脉冲放电时碱锰电池电极电位的同步测定

唐 录,金成昌,王建文

(苏州大学化学电源研究所,江苏苏州 215006)

各种数码电器对碱锰电池高功率放电的要求越来越高,高功率电池成为当前碱锰电池研究的重点[1-2]。与国际尖端产品相比,我国碱锰电池尚有一定的差距。以LR6电池1.5 W恒功率脉冲放电[3]为例,国际尖端产品放电至1.05 V可达 130余次,而我国碱锰电池从2010年行业检测的结果[4]来看,大多只有60～80次,仅3家企业、5个品牌的产品能达到上百次。探究具有高功率放电性能的碱锰电池与普通碱锰电池放电特性上的区别,对寻求提高电池性能的技术方向,研制高功率碱锰电池具有重要的意义。

电池放电性能的好坏与工作时两极的极化密切相关。探求碱锰电池在高功率放电条件下两极电位的实时变化情况,是分析高功率碱锰电池与普通碱锰电池技术区别的重要技术手段,为此,本文作者对高功率和普通 LR6电池在1.5 W恒功率脉冲放电条件下的两极电位进行了测定。

1 实验

1.1 实验对象

自制的高功率无汞 LR6电池[5]记为电池A,将市售(广东产)普通无汞 LR6电池新电(距生产日期小于3个月),剥除标贴并清洁干净,记为电池B。电池数量均为60只,放电数据为9只电池放电数据的平均结果。电解二氧化锰(EMD,广西产,无汞碱锰电池级)；锌粉(上海产,无汞碱锰电池级)。

1.2 实验步骤

分别在电池A、B的正极钢壳上开孔,以Hg/HgO电极为参比电极,36%KOH(上海产,AR)溶液为电解液,在BT2000电池测试仪(美国产)上进行1.5 W恒功率脉冲放电,并同时测定放电过程中正、负极的电位(vs.Hg/HgO)的变化。除讨论截止电压的影响实验以外,电池放电的截止电压为0.75 V。测试装置示意图见图1。

图1 测试装置示意图Fig.1 The schematic diagram of measuring device

2 结果与讨论

电池1.5 W脉冲放电曲线及电极电位变化曲线见图2,不同截止电压下电池放电的脉冲次数见表1。

图2 电池1.5 W脉冲放电曲线及电极同步电位变化曲线Fig.2 Discharge curves of battery and the synchronous potential curves of both electrodes in 1.5 W pulse discharge

表1 电池在不同放电截止电压下的放电脉冲次数Table 1 Pulse discharge number of battery at different cut-off voltage

从图2、表1可知,电池A的高功率放电性能明显优于电池B,当放电截止电压为1.05 V时,电池A的放电脉冲次数是电池B的 1.53倍。图3为图2中电池A1组(10次)脉冲放电曲线的局部放大图。

图3 单组脉冲局部放大图Fig.3 The enlarged figure of a group of pulses

图4 电池开路电压及电极开路电位变化曲线Fig.4 Open-circuit voltage curves of batteries and synchronous potential curves of electrodes

电池开路电压及电极开路电位变化曲线见图4。

从图4可知,两种电池虽然开路电压不同,但放电期间的变化趋势相似,均随放电的进行而下降。正极电位的变化趋势与之相同；但负极开路电位的变化却有很大的不同,在放电开始时,电池B的负极开路电位比电池A低,但随着放电的进行,电池B的负极电位迅速升高,直到第40次脉冲后,变化趋势才与电池A相似。

以脉冲电位(电压)变化对脉冲次数作图,得图5。

图5 电池脉冲电压及电极脉冲电位降随脉冲次数的变化Fig.5 Change of battery voltage drop and electrode potential drop by pulses number

从图5可以看出:放电初期,电池B脉冲电压降幅小于电池A,但是脉冲电压降幅上升的速率却远高于电池A,以致电池B在第80次脉冲后脉冲电压降幅迅速上升,很快使电池达到放电截止电压。电池A由于脉冲电压降幅上升的速率比较慢,能够较长时间地维持较低的电压降幅,因此在放电后期,电池B脉冲电压降幅远高于电池A,这是电池B高功率放电性能不及电池A的主要原因。正极和负极脉冲电位降(升)幅变化情况,与电池脉冲电压降幅变化情况类似。这表明,正负极均对电池高功率放电性能产生了明显的影响。

图5b中,电池B正极脉冲电位降幅在放电开始30次脉冲以后即高于电池A,负极电位的脉冲升幅在80次以后超越电池A,说明在高功率放电的中、后期对电池正负极极化的抑制是有效提高电池高功率放电性能的关键。

3 结论

在高功率放电条件下同步测定电池两极电位变化曲线,可以清晰地看到在放电过程中正负极电位的变化情况,可以通过这种方法,更深层次地探究正负电极在放电过程中发生的变化。

电池脉冲电压降幅及其变化速率,是影响电池大电流脉冲放电性能的主要因素。

具有优异的高功率放电性能的碱锰电池,更好地抑制了电池脉冲电压降幅及其增大速率,尤其是在电池放电的中、后期,更好地抑制了正负极电位下降(上升)的幅度及其上升速率。

[1]XIA Xi(夏熙).大电流放电碱锰电池的进展[J].Battery Bimonthly(电池),2003,33(2):84-87.

[2]LI Tong-qing(李同庆).提高碱锰电池放电性能的研究进展(下)[J].Battery Bimonthly(电池),2003,33(1):25-26.

[3]IEC60086-2:2011,原电池 第2部分:外形尺寸和电性能要求[S].

[4]2010年全国电池行业产品质量检测报告[R].2010.

[5]S.M.戴维斯,N.K.伊尔特切夫,G.A.米勒.圆柱形锌/二氧化锰碱性电池[P].CN:10200762A,2011-04-06.