基本介紹
- 中文名：鋅錳乾電池
- 性質：一次電池
- 發明時間：19世紀60年代
- 發明人：Leclanche
- 類別：酸性/鹼性鋅錳電池
分類,酸性,鹼性,結構與性能,綜合處理技術,現狀,回收技術,
分類
酸性
酸性鋅錳乾電池是以鋅筒作為負極，並經汞齊化處理，使表面性質更為均勻，以減少鋅的腐蝕，提高電池的儲藏性能，正極材料是由二氧化錳粉、氯化銨及碳黑組成的一個混合糊狀物。正極材料中間插入一根炭棒，作為引出電流的導體。在正極和負極之間有一層增強的隔離紙，該紙浸透了含有氯化銨和氯化鋅的電解質溶液，金屬鋅的上部被密封。這種電池是19世紀60年代法國的勒克蘭謝（Leclanche）發明的，故又稱為勒克蘭謝電池或炭鋅乾電池，可表示為：
（－）Zn|NH4Cl（20%）ZnCl2|MnO2，C（+）
儘管這種電池的歷史悠久，但對它的電化學過程尚未完全了解，通常認為放電時，電池中的反應如下：正極為陰極，錳由四價還原為三價
2MnO2+ 2NH4++2eˉ→2MnO(OH) + 2NH3
負極為陽極，鋅氧化為二價鋅離子結合銨根生成二銨合鋅離子：
Zn+2NH3 - 2eˉ→Zn(NH3)2 2+
總的電池反應為：
2MnO2+Zn+2NH4Cl→2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2
實踐經驗表明，該電池的電流—電壓特性和二氧化錳的來源有關，也直接地依賴於錳的氧化價態、晶粒的大小及水化程度等。目前已全部以ZnCl2電解液代替NH4Cl，充分說明Zn與Cl配合[ZnCl4]，而不必有NH4存在，放電前pH=5，放電後pH上升到pH=7為中性。
該電池的特點：（1）開路電壓為1.55V～1.70V；（2）原材料豐富，價格低廉；（3）型號多樣1號～5號；（4）攜帶方便，適用於間歇式放電場合。缺點是：在使用過程中電壓不斷下降，不能提供穩定電壓，且放電功率低，比能量小，低溫性能差，在－20℃即不能工作。在高寒地區只可使用鹼性鋅錳乾電池。
鹼性
鹼性鋅錳電池簡稱鹼錳電池，它是在1882年研製成功，1912年就已開發，到了1949年才投產問世。人們發現，當用KOH電解質溶液代替NH4Cl做電解質時，無論是電解質還是結構上都有較大變化，電池的比能量和放電電流都能得到顯著的提高。它的電池表達式為：
（－）Zn︱KOH，K2[Zn(OH)4]︱MnO2，C（+）
它的電極反應如下：
正極為陰極反應：
MnO2+H2O+eˉ→MnO(OH)+OHˉ
MnO(OH)在鹼性溶液中有一定的溶解度
MnO(OH)+H2O+OHˉ→Mn(OH)4
Mn(OH)4+2eˉ→Mn(OH)42-
負極為陽極反應：
Zn+2OHˉ→Zn(OH)2+2eˉ
Zn(OH)2+2OHˉ→Zn(OH)4
總的電池反應為：
Zn+MnO2+2H2O+4OHˉ→Mn(OH)42ˉ+Zn(OH)4
由於正極為陰極反應不全是固相反應，負極為陽極反應是可溶性的Zn(OH)4ˉ，故內阻小，放電後電壓恢復能力強。鹼性鋅錳電池採用了高純度、高活性的正、負極材料，以及離子導電性強的鹼作為電解質，使電化學反應面積成倍增長。它的特點：（1）開路電壓為1.5V；（2）工作溫度範圍寬在－20℃～60℃之間，適於高寒地區使用；（3）大電流連續放電其容量是酸性鋅錳電池的5倍左右；（4）它的低溫放電性能也很好。
我國目前主要生產酸性鋅錳電池、鹼性鋅錳電池，前者如大公、牡丹、中華、天鵝、555，後者如南孚、雙鹿、白象等。
