停止放电而进行充电，则MnO2具有良好的可逆性。第二电子放电步骤俺“溶解-沉积机理”进行，这是一个不完全可逆的过程。原因是MnOOH放电时有Mn3O4生成，而放电产物Mn(OH)2充电时又有一部分氧化成Mn5O4。生成的Mn3O4既不能被氧化，也不能被还原，它在充放过程中积累，一方面消耗了活性材料，另一方面使电池阻迅速增大，造成了MnO2
电极容量的衰退[2]。其负极的放电行为在宏观上的顺序为：从靠近正极部位逐
渐进行到负极集流体附近，这是由于多孔电极各部分放电时极化不同造成的。增大正负极对应面积可以大幅度提高碱性锌锰电池的放电性能，特别是大电流放电性能。而负极钝化的快慢受锌粉粗细的影响[3]。 2.2碱性锌锰电池的结构
(1) 圆筒型电池结构 碱性锌锰电池具有代表性的圆筒型，与圆筒型普通锌锰电池的结构布局恰好相反。碱性锌锰电池中圆环状正极紧挨容器钢筒壁，负极位于正极中间，有一个钉子形的负极集流器，这个钉子被焊在顶部盖子上，作为电池的负极，而钢筒为正极。为了方便并能与普通锌锰电池互换使用，同时避免使用时正负极弄错，电池在设计制造时，将上述碱性锌锰电池的半成品倒置过来，使钢筒底朝上，开口朝下，再在钢筒底上放一个凸形盖(假盖)，正极便位于上方；在负极引出体上焊接一个金属片(假底)，这样，外观上碱性锌锰电池正、负极性和形状与普通锌锰电池就一致了。 (2) 卷式电池结构 其结构以金属网作载体，把正、负极分别压制成薄带状，再与隔膜叠合在一起卷成螺旋状(电容式)结构的电池，这种结构的特点是正、负极作用面积大，超电势小，从而在低温、大电流放电时可获得更高的容量。 (3) 方型单体式电池结构 方型单体电池正、负极采用极群式结构，正、负极分别压制成方型薄片，极片中间夹有金属集流网。 2.3碱锰电池特点
负极放电产生锌酸盐[Zn(OH)-]，锌酸盐浓度达到饱和后沉积出ZnO。放电最终产物ZnO是两性物质，同KOH溶液中的锌酸盐[Zn(OH)-]之间存在着溶解平衡。由于负极放电反应遵循溶解—沉积机理，产物ZnO和反应物Zn分属两相，因此Zn电极的放电曲线非常平坦，存在着明显的放电平台，直至负
化学电池的种类
1.锌锰电池锌二氧化锰电池（简称锌锰电池）又称（勒兰社）电池，是法国科学家勒兰社于1868年发明的由锌（Zn）作负极，炭棒为正极，电解质溶液采用二氧化锰（MnO2），中性氯化铵（NH4Cl）、氯化锌（ZnCl2）的水溶液，面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池，由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态，故又称锌锰干电池。
按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种，板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。
干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的周围由内向外依次是A：二氧化锰粉末（黑色）------用于吸收在正极上生成的氢气（以防止产生极化现象）；B：用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。
电极反应式为：负极（锌筒）：Zn +– 2e- === Zn2+正极（石墨）：2NH4+ +2e- === 2NH3 ↑+ H2↑H2O + 2MnO2+ 2e- === 2MnOOH+ 2OH-总反应：Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 === Zn(NH3)2Cl2↙+2MnOOH电压：大约为1.5V，不能充电再生。
2.碱性锌锰电池20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。
