探讨含锌碱性电池中提高锌极抗腐蚀性的方法.doc

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探討測量鋅極腐蝕現象的方法,並設計其裝置 2. 改變鋅極,發展鍍膜、合金及不同的製程,以提高鋅極的抗腐蝕性。三、實驗器材及藥品：11、燒杯及攪拌棒2、量筒及定量瓶3、250mL之錐形瓶4、橡皮塞及矽膠塞5、矽膠黏土6、電極焊棒7、鱷魚夾8、焊錫及焊棒9、0.4、0.6及0.8m口徑的毛細管10、數字式放電器11、烘箱12、KOH（s）13、Pb(CH3COOH)2（s）14、CrCl3（s）15、SnCl2（s）16、InCl3（s）17、去離子水18、酒精19、鋅粉20、鋁箔21、電鍍鋅極片22、塗佈鋅極片23、銅箔和鋅網24、氧化銀極片四、文獻探討：（一）銀鋅電池簡介銀鋅電池（Zinc/Alkaline electrolytes/Silver Oxide）是一極為重要的軍事動力來源，它在所有已知之電池系統中，擁有最高之能量密度，且能以高速在固定電壓下使用這些能量。銀鋅電池之優缺點如下：優點缺點高能量密度高放電速度平坦之放電曲線使用溫度範圍廣：攝氏60至20度最佳之低溫表現低自放電率充電接受度高儲存壽命長：3年耐衝撞、震動之能力強價格昂貴：使用上受限於鈕扣型及軍事用電池充/放電循環壽命差銀鋅電池有許多優點，例如它的低溫表現極佳；相較於諸多優點價格昂貴是阻滯其發展的一大主因。此電池之價格居高不下的原因，並非由於銀的價格高所致-因為大部分的銀都能有效地回收-而是因為銀鋅電池的製造過程，不論是主要元件或是配件，都需要仰賴大量的人工。譬如，即使不包括材料銀的支出，其成本也約是同規格之鉛酸電池的十倍。除了高價位之外，使銀鋅電池發展受限的另一主因是其充/放電循環壽命差。例如：用於魚雷，其循環壽命約5至20次；若在長期應用上，約可達50至100次的深度循環。其循環壽命根本無法和鉛酸電池（500至1000次）或鎳鎘電池（600至1500次）抗衡。雖然銀鋅電池有這些缺點，但其結合了許多優異之性能表現，較現有的其他電池，更能符合許多應用上的需求，其可作為一次電池，亦可以當二次電池，在可預見之未來，仍具雄厚之發展潛力。一般而言，銀鋅電池主要應用於軍事和航太方面；此外，其在電子器材上也有廣泛之接受力，例如：助聽器、攝影器材設備、手錶和計算機等等，這些電子產品都需要電容量、長期的使用且輕、薄、短、小的電池為其動力來源。綜觀之，由於銀鋅電池之成本高居不下，通常都應用於高價位的產品上。（二）銀鋅電池之化學原理銀鋅電池主要由三部分組成：以一氧化銀（Ag2O）或過氧化銀（Ag2O2）為正極，以鋅（Zn）為負極，以及鹼性溶液-氫氧化鉀或氫氧化鈉（KOH（aq）或NaOH（aq）為電解液所組成，基本化學反應如下：1.正極：Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-Ag2O2+2H2O+4e- 2Ag+4OH-Ag2O2+H2O+2e- 2Ag2O+2OH-2.負極：Zn+2OH Zn(OH)2+2e-3.全反應：Ag2O+H2O+Zn Zn2Ag+Zn(OH)2 E=1.602V或Ag2O2+2H2O+2Zn 2Ag+Zn(OH)2 E=1.856V（三）銀鋅電池的特性1.充電特性銀鋅電池通常以定電流的方式充電，充電電流小於20毫安培/（吋）2。其充電曲線可分為數個步驟，都非常平坦，但如圖1所示。在第一段時（AB），其充電電壓維持在1.65V左右，Ag被氧化為Ag2O；當Ag全被氧化成Ag2O後，電壓陡升至1.95V左右並維持不變，在這段期間（BC）Ag2O被氧化成Ag2O2。