堿錳電池用大功率無汞鋅粉的霧化裝置

張 健,張 杰

(寧波雙鹿能源科技有限公司,浙江寧波 315040)

無汞鋅粉是堿錳電池的關鍵材料,影響著電池的各項放電性能。目前,主要通過改善鋅粉合金工藝、鋅粒的形態[1]及比表面積,使無汞鋅粉達到并超過汞齊化鋅粉的性能。隨著生產技術的不斷改進,普通國產無汞鋅粉的性能已達到汞齊化鋅粉的水平,基本可實現替代進口,降低了堿錳電池的成本。國產普通無汞鋅粉制備的堿錳電池的大功率性能,與進口高端無汞鋅粉制備的堿錳電池仍存在差距,如1 500 mW、650 mW脈沖放電和1 000 mA脈沖放電的性能。

進口鋅粉的比表面積比國產鋅粉要大,不規則的形狀更適合大功率放電。本文作者設計了一種霧化裝置,試圖降低霧化能耗、提高生產效率,增加霧化鋅粉的比表面積,以提高制備的堿錳電池的大功率性能。

1 主要霧化方式

無汞鋅粉的生產主要采用亞音速氣體霧化技術[2],在熔液足夠高的過熱度和一定的氣體射流條件下,鋅粉顆粒呈球形或不規則骨形,粒徑分布范圍較寬(1～500 μ m),一般采用較低的氣壓(0.5～1.0 MPa)和較大的氣體流量進行霧化。此霧化技術多使用限制性霧化器和自由降落式霧化器等兩種基本的霧化器結構[3-4],如圖1所示。

圖1 亞音速氣體霧化技術的霧化器結構Fig.1 Atomizer structures of subsonic gas atomization device

限制性霧化器(圖1a)的主要特點為:氣體出口接近金屬液流出口,金屬液體一流出即被霧化,可用最大的能量破碎較少的金屬液流,能量損失少、產物顆粒較細。由于霧化點接近導流管端口,金屬液流在發生霧化前可能會凝固,容易產生霧化波動,溫度較高的金屬液流霧化的穩定性不高。

自由降落式霧化器(圖1b)的主要特點是:金屬液流在自由降落過程中被氣體霧化破碎,氣體的霧化點與液流出口保持一段距離。此方式的生產穩定性高,所得鋅粉呈不規則狀,但粒徑在150 μ m以下的不規則鋅粉較少。

2 六孔噴料架霧化裝置

在無汞鋅粉制備中,增加鋅粉顆粒的比表面積,提高松裝密度,改進霧化裝置,以降低鋅粉顆粒粒徑、提高鋅粉形態的不規則性,可在堿錳電池中添加更多的活性物質,是提高堿錳電池大功率性能的一個途徑。

2.1 霧化裝置結構和工作原理

本文作者設計的自由降落式噴嘴霧化裝置(如圖2)具有結構簡單,不易堵塞,可控制性強,霧化效率高的特點。

圖2 六孔噴料架霧化裝置示意圖Fig.2 Scheme of six hole ejection atomization device

該裝置主要由噴嘴(1)、鎖緊螺母(2)和噴料架(3)等3大部件組成,采用六孔分布結構。根據顆粒粒徑要求,將噴料架的噴射孔間距(F)調至100～110 mm,噴嘴的噴射角(E)調至145°～150°。噴射孔間距和噴射角越小,鋅粉的粒徑越小,但越易造成霧化區域的負壓紊流擾動;反之,則氣流越穩定。該裝置的工作原理:金屬鋅液流通過導流孔(5)進入霧化區域,高壓氣體經進氣孔(4)進入噴料架(3),通過噴料架型腔將氣流分配到由鎖緊螺母(2)固定的噴嘴(1),氣流在噴嘴內腔流道加速,噴射后在金屬鋅液流的霧化點(O)破碎。

2.2 霧化裝置的特點

該裝置霧化能耗低,可用于堿錳電池大功率無汞鋅粉的批量生產。在0.8 MPa的氣壓下,采用四孔均勻分布結構的常規噴料架霧化裝置生產的鋅粉中,粒徑小于150 μ m的約為44.2%;而用該裝置生產的鋅粉,粒徑小于150 μ m的可超過80%,而且具有可控性好、不易堵塞的優點。在氣體霧化過程中,金屬鋅液流在通過導流孔時會產生一定的正壓,而在金屬液流被高壓氣體高速破碎的霧化點區域,會產生一定的負壓區,因此兩個區域的影響容易造成氣流干擾,金屬鋅液流不穩定,細粉上揚,造成霧化裝置堵塞。該裝置通過對噴料架的噴射孔間距和噴嘴噴射角的調整,實現霧化區域氣體和金屬鋅液流的穩定,使氣流在沖擊破碎過程中產生一個平行于金屬鋅液流方向的動能,金屬鋅液流依靠氣流在液流表面產生的剪切力和擠壓而變形,液流直徑不斷減小,發生液流纖維化,使金屬鋅粉形成不規則的顆粒形狀。