电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质液，采用了与锌锰电池相反的负极结构，负极在内为膏状胶体，用铜钉做集流体，正极在外，活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接，正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。
3.铅酸蓄电池1859年法国普兰特发现，由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成。
用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。
铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液的泄漏）；设有多层电极板，其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均浸入到硫酸溶液中。
碱性电池认识及使用
碱性电池认识工具/原料 (3)什么是碱性电池 (4)碱性电池结构 (4)具体结构及其组成材料 (4)正极 (5)负极 (5)电解液 (5)隔膜与密封圈 (5)碱性电池参数 (6)碱性电池包括以下三个方面的参数 (6)规格参数 (6)性能参数： (6)重金属含量参数 (6)检测方法/说明 (7)方法一万用表准确测量干电池电压 (7)方法二使用负载测量 (8)掌握检测技巧优势 (9)爆炸原因分析 (9)原因一假冒伪劣 (9)原因二混搭使用 (10)原因三电路短路 (10)电池爆炸采取措施 (10)在当今的高科技时代，随着生活节奏和工作节奏的加快，那么我们随身用的电器设备的节奏也需要我们随时掌握，那么这个衡量标准是什么呢？电池电量，精确掌握电池的剩余电量便可以确定设备还能正常工作多长时间，决定是否需要充电或者携带备用电池，这样就不会耽误工作生活,下面笔者结合生活工作介绍两种常用的两种方法来检测干电池电量，希望能得到共勉；工具/原料干电池（碱性电池、碳性电池）什么是碱性电池碱性电池亦称为碱性干电池、碱性锌锰电池、碱锰电池，是锌锰电池系列中性能最优的品种。
适用于需放电量大及长时间使用。
电池内阻较低，因此产生之电流较一般锰电池为大，而环保型含汞量只有0.025%，无须回收。
碱性电池结构碱性电池是以其碱性电解液而得名的，与所有干电池一样，碱性电池的结构主要由正极、负极、电解液组成，比较常见的碱性电池形状是圆筒形的。
具体结构及其组成材料该种电池的具体结构及其组成材料如下：正极与外壳紧密接触的是用电解二氧化锰、石墨和碳黑压制成的正极环，外壳是一个带有正极帽的镀镍钢壳，该钢壳兼作正极集流体；负极采用粉状锌粒制成膏剂，处于电池的中间，其内插有一要黄铜集电体，集电体与负极底部相连；电解液为糊状KOH电解质，与负极混和制作成膏状；隔膜与密封圈在电池内部，正负极间用隔膜隔开，钢壳处则有尼龙或者聚丙烯密封圈与外部隔开。
碱性电池的结构从外到内依次有：密封圈、钢壳（兼作正极集流体）、正极、隔膜、负极、电解液、铜管（兼作负极集电体）等。
化学电源 课件 2022-2023学年高一下学期化学人教版(2019)必修第二册
以铂作电极,两极分别通入甲烷、氧气
(3)在固体电解质(高温下能传导O2－)中
①总反应式： CH4＋2O2=CO2＋2H2O ；
②正极反应式： O2＋4e－ = 2O2－
；
则负极反应式： CH4＋4O2--8e- = CO2＋2H2O 。
(4)在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
①总反应式： CH4＋2O2=CO2＋2H2O ；
优点：制作简单，便于携带，价格便宜； 缺点：放电时间短，电压下降快；容易漏液（锌外壳变薄）糊状NH4Cl显酸性）
锌筒 石墨棒 NH4Cl、ZnCl2 糊 MnO2和C
普通锌-锰干电池的结构
氯化锌：用于电解液中主要 作用有：减缓锌片腐蚀,保持 电解液中的水分,破坏淀粉的 链状结构,加快电解液的糊化 速度,减少正极电芯在放电过 程中pH值的提高.