僅根據1995年統計資料表明，全世界乾電池總產量為250億隻，其中鹼錳電池為70億隻。5年來，美國、歐洲和日本的鹼錳電池年增長率超過12%，美、歐、日國內鹼錳電池所占市場比例分別為72%、52%和29%。我國鹼錳電也總產量近3億隻，僅占乾電池總產量的3%，預計5年內將提高到10%～15%。從目前發展現況來看，“南孚”、“雙鹿”、“白象”等品牌已達到國際標準，生產速率最高200隻/min，美國、日本已達300隻/min以上。
結構與性能
（1）電池結構與性能特點
鹼性鋅錳乾電池(簡稱為鹼錳電池)在結構上採用與普通鋅錳電池相反的電極結構，增大了正負極間的相對面積，採用高導電性的鹼性電解液，正負極採用高能電極材料，所以，鹼錳電池的容量和放電時間是同等型號普通電池的3～7倍，低溫性能兩者差距更大，鹼錳電池更耐低溫，而且更適合於大電流放電和要求工作電壓比較穩定的用電場合。
（2）“555”產品特點
555牌一次鹼性鋅錳電池獲得“中國名牌產品”和國家出口免檢產品稱號，產品具有以下優點：
a、不含汞和鎘，對環境友好；b、採用超薄鋼殼技術增加電池內部容量，從而增加電池放電容量；c、採用錳環二次復壓以及鋼殼內壁塗碳技術，降低電池內阻，提高電池大電流放電性能；d、採用超細纖維高緻密性的隔膜，能有效地延長電池的貯存期；e、密封膠塞設定了安全防爆結構，防止電池因不正當使用而可能產生的電池爆炸。
綜合處理技術
研究廢舊電池處理與資源回收利用技術，有利於節約和再利用資源，減少環境污染，改善人類生存環境，形成節約型、可持續發展型的循環經濟，符合國家長期穩定可持續發展的戰略目標，具有巨大的經濟效益和社會效益。
現狀
常用的廢舊乾電池的處理回收利用技術主要分為乾法、濕法、乾濕法3大類。
乾法:也稱高溫分解法，可分為常壓冶金法和真空冶金法。基本原理是在高溫下使廢舊乾電池中的金屬和化合物氧化、還原、分解、揮發和冷凝，優點是過程中不引進新的雜質，回收產品純度較高、除汞效果好，缺點是能耗大、設備費用高。此法在瑞士、日本、瑞典、美國等國家得到了廣泛套用。
濕法:基於廢乾電池中的金屬及其化合物易溶於酸的性質，先將其溶解，溶液用於生產化工副產品硫酸鋅、硫酸錳等或將溶液淨化後經電極生產Zn、MnO2等。優點是設備投資少、操作費用較低;缺點是加入化學物質多、產品純度低，工藝流程長，可能會產生二次污染。德國、奧地利等國採用此法建立了廢乾電池處理回收工廠。
乾濕法:將乾法與濕法結合起來，利用各自的優點，避免各自的缺點，形成新的廢舊電池處理回收利用工藝技術和方法，世界上也有不少國家正在研究或使用這種方法對廢舊電池實施處理回收利用。基於真空技術的廢舊乾電池回收處理技術乾法中的真空冶金法，具有除汞效果好、不引進新的雜質，回收產品純度較高、對環境的污染小。不足之處:為了回收乾電池中的鐵、二氧化錳要在高溫下還原，能耗高。有些金屬可通過其他相對簡捷的方法回收，卻也在真空中長期加熱，增加了處理量和能耗。濕法的優點是設備投資少、操作費用較低。單純的濕法有不足之處;汞的回收不徹底，工藝複雜流程長，處理過程中所形成的化合物，可能產生二次污染。
回收技術
重點是有機地結合乾法與濕法的優點，避免其不足。與傳統的乾濕法處理技術相比。其特點在於先採用專用機械分離設備，分離廢舊乾電池外層金屬(約占廢舊乾電池金屬含量的80%)，通過初步篩選成中心物質和外層物質，採用真空法先分離回收低熔點金屬和易蒸發的有害化合物，再篩選、水洗分離回收可再利用金屬和其他物質，最後採用濕法處理分離殘渣中的高熔點金屬和有害物質。在整個處理過程中，對廢舊電池處理回收利用效率高、能耗小、設備投資少，利於中小城市乃至城鎮對廢舊乾電池的處理與回收利用，具有較大的經濟效益和社會效益。處理技術的基本工藝流程如圖所示。
在圖所示流程中，真空處理包含有真空蒸餾分離、真空熱解、真空熱還原冶金等處理工序，是本研究有效處理有害物質的關鍵工序之一。
