堿錳電池的小電流恒阻放電特性

徐宏磊 史振華 張金艷 任麗俐

浙江長虹飛獅電器工業(yè)有限公司，中國·浙江 嘉興 314001

1 堿錳電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)如今市場上大部分的堿錳電池采用的都是反極式的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常都是正極在內(nèi)側(cè)，負極在外側(cè)[1]。堿錳電池與一些中性的堿錳電池的結(jié)構(gòu)是正好相反的。這也是屬于堿錳電池特有的小電流恒阻放電特性[2]。堿錳電池的小電流恒阻放電特性的顯著特征就是在電池內(nèi)部的內(nèi)部有一根細小的銅針，而銅針的主要作用就是為集流體引出電流。銅針引出的電流與正極為集流體形成一個相融合的模式，這也是當(dāng)今堿錳電池小電流恒阻放電的一大主要特性[3]。在結(jié)構(gòu)上可以使導(dǎo)電性能相對較弱的電池正極作為電池外側(cè)來進行引流，同時采用鋼殼來作為正極及流體的接觸，這樣可以使堿錳電池放出的小電流有效降低正極電流密度，會在很大程度上提高電池的有效功率，密度也會有所提升[4]。在此基礎(chǔ)上，在電池的內(nèi)部負極上也會使用一些鋅粉，這些鋅粉的使用也會為堿錳電池小電流的放電提供更強的密度。同時，堿錳電池的小電流在放電時也會采用一些面積比較小的銅釘來作為負極的集流體，這種好處就是在某種程度上可以控制負極集流體不斷發(fā)電。值得一提的是，這項對于電池結(jié)構(gòu)上的改進，對堿錳電池的小電流放電起到了非常重要的作用[5]。

2 堿錳電池小電流放電特性

堿錳電池的正極活性物質(zhì)主要為二氧化錳。二氧化錳在很大程度上為小電流放電提供了一定的恒阻性[6]。二氧化錳是作為正極活性物質(zhì)來使用，所以在小電流放電的過程中，大部分都會被還原。而二氧化錳自身具有的導(dǎo)電性比較差，這是因為它自身就是一種半導(dǎo)體，所以在被還原的過程中，不同于一些金屬電極[7]。二氧化錳在被電化學(xué)還原通常是分成兩步來進行的，具體內(nèi)容如下。

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第一步，二氧化錳作為正極活性物質(zhì)，在被還原的通常是二氧化錳表面的顆粒，通常初級過程結(jié)束后，二氧化錳被還原成低價錳，這一反應(yīng)也叫作二氧化錳的初級反應(yīng)。初級反應(yīng)為堿錳電池小電流的恒阻性打下了一個堅實的基礎(chǔ)[8]。

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第二步被稱為次級過程，這一過程中二氧化錳被還原成水錳石，被還原成的水錳石進一步與電池中的電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9]。次級反應(yīng)發(fā)生過后，二氧化錳就離開了電極表面，其中，水錳石的轉(zhuǎn)移可以使堿錳電池的小電流可以得到最終釋放。

3 影響堿錳電池小電流放電因素

3.1 負極材料的選擇

不管是何種結(jié)構(gòu)的堿性鋅錳電池，電池內(nèi)部勻存在一定量的氧氣。為驗證氧氣引起的自放電，電池廠家在負極鋅膏的中心位置留下一個大氣泡，使銅釘裸露在空氣泡中，對比電池分別為無氣泡的電池和有氣泡但銅釘未裸露的電池，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧氣能引起鋅負極的自放電，使電池壽命變短。

值得注意的是，堿錳電池實現(xiàn)無汞化后，微量Cu、Fe 等元素易引起電池析氣量增加，它會有加速氣體產(chǎn)生的危險。提高材料純度，減少有害雜質(zhì)含量，是有效抑制堿性鋅錳電池自放電的最有效的措施。堿性鋅錳電池在生產(chǎn)過程中特別強調(diào)潔凈的生產(chǎn)環(huán)境和無污染的生產(chǎn)過程，主要是為了防止生產(chǎn)過程中帶進使鋅析氫增加的雜質(zhì)。

堿錳電池小電流放電是堿錳電池的一大特性。但是對于堿錳電池負極材料的選擇也至關(guān)重要。如果堿錳電池負極材料的選擇不正確的話，那么小電流的放電恒阻性也會受到很大的阻礙。通常對于負極材料的選擇是鋅粉。因為鋅粉的顆粒分布以及它的表面紋理對于堿錳電池小電流的放電性都有很大的影響，鋅粉的顆粒越小，它的反應(yīng)活性就越大，小電流的恒阻放電性就越容易。同時，通過一定的研究發(fā)現(xiàn)，鋅粉的顆粒分布對于堿錳電池小電流放電的性能的影響也有著至關(guān)重要的作用。所以說，在對鋅粉進行顆粒分布時，一定要加大小電流與鋅粉顆粒之間的接觸面積，接觸面積增加會在很大程度上增加電池的小電流放電性能。在這里要特別注意，如果鋅粉的顆粒太大或者是太小，都不利于堿錳電池小電流進行放電。在堿錳電池中負載放電的情況下，小電流的恒阻性能會受到較大的差異。此外，鋅粉的顆粒度不同主要影響的是堿錳電池放電后小電流的低壓段，鋅的顆粒如果越大的話，那么在堿錳電池的放電后，其他復(fù)合電壓下降的也會越快，所以堿錳電池小電流在進行恒阻放電時，一定要注重對于負極材料的選擇[10]。

3.2 添加劑的選擇

堿錳電池添加劑的選擇也會對堿錳電池小電流恒阻放電特性有著一定的影響。作為負極通常會出現(xiàn)一種自腐蝕的現(xiàn)象，自腐蝕現(xiàn)象在某種程度上會影響堿錳電池的小電流進行持續(xù)放電，這也是當(dāng)前一直困擾提高堿錳電池小電流放電性能的一大重要難題。在如今的市場上，堿錳電池的添加劑一直使用的是汞，汞的添加可以在一定程度上緩解鋅粉的腐蝕現(xiàn)象。但是我們都知道，汞是屬于重金屬的一種，在長期的使用過程中會對人體產(chǎn)生較大的危害。不僅如此，我們現(xiàn)在非常注重加強環(huán)保意識，越來越多的堿錳電池已經(jīng)不再使用汞作為添加劑?，F(xiàn)在市場上出售的一些堿錳電池的添加劑通常是一些其他金屬或者是金屬的氧化物。無汞鋅粉合金通常現(xiàn)在作為堿錳電池的添加劑一種。無汞鋅粉合金是添加了多種微量金屬元素而制成的。在一定程度上，它緩解了鋅負極的自腐蝕現(xiàn)象。鋅負極的腐蝕現(xiàn)象減輕，小電流的恒阻放電性能也得到了較大的提升。

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4 結(jié)語

現(xiàn)如今，隨著社會的不斷進步，對堿錳電池的小電流放電性能也提出了更高的要求。現(xiàn)在堿錳電池為了使小電流有更高的放電性能，通常采用更高導(dǎo)電率的堿性電解質(zhì)溶液作為電池的電解液。同時，隨著各種數(shù)碼以及電器的不斷普及，對堿錳電池的小電流放電功率的要求也越來越高。高功率的堿錳電池現(xiàn)在已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點，所以我們要不斷提高堿錳電池的小電流放電性。在中國，堿錳電池已經(jīng)占據(jù)了中國電池市場份額的90%以上，因此我們要開發(fā)出具有環(huán)保性和更高放電性的堿錳電池。