二、二次电池（充电电池）
充电电池又称二次电池，放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又 逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。
铅酸蓄电池
镍氢电池
锂离子电池
二、二次电池
1、铅酸蓄电池 Pb—PbO2—H2SO4 负极：Pb + SO24 – 2e- =PbSO4
正极：PbO2 +4H+ + SO24 +2e- =PbSO4 +2H2O
改进
①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池； ②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造 上进行改进，制成碱性锌锰电池。
一次电池
2、碱性锌锰电池 Zn—MnO2 —KOH
负极：Zn + 2OH– – 2e– =Zn(OH)2 正极：2MnO2 + 2H2O +2e– = 2MnOOH + 2OH–
《普通锌锰电池》课件
contents
目录
• 锌锰电池简介 • 锌锰电池的工作原理 • 锌锰电池的制造工艺 • 锌锰电池的优缺点 • 锌锰电池的应用场景 • 未来展望与研究方向
01
锌锰电池简介
定义与特点
定义
锌锰电池是一种以二氧化锰为正 极，锌为负极的原电池。
特点
价格便宜、携带方便、使用广泛 ，是日常生活中最常见的电池之 一。
对环境不友好
锌锰电池对环境有一定的 影响，例如锌锰电池中的 重金属会对土壤和水源造 成污染。
性能比较
续航时间
安全性
与其他类型的电池相比，锌锰电池的 续航时间较短，不适合长时间使用的 设备。
相对于锂电池而言，锌锰电池的安全 性较高，不易发生燃烧或爆炸等危险 情况。
充电方式
锌锰电池只能通过直流电源进行充电 ，而不能像锂电池那样支持快速充电 。
内阻测试
通过测量电池的内阻，评估电 池的性能。
容量测试
通过放电实验，测量电池的实 际容量，了解电池的储能性能
。
循环寿命测试
通过模拟实际使用情况，对电 池进行充放电循环实验，评估
电池的循环寿命。
04
锌锰电池的优缺点
优点
01
02
03
可靠性高
锌锰电池结构稳定，不易 发生泄漏或变形，因此可 靠性较高。
电压稳定
03
锌锰电池的制造工艺
材料准备
锌粉
作为电池的负极材料， 需要确保纯度高、粒度 适中，以便具有良好的
电化学性能。
锰氧化物
作为电池的正极材料， 通常选用二氧化锰，具 有较高的电化学活性。
电解液
通常选用氯化铵和氯化 锌的水溶液，能够提供
碱性锌锰干电池负极正极电池反应
1．组成 正极材料为 PbO2 ，负极材料为 Pb ，电 解质溶液为 30%H2SO4溶液 。 2．电极反应及电池反应 (1)放电时电极反应： 负极： Pb＋SO24－－2e－===PbSO4 。 正极： PbO2＋4H＋＋SO24－＋2e－===PbSO4＋2H2O 。
(2)充电时电极反应： 阳极： PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO24－ 。 阴极： PbSO4＋2e－===Pb＋SO24－。 (3)总反应：
(1)蓄电池充电时要注意连接方式： 蓄电池负极与直流电源的负极相连，蓄电 池正极与直流电源的正极相连。 其充电示意图如右图所示。
(2)二次电池充、放电过程的区别与联系：
(3)书写燃料电池的电极反应式时，要十分注意 电解质溶液的酸碱性，在碱性电解质溶液中，电极 反应式中不能出现H＋，在酸性电解质溶液中，电极 反应式中不能出现OH－。
H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)，下列说法错误
的是
()
A．电池工作时，锌失去电子 B．电池正极的电极反应式为。2MnO2(s)＋H2O(l)＋
2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq) C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上
1．下列说法中，不. 正确的是
()
A．化学电池是将化学能转变成电能的装置
B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池
