锌锰电池的原材料有哪些

2018-10-15      5288 次浏览

①二氧化锰:俗称锰粉。是正极的活性物质,直接参加电化学反应,是决定电池电荷量的主要材料。根据其制备方法可以分为天然二氧化锰、化学二氧化锰和电解二氧化锰。其中电解二氧化锰的电化学活性最高,化学二氧化锰次之。


②石墨:正极原料之一。有显晶型(俗称鳞片状)和隐晶型(俗称土状)两种。石墨不参加电化学反应,有良好的导电性,具有吸附性和粘着性。掺入电芯中可以提高电芯的导电性。它粘着在多孔锰粉的周围吸收一定量的电液,使电芯保持一定的水分,可充分提高锰粉的利用率。


③乙炔黑:在正极中的作用与石墨相似。它的比重很小、颗粒较细,平均直径为35~45毫微米,比表面为60~70m2/g,导电性仅次于石墨,分散性、吸水性远优于石墨。


④锌:负极活性物质,兼作电池的容器和负极引电体,是决定电池贮存性能的主要材料。在锌片中含有少量的镉和铅。镉能增强锌的强度,铅能改进锌的延展加工性能。镉与铅均能提高氢在锌电极上的过电位,减少锌电极的自放电,减缓锌片的腐蚀和氢气的释放。锌片中若含有Cu、Fe、Ni等,将降低H2在锌电极上析出的过电位,加速电池在贮存过程中的自放电,因此这些有害杂质必须严格控制。


⑤氯化铵:是锌锰电池电解液的主要成分。其作用是:补充放电过程中由于正极反应减少的H+;在正极中也加入一定量的固体氯化铵,以补充放电时电解液中氯化铵的减少;增强电解液的导电性。


⑥氯化锌:用于电解液中。主要作用有:减缓锌片腐蚀,保持电解液中的水分,破坏淀粉的链状结构,加快电解液的糊化速度,减少正极电芯在放电过程中pH值的提高。


⑦面粉、淀粉:主要作用是使电解液糊化后成为不流动的隔离层,使它既有良好的离子导电性,又能固定电芯,便于携带使用;对锌片有保护作用,可减缓锌片的腐蚀。面粉比淀粉粘性好,粘附力强,保持水分性能好,不易沉淀。所以在配制电解液时,淀粉、面粉互相搭配使用。


酸性锌锰电池是以锌筒作为负极,并经汞齐化处理,使表面性质更为均匀,以减少锌的腐蚀,提高电池的储藏性能,正极材料是由二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物。


锌锰电池可以分为:酸性锌锰电池和碱性锌锰电池


正极材料中间插入一根碳棒,作为引出电流的导体。在正极和负极之间有一层增强的隔离纸,该纸浸透了含有氯化铵和氯化锌的电解质溶液,金属锌的上部被密封。这种电池是19世纪60年代法国的勒克兰谢(Leclanche)发明的,故又称为勒克兰谢电池或炭锌干电池.


酸性锌锰电池可表示为:(-)Zn|NH4Cl(20%)ZnCl2|MnO2,C(+)


尽管这种电池的历史悠久,但对它的电化学过程尚未完全了解,通常认为放电时,电池中的反应如下:正极为阴极,锰由四价还原为三价


MnO2+H++e-→MnO(OH)


负极为阳极,锌氧化为二价锌离子:


Zn+2NH4Cl--→Zn(NH3)2Cl2+2H++2e-


总的电池反应为:


2MnO2+Zn+2NH4Cl--→2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2实践经验表明,该电池的电流-电压特性和二氧化锰的来源有关,也直接地依赖于锰的氧化价态、晶粒的大小及水化程度等。目前已全部以ZnCl2电解液代替NH4Cl,充分说明Zn与Cl配合[ZnCl2],而不必有NH4存在,放电前pH=5,放电后pH上升到pH=7为中性。


Zn(-)失去电子:Zn-2e→Zn2+(氧化反应)


C(+)得到电子:2NH4++2e→2NH3+H2(还原反应)


实际干电池正极周围还有二氧化锰,它起什么作用呢?在模拟干电池实验中可以看到,电流会迅速减小,这是由于碳棒上吸附一层氢气,内电阻增加而使反应停止的缘故。二氧化锰把正极上产生的H2氧化成水,而本身则被还原为MnO(OH)。显然没有二氧化锰的干电池是没有实用价值的。


另外,产生的NH3被糊状电解质中的Zn吸收为Zn(NH3)2Cl2。因此,干电池工作时,负极的反应材料是锌,正极是二氧化锰,故而它的学名叫锌锰电池,输出电压为1.5伏。干电池中总反应可大体表示为:Zn+2MnO2+2NH4Cl→2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2。

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