新一代超高性能非碱性锌-二氧化锰电池的研制_叶敏华.pdf

第 卷第期 年月 电池工业 ：新一代超高性能非碱性锌二氧化锰电池的研制叶敏华，徐国鹏（松柏（广东）电池工业有限公司，广东 佛山 ）摘要：通过将非碱性锌二氧化锰电池（电池）外形尺寸调整到与碱性锌二氧化锰电池相近，提高电池正极材料中二氧化锰的含量，降低含水率，从而降低电池内阻，获得较大的短路电流值，优化并改造生产线，使得新一代 电池电性能明显增加。关键词：非碱性锌二氧化锰电池；正极材料；外形尺寸；电池内阻；电性能中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（），）：（），：；引言非碱性锌二氧化锰电池（以下简称 电池）从诞生至今，已有一百多年的历史，其中勒克朗谢电池和氯化锌电池是现在普及的两种体系。尽管 电池在美国和欧洲的使用量已逐渐下降，但因该电池具有价格低、随时可用等特点，在世界范围内仍然是所有一次电池中使用最为广泛的电池体系。第三世界国家有对诸如手电筒照明、袖珍收音机和其他不需要高电流的电池需求，促进了 电池的使用。氯化锌电池以氯化锌为主要电解质，按应用场景可以分为普通型、工业重负载型和超重负载型。一般来说，品位或等级越高，其单位工作时间（分钟）费用越低。电池 等 级 间 的 价 格 差 别 在 ，但电池的性能差别较大，在 ，具体差别取决于 不 同 的 电 池 等 级 和 不 同 的 负 载（应 用 场 景）情况。年设计研发出新一代超高性能 电池，性能较原制品性能提高 。性能提升新一代超高性能 电池是通过以下几个方面实现性能提升的。引用格式：叶敏华，徐国鹏 新一代超高性能非碱性锌二氧化锰电池的研制电池工业，（）：，（）：，设计方面尺寸和配件 （）电池 标准尺寸：高度为 ，直径为 。但由于之前人们在设计电池时，过多考虑成本问题，较少考虑电池体积对电池容量的影响，所以电池尺寸多为下限设计。以松柏（广东）电池工业有限公司（以下简称松柏）的 电池为例，高度是 ，直径是 ，高度距 标准尺寸的上限值有 ，直 径距 标准尺寸的上限值有。目前市面上的碱性锌二氧化锰电池（以下简称碱性电池）为了追求高容量，普遍都将电池尺寸调整到 标准的上限，高度做到 ，直径做到 。从尺寸上比较，电池与碱性电池的体积相差。如果把 电池尺寸做到和碱性电池一致，内部结构和配方保持不变，容量也可以提高。通过分析、比较和研究，最终确定新电池的 设 计 尺 寸 高 度 为 左 右，直 径 为 左右。确定电池尺寸后，研究电池内部结构和配件的配合。通过优化顶盖、内塞、锌筒、底片尺寸，总共为电池内部增加的高度、的直径空间，电池的锌筒内腔体积比原来增大约，可以容纳更多的正极活性物质。配方要实现电池容量的提升，除了将电池尺寸加大外，还要从电池的配方方面进行调整，以达到最好的放电性能。通过市场调查，发现 电池最多的使用场景是儿童玩具方面，儿童玩具一般都带有发声和发光功能，甚至还有马达驱动功能，都属于中高电流放电模式。电池改进主要从提高中高电流放电性能入手，除提高二氧化锰的含量外，还可以添加导电剂，降低电池内阻，提高电池内部物质之间的导电性活性物质的利用率。生产线众所周知，若改变电池直径和高度，几乎所有的配件尺寸都需要改变，生产线的各个环节也要随之改变。首先要改变的是锌筒、锌饼的尺寸，锌筒的冲模和冲棒直径均需要加大，切锌筒的刀模也要调整；在装配生产线上，涉及配件增大的工位均需调整配合，其中正极粉成型入壳机最为关键，因为增加容量部分要靠增加正极粉量来实现，正极粉柱增加的直径和高度会直接影响最终电池性能的好坏。正极粉成型入壳机的相关模具，其直径和高度均需按比例加大，并逐一予以配合，如果配合不好，会引起粉柱高度和重量不均匀，引起电池容量不均匀，达不到设计要求；其次是外套印花铁壳，由于电池外径增大，印色铁片的印色范围要增大，冲制小片的模具、卷花壳的模具也需要加大，生产线上的封口模具也要加大配合。