和燃料电池等
C．化学电池供能稳定可靠，可以制成各种
形状和大小，使用方便，易于维护
D．废旧电池可以随意丢弃
解析：本题考查的是有关化学电池的概念、分类及 性能等方面的知识。废旧电池中含有重金属和酸、 碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康 危害很大，所以废旧电池应回收处理。 答案：D
碱性电池与碳性电池的区别
碱性电池与碳性电池的区别区别一常用的5号碱性电池、7号碱性电池分别用LR6、LR03来标识型号而5号碳性电池和7号碳性电池则用R6、R03标识，无“L”区别碱性或碳性最快方式，看是否有"L"区别二：碱性电池重量比碳性电池重如5号碱性电池每支重约23克而5号碳性电池每支重约11克再如7号碱性电池每支重9g7号的碳性电池每支重5g手感起来，电池重量是不同的碱性电池的外壳是钢壳碳性电池的外壳为锌铜碳性电池和碱性电池的本质区别在于内部材料的不同碳性电池由炭棒，锌皮组成但是内部有镉和水银，不利于环保因此它价格便宜而碱性电池不含有重金属离子防止漏液利于环保是未来电池发展的方向区别三：触摸槽位碱性电池在靠近负极底部的一端可以摸到环形的槽位碳性电池的圆柱面上一般没有任何槽位这是由于二者封口方法不同形成的在市场上有些碳性电池我们大力捏就会变形而碱性电池外观是不锈钢，坚硬不变形区别四：碱性电池采用电解二氧化锰制作环形正极锌粉和添加剂配置的锌膏作为负极因为电解液导电性强正负极材料表面积大大优于碳性电池以及强碱性条件下对锌-锰体系电化学反应的促进作用使得碱性电池的输出功率和容量都远胜于碳性电池碱性电池和碳性电池的优缺点一、碳性电池的优缺点碳性电池的全称应该是碳锌电池(因为它一般正级是炭棒，负极是锌皮)，也称为锌锰电池，是目前最普遍之干电池。
它有价格低廉和使用安全可靠的特点，它与碱性电池相比，本质区别在于内部材料不同，基于环保因素的考量，可能仍含有一些重金属，因此必须回收，以免对环境造成破坏。
因其电流小，更适用于手电筒、半导体收音机、石英钟、遥控器等。
二、碱性电池的优缺点碱性电池适用于需放电量大及长时间使用的电器。
电池内阻较低，因此产生的电流比一般锌锰电池大，导电是铜棒，外壳是钢壳，安全可靠，无须回收。
更适用于电动玩具、电动牙刷、无线鼠标键盘、电动剃须刀等大电流用电器。
总结：碱性电池电量一般是碳性电池的3-4倍，碳性电池适用在低电流的电器，碱性电池适用在高电流的电器。
野马电池技术先进、出口规模领先的锌锰电池制造商
自成立以来，野马电池 专注于高性能、环保锌锰电 池的研发、生产和销售，致 力于为客户提供高品质、长 寿命、无污染的绿色环保碱 性电池和碳性电池产品。
近日，野马电池首次公 开发行新股并在上交所主板 上市，募集资金拟用于“年 产 6.1 亿只碱性锌锰电池扩 建及技改项目”等。
海外客户基础深厚 出口规模行业领先
当 前， 中 国 锌 锰 电 池 厂商较大比例的产品进行出 口，随着全球经济的发展和 中国“一带பைடு நூலகம்路”战略的推 进，中国与亚欧沿线各国交 流程度加深，国内外基础设 施不断更新和完善，带动消 费快速增长，为中国电池行 业创造了新的增长空间。综 合实力位居国内前列的野马 电池也受益于此。
在扩展国际市场的同 时， 野 马 电 池 也 不 断 发 展、 打造自有品牌，积极开拓国 内市场。
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技术、研发优势显著 有助于把握新一轮行业机遇
在发展中，野马电池非 常重视技术的研发与积累， 形成了多项核心电池生产技
术。 截至目前，公司及其全
资子公司拥有已取得专利技 术 75 项， 其 中 发 明 专 利 20 项。野马电池是中国电池行 业协会副理事长单位，参与 起草和制定了多项国家和行 业等相关标准，具有较强的 行业地位。公司研发中心拥 有雄厚的研发能力，是最早 研发“无汞无镉绿色环保电 池”和“无汞无镉无铅绿色 环保电池”的企业之一。
电池300余年的发展史
化学史与化学史教育电池300余年的发展史但世辉* 陈莉莉(湖北襄阳市东风中学 441004)摘要 从300多年前 伏打电堆 的诞生之日起,电池便成为人类社会不可或缺的重要部分,能源短缺以及环境问题使人们一直在不停地寻找新的电池,也更进一步加速了电池的发展。
