碱性锌锰电池的开发与应用

我声明提交的毕业论文是我在导师的指导下进行研究和开发的结果. 论文写作不包括他人发表或撰写的研究内容. 如果提及他人或集体的科学研究成就，则在论文中有明确说明. 第一章导言第二章碱性锌锰电池概述2.1碱性锌锰电池的工作原理2.2碱性锌锰电池的结构2.3碱性锌锰电池的特性第三章碱性锌锰电池的研究进展3.1.1无汞锌粉的开发和组成3.1.2在电液中添加汞替代腐蚀抑制剂3.1.3提高原材料的纯度选择优质原材料3.1.4加强工艺控制第4章应用和使用中的问题碱性锌锰电池的制造4.1碱性锌锰电池的应用4.2使用中的主要问题第五章碱性锌锰电池的现状和发展趋势13参考文章本文介绍了碱性锌锰电池的发展现状和应用. 碱性锌锰电池的研究现状，存在的问题和应用的工作原理和综合描述. 关键字: 碱性锰电池正负极材料的发展趋势第1章引言到目前为止，锌锰电池的发展经历了漫长的发展，早在1868年法国工程师George Lackland就使用二氧化锰和碳粉作为正极粉，将其压制成在多孔陶瓷圆柱体中，插入碳棒集流体作为正极，并使用锌棒将溶液部分插入作为负极. 电解液是20％氯化铵水溶液，电池的容器由玻璃瓶制成，是第一个锌锰湿电池.

1886年，瓦斯将氯化铵水溶液改为氯化铵，氯化锌，石膏和水合成糊剂，并将锌片制成圆柱状作为电池容器，并同时用石蜡密封，因此制成了原始电池的原型. 此后不久，面粉和淀粉被用作电解液的胶凝剂，极大地改善了锌锰电池的便携性，为此类电池的工业化生产和广泛使用奠定了良好的基础. 大约在1890年，该电池在世界范围内投入了工业生产. 大约在1870年，采用了混合锌阳极来减少锌的自放电. 1877年，将碳棒浸入蜡中，以防止碳棒蠕变流体并减少金属集电器的腐蚀. 早在100多年前，有人提议使用锌作为负极，MnO2作为正极，而KOH NaOH作为电解质. 在漫长的研究过程中，主要存在四个问题: 首先，使用粉末状多孔锌电极代替片状电极. 降低放电电流密度，解决锌片易在碱性溶液中钝化的缺点；其次，采用反极结构，以增加MnO2的填充量，以匹配正负电极的容量. 第三，将高锰酸盐锌粉和碱加入溶液中，以解决锌在碱溶液中的腐蚀. 第四，改善密封结构和密封材料，解决碱爬现象. 直到1950年代，碱性锌锰电池是在锌锰干电池的基础上成功开发的. 它使用锌粉作为负极，电解二氧化锰作为正极，电解质使用NaOH或KOH来使电池性能翻倍.

它不仅容量高，而且适合于大电流连续放电. 它还具有出色的低温性能，存储性能和防漏性能. 2％〜6％，随着1980年代后期人们对环境意识的增强，无汞碱性锰电池的研究热潮开始了，它寻找锌粉中的有机或无机汞抑制剂和合金元素（主要是Al，Bi，其中，Pb）成为主要研究方向. 到1990年代中期，无汞碱性锰电池进入市场. 同时，自1960年代以来，对可充电碱性锌锰二次电池进行了广泛的研究. 经过三十多年的研究，取得了突破性的进展，但由于其放电深度浅，循环寿命短等优点，已进入第二次. 自十一世纪以来，碱性锌锰电池发展迅速，并有发展的趋势. 更换普通的锌锰电池和其他电池. 同时，电器的发展对碱性锰电池的大容量和大电流放电提出了更高的要求. 因此，未来对碱锰电池的研究主要集中在大功率重载放电性能，电池容量的提高和存储寿命的提高上. 第2章碱性锌锰电池概述2.1碱性锌锰电池的工作原理（-）ZnKOH（饱和ZnO）MnO2（+）（2-1）Zn + 2OH- = ZnO + H2O + 2e（2-2 ）2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH + 2OH-（2-3）Zn + 2MnO2 + H2O = ZnO + 2MnOOH（2-4）碱性溶液中正极MnO2的放电分两步进行.