除此之外，生产的各个环节，凡是涉及加大配件运行的部位，都要加大配合。外形尺寸和电性能通过实验室小批量试制、生产线小批量试验、中批量试产及大批量试产，经过测试评估，新一代超高性能 电池完全达到预期的设计目标。下面从几个方面对比改造前和改造后的 电池。外形尺寸新一代超高性能 电池与未改造前产品的尺寸比较见表，外形构造见图。表外形尺寸对比 测试项目新一代超高性能 电池改造前 电池电池总高 电池直径 正极凸高 图尺寸示意图 内阻及短路电流新一代超高性能 电池得益于配方的改进，内阻比未改造前明显降低，短路电流明显提高，新一代超高性能 电池与未改造前产品的内阻及短路电流比较见表。电池工业 第 卷表电池内阻及短路电流比较 测试项目新一代超高性能 电池改造前 电池开路电压 内阻 短路电流 放电性能通过放电测试，新一代超高性能 电池放电性能明显提升，不同的放电条件下均有提升，其中以大电流放电方面提升最为明显，最大的提升比例达到。新一代超高性能 电池与未改造前产品的放电性能比较见表，对比曲线见图、图及图。表电池放电制式及性能 应用放电制式负载每天放电时间终止电压放电时间（新一代超高性能 电池）放电时间（改造前 电池）电动机玩具 玩具（非机动）电子游戏机数码录音机 图、放电曲线对比示意图 ，安全性能新一代超高性能 电池放电性能明显提升，但所有的安全性能测试结果均没有减弱，完全满足 标准的要求，试验电池与未改造前产品的安全性能比较见表，。图 、放电曲线对比示意图 ，图 、放电曲线对比示意图 ，表电池安全性能比较 测试项目新一代超高性能 电池改造前 电池连续放电至无漏液无漏液连续放电 无漏液无漏液不正确安装试验无爆炸，无着火无爆炸，无着火短路 试验无爆炸，无着火无爆炸，无着火自由跌落试验无爆炸，无着火无爆炸，无着火结论新一代超高性能 电池参照碱性电池尺寸，通过优化电池结构使电池内部空间更大，容纳更多正极活性物质，并通过优化配方降低内阻，更好地发挥活性物质的作用。在改造生产线中，加大相关配件通过的工位和轨道，重点改造正极粉成型入壳机和印花铁壳相关设备。制成的新一代超高性能 电池性能全面超越上一代改造前 电池，电池内阻更低，大电流放电性能显著提高，部分放电条件测试结果更是比未改造前 电池提高 。该电池部分（下转第 页）年第期 叶敏华，等：新一代超高性能非碱性锌二氧化锰电池的研制 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（），（）：魏春光，梁燕，李曈，等 水系锌离子电池的研究和产业化进展 无机盐工业，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：收稿日期：；修回日期：。作者简介：焦汉森（），男，工 程 师，主 要 研 究 方 向 为 电 力 能 源。：（上接第 页）性能可以接近碱性电池，在部分需要大电流放电的设备内代替碱性电池，而价格则比碱性电池低，有一定的竞争优势；与普通的 电池比较，容量密度更高、费用更低、性价比更高。参考文献：汪继强，刘兴江电池手册：第四版北京：化学工业出版社，张文保，倪生麟化学电池导论上海：上海交通大学出版社，：全国原电池标准化技术委员会原电池 第部分：外形尺寸和电性能要求：北京：中国标准出版社，叶敏华，徐国鹏无铅无镉锌二氧化锰电池的制造研究电池工业，（）：全国原电池标准化技术委员会原电池 第部分：水溶液电解质电池的安全要求：北京：中国标准出版社，收稿日期：；修回日期：。作者简介：叶敏华（），女，主要研究方向为电化学。：徐国鹏（），男，主要研究方向为电化学。：年第期焦汉森：大规模储能用二次电池的发展现状