本文介绍了各种最新电池的发展历史及其原理和用途,并对电池的未来发展做出展望。
关键词 一次电池 二次电池 微生物燃料电池 太阳能电池 核电池从1600年美国科学家吉尔伯特建立了对电池的研究基础开始,电池的发展便从未停歇。
由1836年丹尼尔电池的诞生到1859年铅酸电池的发明,至1883年发明了氧化银电池,1899年发明了镍 镉电池 电池在19世纪便已进入了商品化阶段;进入20世纪后,电池理论和技术曾一度处于停滞时期,但在第二次世界大战之后,电池技术又进入了快速发展时期:1951年实现了镍 镉电池的密封化,1958年美国哈里斯公司提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质 20世纪80年代基于环保考虑,研究重点转向蓄电池并使其迅速发展;20世纪90年代进入了锂离子电池的天下,大大减少了铅酸电池等可充电电池所带来的污染;进入21世纪后,随着能源的紧缺和环保概念的升华,各国科学家也在努力寻求与时代发展同步且功能更强大的新型电池。
1 最早商业化的一次电池 碱性锌锰电池随着第二次世界大战的结束,为了适应重负荷用途的需要,进一步发展了碱性锌锰电池并由德国埃贝尔公司首先制成了商业碱性锌锰电池。
20世纪50年代末的深入研究发现,碱性锌锰电池能提供比酸性锌锰电池高得多的电流和容量,使得碱性锌锰电池的前景大为改观,并于20世纪60至70年代形成了碱性锌锰电池的新时代。
图1 碱性锌锰电池碱性锌锰电池(图1)的结构与酸性电池完全相反,电池中心是负极,锌呈粉状,正极区在外层,是MnO 2和KOH 混合物,外壳是钢筒。
碱性锌锰电池克服了酸性电池存放时间和电压不稳定的缺点,但仍然为一次电池,电池反应:Zn +2M nO 2+H 2O ZnO +2M nOOH碱性锌锰电池始于1882年,科学家勒克斯在一份德国专利中提出以MnO 2碳极板为正极,氢氧化钠或氢氧化钾溶液为电解液,以锌极板为负极的原电池。
化学电源的发展及应用
YYSZXB26y y化学电源的发展及应用焦元红(黄石理工学院师范学院,湖北黄石435003)[摘 要]综述了化学电源发展的基础、化学电源的种类、发展过程及在电器、电力、电讯、尖端科技等方面的应用,并指出了它的美好前景和发展方向. [关键词]化学电源;电器;绿色产品;绿色电池[中图分类号]O646 [文献标识码]A [文章编号]1008 6072(2006)03 0026 03随着信息技术的发展,通讯技术产品开发的日新月异,高能化学电源成为电子产品的原动力.化学电源即化学电池,通称电池.早在远古时代,就有了类似今天的电池装置,但人们公认的第一个电池还是Vo lta 在1800年利用不同金属与电解质接触所构成的 V otal 堆 ,电池技术取得实质性进展始于19世纪.1860年,法国人Plante 首次发明了实用的铅蓄电池,并于1882年商品化,这种电池至今仍是蓄电池的主导产品之一;1868年,法国工程师Gleclanche 发明了采用N H 4Cl 水溶液作电解质溶液的锌/二氧化锰电池,而成为当今使用最广泛的锌锰电池的雏形(又称lecclanche),这种电池于1888年商品化;19世纪末20世纪初,镉镍、铁镍等碱性蓄电池系列相继问世;20世纪90年代,电子技术、移动通讯事业的进步推动了电池产业和技术的高速发展,金属氢化物镍电池、锂离子等新型蓄电池系列不断商品化.电动车的发展促进了锌空气、锌镍、燃料等系列取得突破性进展[1].随着科学技术的不断进步,新的电池系列越来越多.因而,化学电源是一门古老而又年轻的科学[2].1 化学电源发展的基础从历史发展来看,化学电源是依赖于汽车、电器、电力、电讯的发展而发展,随着社会的进步,人们生活水平的提高,电器产品及电讯工具和人们密不可分,因而为电器的发展奠定了基础.1.1 电池随社会的需求而出现,随着科技的进步而发展电池虽然经历了两个世纪,然而在20世纪前几十年,电池理论和技术还处于停滞时期,直到上个世纪50年代,家庭电器化特别是半导体收音机的出现才带动了干电池的发展.60年代半导体的普及,促进了纸板电池的发展.70年代L ED 、L CD 和CM OSIC 计算机的出现,促进了电池的微型化.90年代随着移动电话的出现出现了高能量密度锂离子电池以及M H/N i 电池的商品化.同样,电池随着航空航天的要求使以往设想的燃料电池达到实用化.1.2 电池的进步,很大程度上取决于材料的进展碱锰电池的兴起,得益于电解二氧化锰,这的确是为了电池的需要引起的.