脈沖放電時堿錳電池電極電位的同步測定

唐 錄,金成昌,王建文

(蘇州大學化學電源研究所,江蘇蘇州 215006)

各種數碼電器對堿錳電池高功率放電的要求越來越高,高功率電池成為當前堿錳電池研究的重點[1-2]。與國際尖端產品相比,我國堿錳電池尚有一定的差距。以LR6電池1.5 W恒功率脈沖放電[3]為例,國際尖端產品放電至1.05 V可達 130余次,而我國堿錳電池從2010年行業檢測的結果[4]來看,大多只有60～80次,僅3家企業、5個品牌的產品能達到上百次。探究具有高功率放電性能的堿錳電池與普通堿錳電池放電特性上的區別,對尋求提高電池性能的技術方向,研制高功率堿錳電池具有重要的意義。

電池放電性能的好壞與工作時兩極的極化密切相關。探求堿錳電池在高功率放電條件下兩極電位的實時變化情況,是分析高功率堿錳電池與普通堿錳電池技術區別的重要技術手段,為此,本文作者對高功率和普通 LR6電池在1.5 W恒功率脈沖放電條件下的兩極電位進行了測定。

1 實驗

1.1 實驗對象

自制的高功率無汞 LR6電池[5]記為電池A,將市售(廣東產)普通無汞 LR6電池新電(距生產日期小于3個月),剝除標貼并清潔干凈,記為電池B。電池數量均為60只,放電數據為9只電池放電數據的平均結果。電解二氧化錳(EMD,廣西產,無汞堿錳電池級)；鋅粉(上海產,無汞堿錳電池級)。

1.2 實驗步驟

分別在電池A、B的正極鋼殼上開孔,以Hg/HgO電極為參比電極,36%KOH(上海產,AR)溶液為電解液,在BT2000電池測試儀(美國產)上進行1.5 W恒功率脈沖放電,并同時測定放電過程中正、負極的電位(vs.Hg/HgO)的變化。除討論截止電壓的影響實驗以外,電池放電的截止電壓為0.75 V。測試裝置示意圖見圖1。

圖1 測試裝置示意圖Fig.1 The schematic diagram of measuring device

2 結果與討論

電池1.5 W脈沖放電曲線及電極電位變化曲線見圖2,不同截止電壓下電池放電的脈沖次數見表1。

圖2 電池1.5 W脈沖放電曲線及電極同步電位變化曲線Fig.2 Discharge curves of battery and the synchronous potential curves of both electrodes in 1.5 W pulse discharge

表1 電池在不同放電截止電壓下的放電脈沖次數Table 1 Pulse discharge number of battery at different cut-off voltage

從圖2、表1可知,電池A的高功率放電性能明顯優于電池B,當放電截止電壓為1.05 V時,電池A的放電脈沖次數是電池B的 1.53倍。圖3為圖2中電池A1組(10次)脈沖放電曲線的局部放大圖。

圖3 單組脈沖局部放大圖Fig.3 The enlarged figure of a group of pulses

圖4 電池開路電壓及電極開路電位變化曲線Fig.4 Open-circuit voltage curves of batteries and synchronous potential curves of electrodes

電池開路電壓及電極開路電位變化曲線見圖4。

從圖4可知,兩種電池雖然開路電壓不同,但放電期間的變化趨勢相似,均隨放電的進行而下降。正極電位的變化趨勢與之相同；但負極開路電位的變化卻有很大的不同,在放電開始時,電池B的負極開路電位比電池A低,但隨著放電的進行,電池B的負極電位迅速升高,直到第40次脈沖后,變化趨勢才與電池A相似。

以脈沖電位(電壓)變化對脈沖次數作圖,得圖5。

圖5 電池脈沖電壓及電極脈沖電位降隨脈沖次數的變化Fig.5 Change of battery voltage drop and electrode potential drop by pulses number

從圖5可以看出:放電初期,電池B脈沖電壓降幅小于電池A,但是脈沖電壓降幅上升的速率卻遠高于電池A,以致電池B在第80次脈沖后脈沖電壓降幅迅速上升,很快使電池達到放電截止電壓。電池A由于脈沖電壓降幅上升的速率比較慢,能夠較長時間地維持較低的電壓降幅,因此在放電后期,電池B脈沖電壓降幅遠高于電池A,這是電池B高功率放電性能不及電池A的主要原因。正極和負極脈沖電位降(升)幅變化情況,與電池脈沖電壓降幅變化情況類似。這表明,正負極均對電池高功率放電性能產生了明顯的影響。

圖5b中,電池B正極脈沖電位降幅在放電開始30次脈沖以后即高于電池A,負極電位的脈沖升幅在80次以后超越電池A,說明在高功率放電的中、后期對電池正負極極化的抑制是有效提高電池高功率放電性能的關鍵。

3 結論

在高功率放電條件下同步測定電池兩極電位變化曲線,可以清晰地看到在放電過程中正負極電位的變化情況,可以通過這種方法,更深層次地探究正負電極在放電過程中發生的變化。

電池脈沖電壓降幅及其變化速率,是影響電池大電流脈沖放電性能的主要因素。

具有優異的高功率放電性能的堿錳電池,更好地抑制了電池脈沖電壓降幅及其增大速率,尤其是在電池放電的中、后期,更好地抑制了正負極電位下降(上升)的幅度及其上升速率。

[1]XIA Xi(夏熙).大電流放電堿錳電池的進展[J].Battery Bimonthly(電池),2003,33(2):84-87.

[2]LI Tong-qing(李同慶).提高堿錳電池放電性能的研究進展(下)[J].Battery Bimonthly(電池),2003,33(1):25-26.

[3]IEC60086-2:2011,原電池 第2部分:外形尺寸和電性能要求[S].

[4]2010年全國電池行業產品質量檢測報告[R].2010.

[5]S.M.戴維斯,N.K.伊爾特切夫,G.A.米勒.圓柱形鋅/二氧化錳堿性電池[P].CN:10200762A,2011-04-06.