第一电子放电步骤是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，从而逐渐将MnO2还原为MnOOH. 在该步骤开始时，MnO2固相的基本晶体结构没有改变，只有晶格膨胀. 如果此时停止放电并进行充电，则MnO 2具有良好的可逆性. 第二电子放电步骤由“溶解-沉积机理”执行，这是不完全可逆的过程. 原因是当排出MnOOH时形成了Mn3O4，并且当其被充电时部分放电产物Mn（OH）2被氧化成Mn5O4. 生成的Mn3O4既不能被氧化也不能被还原. 在充电和放电过程中会累积. 一方面，它消耗了活性材料，另一方面，电池的内阻迅速增加，导致MnO2电极的容量下降[2]. 负极的放电行为的宏观顺序为: 从正极附近的部分到负极集电体的附近，这是由于放电时多孔电极的各部分的极化不同而引起的. 增加正负极的对应面积可以大大提高碱性锌锰电池的放电性能，特别是大电流放电性能. 负极钝化受锌粉厚度的影响. 2.2碱性锌锰电池的结构碱性锌锰电池具有代表性的圆柱形状，与圆柱形普通锌锰电池的结构相反. 在碱性锌锰电池中，环状正极靠近容器的钢制圆筒的内壁. 负极位于正极的中间. 有一个钉子形的负极集电器. 正极.

为便于与普通锌锰电池互换使用，并避免在使用过程中正极和负极出属片（假底），使碱性锌锰电池的外观为正，负极性和形状与普通锌锰电池一致. 该结构使用金属网作为载体，将正电极和负电极压成细条状，然后将隔板叠置并卷成螺旋（电容）结构电池. 这种结构的特点是正极和负极的有效面积大. 过电势很小，因此在低温和大电流放电下可以获得更高的容量. 方形单节电池的正极和负极采用极组结构，将正极和负极分别压成方形片碱性锌锰电池生产工艺，并在极片之间夹有金属集电器. 2.3碱性锰电池的特性Zincate [Zn（OH）-]在负极放电时产生，ZnO的浓度达到饱和后会沉积ZnO. 放电的最终产物ZnO是两性物质，并且KOH溶液中的锌酸盐[Zn（OH）-]之间存在溶液平衡. 由于负极放电反应遵循溶解-沉积机理，产物ZnO和反应物Zn属于两相，因此Zn电极的放电曲线非常平坦，放电平台清晰，且Zn的电位电极突然突然跳动，直到负极放电结束. 正向移位. 正极放电反应产物水镁石（MnOOH）通过相的质子扩散而转移到电极内部. 固相质子扩散过程是正极放电反应的速度控制步骤. 电极反应的速度取决于固相质子扩散的速度.

由于通过质子电子机理在反应物MnO2的晶格中生成水镁石（MnOOH），因此MnOOH和MnOO2以相同的固相存在，并且反应具有均质性，因此根据能斯特式中，随着MnOOH和MnO2的固相浓度之比增加，反应的平衡电位继续负向移动. 这是在MnO 2放电期间电极电势持续降低的主要原因. 电极放电曲线上没有明显的放电平台. 由于碱性锰电池的正极仅使用石墨作为导电材料，而不是乙炔黑，因此可以压缩成致密的锰环. 因此，在相同的电池空间中，碱性锰电池比中性电池可填充更多的正极和负极活性. 同时，碱性锰电池的正极使用电解锰，负极使用多孔锌粉结构. 正极和负极的极化比中性电池的极化小，活性材料的利用率更高，KOH电解质的电导率比中性电解质强，并且电池的欧姆内阻为碱性锰电池的放电容量要比中性电池的放电容量高出五倍. 排出. 由于固相质子扩散过程是正极放电反应的速度控制步骤，因此缓慢的扩散速率导致放电产物MnOOH积聚在电极表面上并导致极化增加. 间歇放电时，固相质子扩散仍可继续，MnOOH2仍可继续从电极表面向内部转移，电极性能恢复，因此碱性锰电池具有回收特性，常用于间歇性放电，间歇放电的容量要大于连续放电的容量.