但M H /N i 电池的兴起,吸氢材料的研究开始并非为了电池的需要.锂离子电池的开发有赖于碳素的研究,而导电聚合物材料的研究有可能改变固态电解质电池的面貌[3].1.3 电池的需用量是受使用电池器具的消费量所左右90年代的4C 工业(计算机、移动电话、摄像机以及无绳工具)的普及,日常生活对电池的需要已到了须臾不可分离的地步.据报道,世界人口年均电池消耗量已达6~8只,而发达国家的年人均消费量超过20只.因此电池的发展必须能赶上电器用具的发展.形状或方或圆,厚度或薄或厚,功率密度与能量密度或高或低,体积或大或小,质量或轻或重,用途可军可民,温度适应或高或低,承受冲击力可大可小,总之在20世纪的标准化有可能向非标准化迈进.2 化学电源的种类2.1 锌-二氧化锰电池锌-二氧化锰电池(简称锌锰电池)采用二氧化锰作正极,锌作负极,氯化铵和氯化锌的水溶液作电解质溶液,面糊粉或浆层纸作隔离层.锌锰电池的电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其他载体上,而成不流动状态,所以又称 干电池 .锌锰电池常按用电器具的要求制成圆柱形和方形;按使用隔离层的区别分为糊式电池和纸板电池(包括铵型纸板电池和锌型纸板电池).锌锰电池适合小电2006年6月郧阳师范高等专科学校学报Jun.2006第26卷第3期Journal of Y unyang T eachers Co llege V ol.26No.3y y [收稿日期]2006-04-18[作者简介]焦元红(1971-),女,湖北赤壁人,黄石理工学院师范学院讲师,主要从事有机化学教学与研究.流间歇放电,如收音机、手电筒等,是历史最悠久的电池产品[4].目前,该产品仍然是民用电池的主导产品之一.碱性锌-二氧化锰是20世纪中期在锌锰电池的基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型.它采用活性高的专用电解二氧化锰作正极活性物质,氢氧化钾水溶液作电解质溶液,锌膏作负极,电池采用反极结构,使电化学反应面积成倍增长,大电流连续放电,其容量是普通锌锰电池的5倍左右.碱性锌锰电池分为一次碱性锌锰电池和可充碱性锌锰电池,该电池也可根据用电器具的需要制成圆柱形和纽扣型.20世纪90年代初,碱性锌锰电池无汞化技术的突破和可充电的实现,使该产品的竞争力进一步加强,在20 -30年之内,有着不可完全取代的原电池地位.目前, 南孚 、 双鹿 、 白象 等品牌达到国际标准,生产速率最高200只/min(美国、日本已达300只/min以上)[5].2.2 铅蓄电池铅蓄电池具有价格低廉,原料易得,使用可靠,又可大电流放电等优点,因此,一直是化学电源中产量大、应用广的产品.由正极板、负极板、电解液、隔板和容器(电解槽)等5个部分组成.采用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙稀、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板.按用途可分为起动用、牵引用、铁路客车用、内燃机车用、船舶用、航空用、潜艇用、鱼雷用、坦克用等种类;接极板结构可分为涂膏式、管式和形成式等;按荷电状态等可分为干放电态、干荷电态、湿荷电态和免维护等;按电池的外形结构可分为开口式、阀控密闭式、防酸隔爆式和消氢式等[6].该电池具有工作电压高、高倍率放电性能和高低温性能好、无记忆效应等优点,但其比能量较低,废弃电池对环境污染严重,随着各种新系列蓄电池的不断问世,其应用领域将不断减少.2.3 镍镉电池金属氢化物镍电池镉镍电池是1898年瑞典科学家Jungner发明,已有100年历史.它的负极是金属镉(Cd),正极是二氧化镍(NiO2),电解液是氢氧化钾(KOH)溶液.镉镍电池的性能特点:电池结构紧凑,耐冲击振动,自放电小,性能稳定,可大电流放电,循环寿命长,使用温度范围-20~65 .但电流效率及能量效率欠佳,活性物质利用率较低,有记忆效应.为了解决金属镉对环境的污染问题,人们找到了一种可替代金属镉的气态氢化物,制成氢化物镍电池.该电池是镉镍电池的换代产品,是以金属氢化物作负极,氧化镍作正极的碱性蓄电池.