[发明专利]一种改善大功率/电流脉冲放电性能的碱性锌锰电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种碱性锌锰电池，尤其是涉及一种改善大功率/电流脉冲放电性能的碱性锌锰电池。

背景技术

锌锰电池在电池市场上具有巨大的份额与其广泛的用途是分不开的，它是民用一次电池的主导产品，几乎所有的低压直流电器都可以使用碱锰电池作为电源。碱性锌锰电池具有优良的电化学性能和较高的性价比，一直受到广大消费者的欢迎，自从无汞碱性锌锰电池投入市场后，安全、环保高性能碱性锌锰电池更加收到市场的好评，现在以及未来几十年将以碱性锌锰电池为主导。

碱性锌锰电池电容量比普通碳性电池高5-10倍，价格也很低廉。目前市场上的碱性锌锰电池能够符合如遥控器、收音机等中小功率的电子产品，但是许多消费者选择使用于数码相机、闪光灯与电动玩具等大功率/电流脉冲(间歇)放电，容量较低，目前市面上的LR61.5W脉冲放电(1.5W/0.65W,2s/28s,5m/h,24h/d)至1.05V大多数不到100次，最高也不超过150次。

碱性锌锰电池负极主要由锌粉、吸水性聚合物为凝胶剂和溶有ZnO的KOH为电解液制成的膏状混合物。正极主要是电解二氧化锰(MnO2)，石墨，加入适量粘合剂或脱模剂与KOH电解液，混合均匀经过压片、造粒、打环后制成环式结构的正极混合物。

碱性锌锰电池的电化学体系表示为：

(-)Zn│KOH(30％-40％)水溶液+ZnO│MnO2(+)

负极反应：

Zn+2OH^--2e→ZnO+H₂O

正极反应：2MnO₂+2H₂O+2e→2MnOOH+2OH^-

电池总反应：

Zn+2MnO₂+H₂O→ZnO+2MnOOH

以上的反应式只是列出了开始和终了时的物质，实际过程较为复杂，存在着中间反应步骤。

锌电极的初步反应可以描述为：

Zn+2OH^--2e→Zn(OH)₂溶解

进一步反应：

当锌酸盐浓度饱和，则析出固态产物Zn(OH)2或ZnO。负极的反应为非均相反应。

碱性锌锰电池的负极活性材料—锌，由锌锰碳性电池的锌皮改进为高比表面积的锌粉颗粒，且在不断的改进过程中粒度不断降低，可用比表面积不断增加，对高功率大电流脉放电已经足够。

二氧化锰电极还原反应过程分二极进行：

首先是四价的锰还原为低价锰的氧化物水锰石(MnOOH)，这种有电子参加的电化学反应称之为初级反应，反应在二氧化锰颗粒表面进行。电子e-与水分子中分离出的质子H+由表面进入MnO2晶体：

Mn⁴⁺+e→Mn³⁺ O^2-+H⁺→OH^-

MnO₂+H₂O+e→MnOOH+OH^-(表面)

反应时液相内的质子通过两相界面进入MnO2晶格中与O22-结合为OH-，而电子由外电路进入Mn4+将其还原为Mn3+。初级反应是简单的电化学反应，在MnO2颗粒表面迅速反应完成，转变为三价的锰Mn3+与OH-，即表面形成MnOOH：

在初级反应过程中MnO2颗粒表面生成的水锰石MnOOH使得液相中质子进一步进入固相受到阻滞，电化学反应若要继续进行，固相表面的MnOOH必须清除转移。

初级反应产物MnOOH离开电极表面的过程为次级过程：由于电子与质子在晶格中能够移动，表现为Mn3+和OH-逐渐由晶格表面向内部扩散，即为MnOOH从表面清除转移，MnO2在表面重新出现。与束缚电子相类似，质子可以从一个O2-位置跳到邻近另一个O2-位置上，这种跳跃的方向是从OH-离子浓度较大的区域到OH-浓度较小的区域。质子在MnO2晶格中的跳跃传递称为固相质子扩散，也称特殊扩散。扩散的推动力是质子的浓度差。

由于负极反应是非均相过程，反应物与生成物浓度不变，负极电位在放电过程基本保持不变，而正极反应是均相过程，反应过程中正极电位会逐渐降低，碱性锌锰电池的电压主要受正极反应控制。其中当电池放电中断后(例如在脉冲放电或间歇放电时)，因正极反应产物MnOOH会扩散入颗粒内部、正极颗粒表面复原为MnO2，正极电位会得到明显回升。