《储能材料与器件智能制造技术》课件-3.1.1 锰锌干电池与碱性锰电池

《储能材料与器件智能制造技术》锰锌干电池与碱性锰电池在日常生活的每个角落，电池如同无形的能量纽带，驱动着无数设备运转。闹钟唤醒清晨、遥控器切换电视频道、玩具车驰骋客厅……这些场景的背后，都离不开小小的电池。在众多民用电池中，锰锌干电池与碱性锰电池凭借高普及度和实用性脱颖而出，成为家庭、办公场景的常见电源。它们虽外观相似，却在结构设计、化学反应原理、性能表现上存在显著差异。深入了解这两种电池，不仅能帮助我们科学选择合适电源，更能窥见电池技术不断革新的发展脉络。酸性锌锰干电池以二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的混合糊状物为正极材料，正极材料中间插入一根炭棒作为引出电流的导体，以经汞齐化处理的锌筒作为负极。电解质为氯化铵和氯化锌溶液，用面粉、淀粉等使电解液成为不流动的凝胶，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。采用面粉、淀粉和电解液形成的凝胶作为正负极间的隔离层的，称为糊式电池；采用浆层纸为隔离层的称为纸板电池；采用高分子薄膜材料为隔离层的称为薄膜电池。按电解液的成分分：电解液以氯化铵为主体的称为氯化铵型（或铵型）电池；以高浓度氯化锌为主体的称为氯化锌型（或锌型）电池。锌锰电池的结构如图所示。锌锰电池属于一次电池，不可充电再生。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。最适宜的使用温度为15～30℃。酸性锌锰干电池负极为锌，放电时锌被氧化为锌离子，锌离子与铵根结合生成二氨合锌离子：在正极锰被还原：总的电池反应为：当用KOH电解质溶液代替NH4Cl作为电解质时，称为碱性锌锰干电池。碱性锌锰电池是普通干电池的升级换代产品，电池性能得到显著提高。其放电时电极反应如下。正极为还原反应：MnO2+2H2O+2e－→Mn(OH)42－负极为氧化反应：Zn+4OH－→Zn(OH)42－+2e－总的电池反应为：Zn+MnO2+2H2O+4OH－→Mn(OH)42－+Zn(OH)42－锰锌干电池与碱性锰电池中用到的关键材料有二氧化锰、锌等物质。二氧化锰是正极活性物质，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。电解二氧化锰基本上是γ-MnO2。电解二氧化锰比表面积28~43m2/g，密度4.3g/cm2，视密度

。MnO2比表面积越大，活性越高，视密度越大，填充性越好。锌是负极活性物质，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。随着可充电电池技术的进步，如锂电池在民用领域的广泛应用，锰锌干电池和碱性锰电池面临一定挑战。但在低功耗、一次性使用场景中，二者仍占据主导地位。为应对竞争，电池企业一方面加大研发投入，持续优化电池性能，例如研发更环保的电解质配方、提升电池低温性能；另一方面，拓展应用领域，如开发适用于物联网设备的专用电池，满足智能门锁、环境监测传感器等低功耗、长续航设备的需求。同时，随着全球环保意识增强，对废旧电池回收的政策监管趋严，这也倒逼企业完善回收体系，推动电池产业向绿色、循环方向发展。相较于镍氢电池、锂电池等可充电电池，锰锌干电池和碱性锰电池属于一次性电池，无需充电设备，使用更便捷，且不存在电池记忆效应。但在能量密度和循环使用方面，二者远不及锂电池，锂电池能量密度可达200-300Wh/kg以上，且可反复充放电数百次甚至上千次。而与纽扣电池相比，锰锌干电池和碱性锰电池输出电流更大，适用于功率需求较高的设备；纽扣电池则凭借小巧的体积，在手表、计算器等小型设备中占据优势。这种差异化的性能特点，使得不同类型电池在各自领域发挥不可替代的作用。锰锌干电池与碱性锰电池，这两种看似普通的电源，实则是人类能源利用智慧的缩影。从早期锰锌干电池的广泛普及，到碱性锰电池的技术突破，它们在不同时期满足了社会对便携电源的需求，推动着电子设备的发展与革新。在可再生能源、新能源汽车等领域蓬勃发展的今天，一次性电池的重要性虽有所弱化，但其在民用基础电源领域的地位仍不可替代。展望未来，随着环保要求提升和技术持续创新，电池行业将朝着更高能量密度、更低成本、更环保的方向迈进。无论是锰锌干电池的经济实用，还是碱性锰电池的