它具有以下特点:比能量高,是Cd -N i电池的1.5~2倍;工作电压为1.2~3V,与Cd-N i 电池有互换性;可快速充放电,耐过充、过放性能优良,无记忆效应,贮氢材料来源广泛;不产生镉污染,被誉为 绿色电池 .开发 绿色电池 已越来越成为电池产企业关注的焦点,我国稀土资源十分丰富,开发我国无污染的 绿色电池 大有前途[7].上述两种电池按封口的方法可分为开口式、密封式、全密封式;按照电极的制作分为袋式、粘结式、烧结式和泡沫式等.2.4 锂电池以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池通称锂电池.锂电池有卷式圆柱形、电芯式圆柱形、扣式和矩形等多种结构,可分为一次锂电池和二次锂电池,一次锂电池通常以金属锂作负极,采用的电解质溶液都为非水电解质溶液,在有机溶剂中加入无机盐使之导电.一次锂电池存在安全性较差、功率低、成本高等不足.一般用于小电流放电的微型电器,如电子手表、计算器、电子照相机.锂离子电池是在锂电池基础上发展起来的新型电池.该电池用能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,LiCo O2、L iN iO2、L iM n2O4等作正极,混和电解液如L iP F6的碳酸乙酯/碳酸甲乙酯溶液等作电解质溶液,既保持了高电压、高容量的优点,又具有比能量大、循环寿命长、安全性能好、无记忆效应等特点,已广泛应用于手机、便携式视听设备、笔记本电脑等高档电器中,是目前最具有发展前途的小型二次电池[8].锂聚合物电池是采用固态聚合物作电解质的锂离子电池,具有比能量大、超薄、超轻、柔软等特性,可实现电池的自由切割,又能以大电流放电.可用于通讯、便携式电子设备、电动车、军事、航天、航海设备[9],随着该电池一些技术问题的解决,其应用范围将更加广泛,发展前景将更加广阔.2.5 锌银电池以锌作负极活性物质、A gO/A g2O作正极活性物质的电池称为锌银电池.锌银电池亦分为一次锌银电池和锌银蓄电池两类.锌银一次电池适用于小电流连续放电的微型器具,广泛用于电子手表、照相机、微型电子仪器等小型电子器具.锌银蓄电池主要用于军事、国防、尖端科技领域[10],如卫星电源、航天起动电源、导弹用电源、鱼雷动力电源[11]、军用歼击机随航应急电源等.3 化学电源发展的方向3.1 未来小型电池的前景十分乐观据有关统计2003年美国人均年耗电池21只,日本人均16只,欧洲为11只,我国仅为6只,而美洲3只不到.随着科技日益发展,对生活水平提高,将有多种形式的电器开拓而进入千家万户,这将促进小型电池的大量发展,人均将增加0.5~4只不等,即需增产电池数十亿只,电池前景十分乐观.YYSZXB273.2 大型电池和中型电池的前景十分诱人由于人类环境意识的增强及石油的短缺,未来的汽车势必采用电动汽车.当前汽车所用的电池,其用途只作为起动、点火、照明,需用量已在2亿只以上.如作为汽车动力用途,至少每辆车用8只以上,将形成供不应求的局面,前景十分诱人[12].3.3 增强意识 向绿色产品看齐当前,全球环境问题日益严峻,珍惜资源与爱护环境蔚然成风,绿色化学已经成为国际化学研究的前沿.电池行业也与时俱进,向绿色产品看齐.主要的成就是:锌锰电池中去汞、代汞获得了成功,把曾经一度广泛使用的Zn/Hg O电池基本停止了生产;尽管Cd/Ni电池的技术不断成熟,却开发了取代它的M H/N i电池;随后出现的燃料电池和锂离子电池有望成为绿色电池的佼佼者[13].同样,开发新电源也必须以 绿色 为准绳,这是发展的必然趋势.3.4 加强研究开辟活性材料的新途径化学电源工业所需的有色金属和重金属,如锌、镍、镉、铅、银等资源均不丰富,随着工业腾飞之后,势必造成供不应求.电池行业必须打开思路,寻找新途径.以往M H/N i电池取代Cd/N i电池不仅实现了电池的绿色化,而且也充分利用了我国的稀土资源,解决了镉不足等问题.同样,铝是地壳中最丰富的金属元素,也是金属中最廉价的,而且有较高的安时容量(298A h/g),由于其它原因,但对铝的研究未能商品化[14].因此,对铝的化学电源的研究开发,蕴含诱人的前景与挑战.自然资源总是有限的,而合成材料的潜力是无限的.今后可有意识地运用分子设计的思想,把导电聚合物材料、固体电解质合成纳入分子工程的对象.导电材料如聚苯胺,聚吡咯,聚噻吩等一系列合成材料开为先河,而分子剪裁将可满足在一定条件下作为正负极活性材料而出现.