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锌锰电池

/zinc-manganese dioxide cell/
条目作者季恒星

季恒星

最后更新 2024-09-24
浏览 254
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以锌(Zn)作为负极,二氧化锰(MnO2)作为正极,电解质通常为氯化铵(NH4Cl)或氯化锌(ZnCl2)溶液与淀粉混合制成糊状的原电池。是一种常见的一次电池。俗称干电池。

英文名称
zinc-manganese dioxide cell
俗称
干电池
所属学科
化学

这类电池被广泛用于日常的便携式设备中,如手电筒、遥控器、玩具等。

锌锰电池的发展经历了漫长的演变,早在1868年法国工程师G.勒克朗谢[注]采用二氧化锰和炭粉作正极粉料,将其压入多孔陶瓷的圆筒体中,并插上一根碳棒集流器作正极,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,德国科学家C.加斯纳[注]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,并将锌片做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,使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的使用打下了良好的基础。1890年前后这种电池在全世界范围内投入工业化生产。

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,以防止碳棒爬液,减轻对金属集流体的腐蚀。

1923年采用乙炔黑代替石墨粉,使容量提高40%~50%,1945年电解二氧化锰在电池中的应用使锌锰电池的放电性能进一步提高。然而,随着时代的发展,普通碱性锌锰电池不能满足市场的需求。

早在100多年前就有人提出过用锌作负极,MnO2作正极,KOH或NaOH作电解液,在漫长的研究过程中主要围绕四个问题进行:①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;②采用反极结构,提高MnO2的填充量,使正负极容量相匹配;③对锌粉汞齐化处理和碱液中加ZnO,解决锌在碱液中的腐蚀;④密封结构和密封材料的改进,解决爬碱现象。

直到20世纪50代前后在锌锰干电池的基础上成功研制出碱性锌锰电池(见图)。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。不仅容量高,还适合于大电流连续放电。还具有优良的低温性能,储存性能和防漏性能。

碱性干电池剖面图碱性干电池剖面图

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%,20世纪80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90年代中期,无汞碱锰电池进入市场。

同时,从20世纪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21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。

锌锰电池的反应方程式如下:

Zn(s)+2OH-(aq)→ZnO(s)+H2O(l)+2e-

2MnO2(s)+H2O(l)+2e-→Mn2O3(s)+2OH-(aq)

锌锰电池的容量比碳锌电池为高,原因是电极材料利用率较高、用作阴极的二氧化锰和用作阳极的锌粉有较高的纯度同密度,内部零件体积较小(如电极)也让出空间而增加容量。总体来说碱性电池比碳锌电池多3~6倍容量。

其容量会随输出电流增加而变小,例如,同一枚电池可以在低电流(0.1安)时有3000毫安·时容量,但若是高电流(1安)时,容量可能只有700毫安·时,小于原来的1/4。AA碱性电池在小电流放电时平均容量大约为2000毫安·时,而AAA电池容量大约是AA电池的1/2至1/3。

无负载状态的电压一般为1.5伏左右。未使用的全新电池,空载电压可能接近1.65伏,随着电池使用越久,电压会不断下降,当电压低于1.0伏或0.9伏后可视之为电池已经失效。电池当接上负载后,随输出电流的增加电压会下降,在一般负载下电压常常会降至1.1~1.3伏。电池接上负载后的电压下降是由于极化和内阻造成的。通常全新的AA碱性电池内阻约有100毫欧,并随着使用时间的变长而加大。

电池所能输出的电流比碳锌电池大,却比一般蓄电池小。容量较大的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中蓄积废热而升温,一般AA电池可以输出700毫安电流也不至于明显升温,较大型号的C、D电池就可产生较小热能而不明显升温。

锌锰电池价格低廉,制作工艺简单,原材料广泛,因此成本较低。其适用性广,适用于低功耗和间歇性使用的设备。然而锌锰电池的容量有限,能量密度相对较低,不适合高功率或长时间持续供电的设备。由于电解质为液态溶液,锌锰电池使用后期或长时间存放时,可能发生漏液现象,导致设备损坏。

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