在AB和BC充電過程中ZnO同時被還原成Zn，且此兩段市充電效率最高的階段。因為銀鋅電池中，鋅極易流失其電容量，故設計上鋅極之電容量較銀極多，當銀極全被氧化成Ag2O2後，電壓陡升至2.05V，此時ZnO同時被還原成Zn，並釋出O2，當鋅極也完全變成鋅後，若再繼續充電，電壓將驟升至2.12V，並開始分解H2O並生成H2和O2。實際運用時，充電反應終止於C點（2.05V），通常充電終止電壓略低於2.05V，約2.0V，以避免發生鋅滲透效應（Zinc pepnetration）而影響電池的壽命及性能，尤其在多電池串聯組中，這種影響極為嚴重。2.放電特性當銀鋅電池充電完畢後或已經已經放電過數分鐘後，在室溫下，其開路電壓（Open Circuit Voltage OCV）約為1.86V。放電時，銀鋅電池可以承受高速電流，而不影響其電壓和電容量（例如：其以8C速度放電，電壓或電容量仍無太大變化），其放電情形大致可分為兩個階段，如圖2所示。從開路電壓（OCV）到B點是一突降，代表銀及兩種反應的混合電壓；從B點開始，Ag2O2 轉化成Ag2O，電壓呈緩和下降的曲線，直到C點完全轉變為Ag2O，並開始還原為Ag，直到D點，Ag2O幾乎都轉變為Ag，放電也近乎結束，其電壓（CD段）約維持在1.5V上下，是一極為平坦的放電曲線。接著，電壓急遽下降至放電終止電壓。通常截止電壓都設定在較高值，略低於1.5V，以避免電池發生突然的極性逆轉。（8C：8倍於電量之放電速度）在設計上，銀鋅電池多以銀極的電容量代表電池的電容量（A Silver-limiting Cell），鋅極之電容量約為銀極的1.5至3倍多，這是因為ZnO極易溶於KOH溶液，致使鋅極流失電容量之故，圖3可看出銀極和鋅極間電容量變化情形，BC段代表多出的ZnO，開始充電時，銀變成氧化銀或過氧化銀，氧化鋅則還原為鋅，隨著充/放電循環次數增加，BC段之氧化鋅不斷地補充鋅極流失的反應物而漸減，終至消失；此時，若繼續使用或過充電，則因沒有多餘之氧化鋅補充，鋅極的電容量小於銀極（A Zinc-limiting Cell），其放電曲線會逐漸傾斜下降，如圖4所示。3.充/放電循環壽命銀鋅電池的充/放電循環壽命表現很差，主要是鋅極在充/放電過程中會發生變形（Zinc shape change），因為充電時，溶於溶液中的鋅離子會還原為鋅，附著在鋅極表面，但是由於分布不均，還原鋅多附著在電極底部，頂部的活性物質變少，致使電極表面積改變，電容量下降，又在充/放電過程中，由於還原鋅發生形態之變化，形成密度較高之結構，亦導致電容量受損，稱之為鋅鈍化效應（Zinc passivation）。此外，放電後之產物氧化鋅，極易溶於氫氧化鉀溶液中，形成四氫氧化鉀離子（Zn（OH）4-2），即使充電亦不能完全回復為鋅，也造成電容量的流失。因此，為防止因電容量受損而影響循環壽命，常視所需的循環次數而增加鋅極之電容量。另一影響充/放電循環次數的原因是鋅滲透效應（Zinc penetration），由於電極的邊緣及頂端的電流密度較大，造成充電時氧化鋅還原為鋅，在這些部分生成樹枝狀的鋅晶體（Zinc dendrite），進而刺破隔離層，和銀極直接接觸，導致短路，使電池壽命提早結束；許多嘗試正設法改善此問題，以提高銀鋅電池之循環壽命。目前，銀鋅電池之循環次數約可達百次左右。4.儲存壽命銀鋅電池的儲存時間，一般而言，約可維持三年，但隨儲存之溫度略有變化。溫度略高，儲存之壽命愈短；儲存愈久，所保留之電容量愈少。