但是，在无汞条件下，部分放电后锌电极的自放电会增加，因此需要非常严格的腐蚀抑制措施. 如果电池中含有少量有害杂质（例如Cu），则在部分放电后也会出现缓慢的枝晶短路，因此电池必须确保严格的清洁条件，以避免有害杂质污染. KOH水溶液的凝固点低，正极和负极的极化小，负极采用多电极锌粉电极结构，减缓了锌电极的钝化. 因此，碱性锰电池在低温条件下的放电特性要优于中性锌锰电池，后者可以在40°C的温度下工作，并且在20:20时可以释放40％至50％的容量时[4]. 第三章碱性锌锰电池的研究进展随着人类社会和文明的不断发展，各国对生态环境的保护要求越来越强，青睐“绿色电池”. 西方发达国家已经基本实现了低汞和无汞，中国也明确规定: 从2001年起，禁止生产汞含量超过电池重量的0.025％的各种电池；自2005年起，禁止生产汞含量超过电池重量百分比（碱性锌锰电池）0.0001的汞. 因此，除汞已成为当今电池研究的热点. 在碱性锌锰电池中，锌腐蚀和氢逸出是不可避免的. 锌极合并是因为汞的析氢潜力很高，形成的合并膜可以均匀地覆盖锌粉的表面，改变锌粉的表面活性，达到抑制锌腐蚀的目的，使放电持续进行，气体减少了沉淀的量，并增强了电池的抗冲击性.

要实属等. 这些元素中的一些可以增加锌的氢释放潜力（例如铅，铋等），一些可以改变锌（例如铝，钡等），铟，铋，铝等的表面特性也可以增加电池的放电容量. 在未放电状态或放电初期，某些元素和锌的合金几乎与锌汞齐一样有效. 铟的低熔点可以减缓某些放电电池的氢释放，因此广泛用于无汞锌粉[5]. 有几种不同的制造无汞锌粉的方法. 微量元素可以与锌共晶以形成合金，或者微量元素可以形成在锌粉的表面上，或者可以通过置换将一些金属（或其化合物）添加到电解质中. 它沉积在锌的表面上，以改变锌合金的表面性能. 后两种方法比前一种更具优势，后者既经济又实用. 除了减少锌的氢逸出，它还可以改善锌粉颗粒之间的接触并改善电池的存储性能和抗震性能，但是还不成熟. 3.1.2在电液中添加汞抑制剂汞抑制剂的主要类型有两种: 一种是无机腐蚀抑制剂（包含金属，氧化物，氢氧化物和无机盐）；另一种是无机腐蚀抑制剂. 另一种是有机腐蚀抑制剂. 蚀刻剂.