2.3 實際生產情況

在實際生產中,該裝置的能耗低,比采用四孔均勻分布結構的常規噴料架自由降落式霧化器裝置,節約能耗20%。該裝置性能穩定,一次成品率達85%,設備運行率達85%,可實現350 kg/h的大功率堿錳電池無汞鋅粉生產能力。

3 生產的無汞鋅粉的性能分析

3.1 實驗步驟

根據GB/T1480-1995《金屬粉末粒度組成的測定》[5],用WQS型振動篩(上海產)測定常規噴料架自由降落式霧化器和六孔噴料架這兩種霧化裝置在相同工況、0.8 MPa的氣壓下生產的鋅粉的粒徑。用JSM6360型掃描電子顯微鏡(日本產)觀測生產的鋅粉的形貌。用Malvern 2000型激光粒度分析儀(英國產)分析普通無汞鋅粉和大功率無汞鋅粉。

在LR6型電池生產線(寧波產)上用普通無汞鋅粉和大功率無汞鋅粉分別生產LR6電池,按GB/T8897.2-2008《原電池 第2部分:外形尺寸和電性能要求》[6],用DM3000型電池自動檢測系統(蘇州產)測試電池的放電性能。

3.2 實驗結果

生產的鋅粉的粒徑分布見表1。

表1 生產的鋅粉的粒徑分布Table 1 Particle size distribution of produced zinc powder

從表1可知,與采用常規噴料架自由降落式霧化器霧化裝置生產的鋅粉相比,該裝置生產的大功率無汞鋅粉顆粒分布較細,粒徑小于150 μ m 的鋅粉超過80%。

圖3為生產的大功率無汞鋅粉的SEM圖。

圖3 生產的大功率無汞鋅粉的SEM圖Fig.3 SEM photograph of produced high power mercury-free zinc powder

從圖3可知,生產的大功率無汞鋅粉呈不規則形,表面呈纖維化。

生產的鋅粉粒徑測試分析結果見表2。

表2 生產的鋅粉粒徑測試分析結果Table 2 Particle size analysis results of produced zinc powder

從表2可知,該裝置生產的大功率無汞鋅粉比表面積達0.013 m2/g,比普通無汞鋅粉提高一倍。

用兩種鋅粉生產的LR6電池的脈沖放電性能見圖4。

圖4 用兩種鋅粉生產的LR6電池的脈沖放電性能Fig.4 Pulse discharge performance of LR6 battery produced with two kinds of zinc powder

從圖4可知,用大功率無汞鋅粉生產的LR6電池,大功率性能比普通鋅粉生產的LR6電池有所提高,其中1 500 mW、650 mW脈沖放電次數達130次,性能提高超過35%。

4 結論

設計的自由降落式噴嘴霧化裝置具有性能穩定、能耗低、生產效率高的特點,適合于大功率無汞鋅粉的規模生產。

隨著用戶對堿錳電池大功率性能的要求越來越高,作為堿錳電池的關鍵材料,增加無汞鋅粉顆粒的比表面積,對鋅粉粒徑分布進行逐級精細化區分,提高鋅粉化生產效率,將成為無汞鋅粉生產技術的發展方向。

[1]CHU De-wei(褚德威),KONG Fan-tao(孔凡濤),YUAN Guohui(袁國輝),et al.鋅粉形貌對堿性鋅錳電池性能的影響[J].Battery Bimonthly(電池),2000,30(4):159-160.

[2]ZHANG Ji-shan(張濟山),XIONG Bo-qing(熊柏青),CUI Hua(崔華).噴射成型快速凝固技術——原理與應用[M].Beijing(北京):Science Press(科學出版社),2008.6-48.

[3]CHEN Wen-mi(陳文汨),WAN Xin-hua(萬新華).噴嘴結構和工藝參數對霧化鋅粉粒度的影響[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals(中國有色金屬學報),2001,11(5):852-857.

[4]QI Hua-rong(起華榮),YANG Gang(楊鋼),SHI Qing-nan(史慶南),et al.鋅/空氣電池無汞鋅粉制備技術現狀[J].Yunnan Metallurgy(云南冶金),2006,35(5):38-42.

[5]GB/T 1480-1995,金屬粉末粒度組成的測定[S].

[6]GB/T 8897.2-2008,原電池 第2部分:外形尺寸和電性能要求[S].