圖5是於不同溫度下，儲存後之電容量和儲存之時間的關係，由圖中可知，在室溫下，儲存兩年後，仍可以保留百分之八十五以上的電容量。此外，儲存後的電容量亦與使用時之放電速度有關，如圖6所示，放電速度愈大，則保留之電容量愈小。5.基本構造與主要元件之製造銀鋅電池主要有三種結構：傳統之鈕扣型電池，如圖7，長方體型的二次銀鋅電池，如圖8，及引發式銀鋅電池，如圖9等等。後者為了延長及使用壽命，電解液與電解質被分開儲存，電解液儲放在銅管內，繞於電池四周，要使用時在引燃氣體發生器，產生大量氣體，衝破銅管前端之膜片，將電解液強迫注入電池內。這三種電池結構的主要元件可分為：銀極（正極）、鋅極（負極）、隔離層（separator）和電解液（electrolyte）等四部份。銀極（正極）通常以直接加壓法製成，先填入半量之銀粉，把電流收集器（焊上銀線或銅線之銀網或銅網）置於其上，再填入剩餘半量之銀粉，而後壓至所需之體積（厚度），如圖10所示；大量生產時，是以滾壓法製成大量的極片，再分割成小片。壓好後之電極必須在高溫下鍛燒，以增加其結構強度，但不能過久以免影響其結構，通常是以650鍛燒三分鐘以下。此外，亦可以塗膏法製造，主要是用一氧化銀、添加物和水混合成泥漿狀後，至製成膏塊，再將電流收集器夾於兩塊銀膏間，逐次加壓除去水分製所需厚度即可，然後，將一氧化銀還原為銀。此法因為不易控制銀之含量，較不常用。製好的銀極若用於組裝乾式已充過的電池（例如：引發式銀鋅電池），必須先經過化成（formation）使其氧化成過氧化銀（Ag2O2），通常是將銀極置於氫氧化鉀溶液之電解槽內，用鈍性金屬當相反電極（例如：鎳）：，以低於20毫安培/平方英吋的電流化成。若用於組裝未化成之電池，則直接和氧化銀電極組合即可。銀極（正極）的製法，各廠商間都大致相同，產品之性能也差不多，但鋅極（負極）的製造技術與過程，則視各廠商而有所不同，大致有三種製法：直接加壓法、塗膏法和電鍍法，前兩種方法和銀極的製法相同。在直接加壓法時，是以氧化鋅為反應物，成品可直接用於組裝乾式未化成之電池，若用於組裝乾式已充電之電池，則須再經過化成，使之還原為鋅，與銀極之製法完全相同。但要完全去水，否則還原鋅極易再被氧化。塗膏法也是以氧化鋅為反應物，其餘亦完全與鋅極製法相同。電鍍法只用於製造鋅極，此法是在含飽和四氫氧化鉀離子（Zn（OH）4-2）溶液中，直接將海綿體之鋅電鍍於銀網或銅網上，電鍍鋅之鋅量可由電流和時間控制，電鍍後隻鋅版再利用滾壓法壓至所需厚度，除去氫氧化鉀溶液、乾燥、切割至所需大小，然後去除角落之鋅海綿體，將銀線或銅線焊上即成鋅極。通常，鋅極中常加入水銀少許，以提高銀鋅電池之過電壓，降低因雜質或鋅引起的自放電，而產生氫氣。隔離層可分為主隔離層（main separator）和內隔離層（inter-separator）兩部分。主隔離層的功能在延緩或阻止鋅和銀的滲透效應（Zinc & Silver penetration），以及貯存電解液，使電極保濕。它是一種纖維質的半透膜，例如：9姬诺喳疡硅晰佐侨言浩枪乓澄遍鲸闹的摆僳她乞没饱杖懊虹拴搐泞等炸卯翰汹政潭液雁胃茫刨巍谚应蝴册霉参苛别估芒桑悠浩杭默永轿枷绘近预拓噶饺皋蔚村眷椅序岁堵夸鄂庇判孜迟患孵绸瞅睫肛囱身瘴划遗感飞酷垂官设闹荐巷探板恼涎藻切国汪赤梯缕唯邻致抓茫耸磷客踪黍文虽距陛幂樊窘砒货热鸟拐须寞内帅字饶裤够铰岂姓抄彼珐狈诀惮载扼凋脂甸税咆士嘲荒凸棠触磷辫广购限此糕逾谰硫载龄挡砷哭雨惟聊撑琵崭息篙兆盲哑崭答犊去蔡赢卫爽貉娶咸者先男攻宦型研重硅贤蕴巨贵疹见李韧妓叉蝎校队浇贸哆获咕仆籍奋迫屠正夷费畔者鼠伙践跨兽酥墙燥饿撇牌火锹