影響鹼性鋅錳乾電池電壓餘量環境因素的研究

2020-11-22 電子產品世界

　　黎長源

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201905/401027.htm

　　（格力電器（合肥）有限公司，安徽 合肥 230088）

　　摘要：鋅錳乾電池是為最常見的化學電源，乾電池在使用時電壓餘量會隨著使用時間的延長而降低，直至電壓過低無法正常供電為止。除了正常使用會導致電壓餘量降低，其他外界因素同樣會導致電壓餘量降低，而使電池發生漏液情況。本文將設計試驗研究外界條件影響電池電壓變化的因素。

　　關鍵詞：乾電池；化學電源；電壓餘量；漏液

　　0 前言

　　鹼性鋅錳乾電池簡稱鋅錳電池，在1882年研製成功，1912年就已開發，1914年投產問世，在結構上採用與普通鋅錳電池相反的電極結構，增加了正負極間的相對面積，採用高導電性的鹼性電解液，正負極採用高能電極材料，所以鹼性鋅錳電池的容量和放電時間是同等型號普通電池的3~7倍。每年公司會使用幾千萬的電池，售後出現電池漏液的情況，電池漏液直接導致電池功能失效。

　　1 鹼性乾電池工作原理

　　乾電池的外殼鋅是負極，中間碳棒是正極，碳棒周圍為石墨和去極化劑MnO2的混合物，在混合物周圍 裝 入 以NH4Cl溶液浸潤的ZnCl 2 ，NH 4 Cl和澱粉或 其 他 填 充物。為了避免水分蒸發，使用 蠟 進 行 封裝。鹼性鋅錳電池內部結構見圖1。

　　化學表達式為：

　　正極（陽極）反應：MnO 2 +H 2 O+e→MnO（OH）+OH - （1）

　　MnO(OH)在鹼性溶液中有一定的溶解度MnO（OH）+ H 2 O+OH - →Mn（OH） 4 （2）

　　Mn（OH） 4 +e→ Mn（OH） 4 （3）

　　正極（陰極）反應：Zn+2OH - →Zn（OH） 2 +2e （4）

　　Zn（OH） 2 +2OH - →Zn（OH） 4 2- （5）

　　總的電池反應為：Zn+ MnO 2 + 2H 2 O+4OH - →Mn（OH） 4 2- + Zn（OH） 4 2- （6）

　　由於正極為陰極反應不完全是固相反應，負極為陽極反應是可溶性的Zn（OH） 4 2- ，故內阻小，放電後電壓恢復能力強。鹼性鋅錳乾電池採用了高純度、高活性的正負極材料，以及離子高導電性強的鹼作為電解質，使電化學反應面積成倍增長，具有以下特點：

　　（1）開路電壓為1.5 V；

　　（2）工作溫度範圍為-20 ℃~60 ℃之間，適於高寒地區使用；

　　（3）大電流連續放電器容量是酸性鋅錳電池的5倍左右。

　　2 結合電池生產、使用、運輸環境設計試驗條件

　　生產、使用以及運輸中，能夠對電池造成影響的外界因素為溫度、溼度、振動。針對幾個環境因素分別制定具體試驗條件：

　　2.1 高溫：環境溫度45 ℃，測試20天時間。

　　2.2 高溼：在室溫70 %（RH）環境下儲存20 h，測試外觀以及電壓值。

　　2.3 高溫、高溼：在溫度為45 ℃、溼度為70 %（RH）環境下試驗30 h，測試外觀以及電壓值。

　　2.4 振動：對電池施加振幅為0.8 mm，最大總振幅為1.6 mm的簡諧運動。頻率變化1 Hz/min，頻率範圍10 Hz～55 Hz。

　　電池分別承受相互垂直的三個方向的振動，每個方向往（10 Hz～55 Hz）、返（55 Hz～10 Hz）振動90 min±5 min。

　　3 試驗結果統計

　　生產涉及乾電池編碼有3個，每個編碼抽取3個樣品，每組試驗樣品9個，分別進行試驗，結束後測試樣品電壓餘量匯總數據並進行對比。

　　3.1 試驗結果記錄如表1所示。

　　3.2 試驗結果分析

　　根據幾組試驗的測試結果，電池外形尺寸均在合格範圍內（A：≤3.8；F：≤3.8；φ：9.5≤φ≤10.5），外觀檢查電池無變形、漏液的情況。

　　電壓變化情況如下：

　　（1）高溫試驗電壓變化範圍：0.02 V ~0.13 V

　　（2）高溼試驗電壓變化範圍：0.01 V ~0.09 V

　　（3）高溫、高溼試驗電壓變化範圍：0.02 V~0.09 V

　　（4）振動試驗電壓變化範圍：0.04 V ~0.18 V從上述的數據總結以及樣品趨勢圖可以看出，振動試驗樣品電壓變化最為明顯，高溫試驗結果次之，高溫、高溼以及高溼試驗樣品電壓並未發生太大變化。由此可確認影響電池電壓餘量的環境因素為振動以及高溫，溼度對樣品影響可忽略。

　　4 生產環節優化以及注意事項

　　4.1電池放置環境優化

　　（1）電池所存放的倉庫為恆溫倉庫，溫度控制在25℃±3℃，生產環境應與此同步，避免高溫導致電池電壓下降過多影響用戶使用。

　　2）用戶室內溫度基本為室溫，與電池存儲環境相差無幾，在使用時應避免日曬或高溫烘烤，尤其北方，切忌將遙控器放在暖氣附近。

　　4.2電池打包環節優化

　　（1）電池從廠家在廠家打包時每小盒僅打包一層，且需排列緊湊；

　　（2）將電池放入與整機一起打包時需將電池單獨放置，裝入氣泡袋內，做好防振。

　　參考文獻

　　[1] 盧財鑫，蔣強民， 藍秀清. 鹼性Zn-MnO2電池漏液原因分析及對策.電池工業，2003.06.25

　　[2] 蘇建歡.延長鹼性乾電池使用壽命的實驗研究：廣西輕工業，2008.11.

　　[3] 彥輝.電池十問：中國防偽，2002.11.15

　　作者簡介

　　黎長源(1984-)，男，高級工程師，主要研究方向：空調製冷技術、乾電池可靠性技術

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第6期第74頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處

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