有两种类型的有机缓蚀剂，一种是表面活性剂，例如聚环氧乙烷，聚乙二醇衍生物，有机磷酸盐，胺，多元醇等；另一个是Xiao 3.1. 3提高原材料的纯度选择高质量的原材料无汞电池比含汞电池对有害杂质更敏感. 无汞电池对原材料中的重金属元素非常敏感. 铁和铝等元素很容易使电池攀爬碱，铜等元素会导致电池短路. 即使阳极材料包含痕量的具有高氢逸出交换电流密度的金属（例如铁，镍等），也有产生气体的危险[7]. 因此，有必要有效地控制原料中的杂质含量并提高原料的纯度. 然而碱性锌锰电池生产工艺，使用传统方法使铁含量小于10-6是困难的. 锌粉的生产必须使用多种熔融雾化方法，并且还必须有效控制容器，工具和空气中的铁含量. 但是，如果电解方法能够成功，它就有其独特的优势. 3.1.4加强过程控制首先，必须有一个清洁的生产环境，并且所有过程都必须保持无尘. 灰尘的混合还会增加电池的排气量. CO2非常敏感，容易在空气中碳酸化. 当原料中碳酸盐的量过多时，容易引起“碱上升”. 因此，有必要有效地控制空气中的CO 2浓度并减少空气中未密封的过程中电池的时间. 在装配设备上加一个密封盖，并在（氮气保护）或密封条件下制备阳极浆料和电解质. 正极粉，正极环和半成品越短越好，是控制碳酸化的有效措施.

对于汞来说，控制环境湿度，加强密封以克服碱攀爬，改善工艺配方以减少脱气量，适当增加正负极活性物质的比例以增加电池容量等非常必要. 碱性锌锰电池. 第四章碱性锌锰电池的使用和使用中的问题4.1碱性锌锰电池的应用无论是民用还是军用，一次碱性锌锰电池都主要用作电源. 普通的锌锰电池（俗称锌碳电池或IjcIanch6电池）在大电流下的连续电流性能较差，而碱性锌锰电池在大电流下却可以连续工作. 它们最适合需要大电流电源的设备，例如照相机，野外照相机，遥控飞机和海上模型，电动工具，电动玩具，录音机等. 它具有高容量和低内阻. 与普通的锌锰电池相比，它可以为电气设备或电器提供更平滑的工作电压和更长的工作时间. 它适合用作，笔记本计算机，寻呼机，测试仪器，，手持和其他设备的配套电源. 其优异的高温放电性能和中电流放电下的高工作电压使这些碱性锌锰电池在某些领域（例如，地下作业现场和高温环境）中比罐镍电池更具优势. 此外，碱性锌锰可充电电池不仅具有良好的电荷保持能力，而且还充分利用了电池的活性材料，从而节省了资源，保护了环境，降低了使用成本，并使碱性锌的性能-锰电池的价格比（性价比比）得到了进一步的提高，并且没有记忆效应，这使得碱性锌锰电池更具竞争力，应用领域将更加广泛.

在军事装备中，由于碱性锌锰电池的易用性，出色的性能和较长的存储期限，它们已被用作装备的支撑设备. 特别是在军事通信设备中，它被广泛用作战术，野外电话，终端设备，仪器仪表的辅助电源. 在野外条件下，没有市电，并且充电非常困难，而这全部依靠电池供电. 处于工作状态24小时，并且在发送消息时会消耗大量功率. 为了确保通信不中断，支持电池必须具有较长的工作时间和良好的连续工作能力. 碱性锌锰电池可以更好地满足这些要求. 要求，因此，目前用于战术的一次电池主要是碱性锌锰电池[6]. 电池是通信设备的“粒”和“血”. 它们是消耗品. 万一发生意外情况，有足够的电池可以使用时，需要存储一定数量的电池. 优质碱性锌锰电池的储存期可能超过5年，这是其他一次电池难以达到的. 因此，碱性锌锰电池的优异存储性能是军事用途的另一主要用途，作为备用电池[7]. 4.2使用中的主要问题近年来，我国的电池工业发展迅速. 我国的碱性锌锰电池从包装到内部质量，从容量，防漏性能到储藏性能都有很大提高，与国际先进水平的差距正在缩小. 通过注重质量，创建知名品牌和灵活的营销策略，我国的碱性锌锰电池在中国和军事领域都树立了良好的形象. 在军事通信中，碱性锌锰电池已开始取代普通的锌锰电池，并日益受到军方的欢迎. 在使用中，它还暴露了我国碱性锌锰电池的性能和质量方面的一些问题. 在我国制造碱性锌锰电

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