此外,纳米微粒作为电池正负极材料的可能性是存在的,催化性质已被证实,越来越多的研究显现了它的特性.如果纳米材料在电池中得到实用,电池的性能有可能达到一个新的高度[15].3.5 提高质量创世界名牌电池我国是电池大国,但并不是电池强国,电池产品多为低档产品.而电器在不断地改进,要求高性能和多规格的电池相配备,这既是压力也是动力,电池行业必须在质量等方面下功夫,促进产品的更新换代,加强经营管理,才能与D ur acell、Ex ide、Y uasa、Cathano de等公司相竞争,创世界名牌,电池行业才会有希望.总之,由于电子技术、通讯事业、信息产业的飞速发展及国际上对环境和资源保护的日益重视,促使化学电源产品向高容量、高性能、低消耗、无公害、体积小和重量轻的方向发展.小型二次高能电池朝着这个方向飞速前进,将成为21世纪世界科技中一颗璀璨的明珠.[参考文献][1]王金良,马扣祥.化学电源科普知识[J].电池工业,2000,(4).[2]夏熙.中国化学电源五十年(1)-锌/二氧化锰[J].电池, 1999,(5).[3]夏熙.迈向21世纪的化学电源[J].电池,2000,(3).[4]王金良,马扣祥.化学电源科普知识[J].电池工业,2000,(5).[5]王毓明,王坚.高能电池 当代化学电源[J].大学化学, 2000,(5).[6]肖晓军,高剑南.几种发展中的化学电源简介[J].知识介绍, 1999,(7).[7]张继元.我国化学电源工业发展的方向[J].电池工业,1996, (1).[8]曹云平.锂离子蓄电池的进展[J].化工纵横,2000,(11).[9]游清治.锂在高新技术领域中的应用及进展[J].新疆有色金属,2003,(4).[10]汪继强.化学电源技术发展和展望[J].电源技术,1994,(5).[11]碚华,夏天.鱼雷动力电池研究进展[J].鱼雷技术,2005, (2).[12]张继元.我国化学电源工业发展的方向[J].电池工业,1996, (1).[13]熊玮,闫慧忠,赵增祺,孔繁清.稀土材料在绿色化学电源中的应用进展[J].稀土,2003,(4).[14]张曦,顾志忙,陶映初.铝化学电源研究进展[J].现代化工, 1998,(10).[15]夏熙.纳米微粒作为电池活性材料的前景[J].电池,1998, (6).编校:胡军福Development and Application of Chemical PowerJIA O Yuan-hong(N or mal Schoo l,H uang shi Inst itute of T echno lo gy,H uang shi435003,China) Abstract:T he paper,has summa rized the categ or ies and the develo pment processes of chemical pow er and its appl-i catio n in t he field of elect rical equipment,electr ical pow er,teleco mmunicatio ns and some adv anced techno log ies,and po inted o ut the cheer ful pro spects and dev elopment direction o f chemical po wer.Key words:chemical po wer;elect rical equipment;gr een pro ducts;g reen cellYYSZXB28。
浅谈碱性锌锰电池的技术革新
ｓｏ ｎｔａ： ｉ ａ ａｉ ａ ｅｏ ｔ ｎ ｄｂ ｅｕ ｉｇｔｅｔｉ ｎｓ ｏ ｔ ｌ ａ ． ｙａｊｓ ｎ ａ ｏｏ ｌ ｈｗ ｔｈｇ ｃｐ ｃｔ ｍ ｙｂ ｂｍ ｅ ｙｒｄ ｃ ｃ ｅｓ ｆ ｅ ｎ ｂ ｄｕｔ ｇｒｔ ｆ ｌ ｈ ｈ ｙ ｎ ｈ ｈ ｋ ｓ ｅｃ ｉ ｉ ｍａ—
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面
壳壁厚 ， 增大电池 内部有效体积， 从而实现活性物质
１ 容 量
容量 的提高在电池行业中是一个永不褪色的话 题， 由于碱性 Ｚ — ｎ ｚ ｎＭ Ｏ 电池是标准件 ， 具体的规格形 状 ＩＣ标 准 和国标 都有 明确 规定 ，在形状 上进 行变 Ｅ