無鉛無鎘鋅-二氧化錳電池的制造研究①

葉敏華，徐國鵬

(松柏(廣東)電池工業(yè)有限公司，廣東佛山528313 )

在人們以往的認(rèn)知中，鋅-錳(Zn-MnO2)電池是一種高污染的產(chǎn)品，特別是含汞的鋅-錳電池。隨著人們對環(huán)保意識的增強(qiáng)，國家對電池也出臺了一系列的環(huán)保法規(guī)，自2015年12月31起禁止生產(chǎn)含汞鋅-錳電池[1]。鋅-錳電池中，除汞(Hg)外，還有一些物質(zhì)如鉛(Pb)、鎘(Cd)等重金屬，同樣對環(huán)境有害，國際環(huán)保組織嚴(yán)格限制各種產(chǎn)品中重金屬的使用。為此，鋅-錳電池的無鉛無鎘化也很有必要[2]。

1 鋅-錳電池?zé)o鉛無鎘化的實(shí)現(xiàn)

1.1 負(fù)極鋅材的無鉛無鎘

傳統(tǒng)的鋅-錳電池，Pb和Cd元素主要存在于電池的負(fù)極，負(fù)極為鋅筒。電池的負(fù)極鋅筒，是通過先熔鑄鋅板，然后壓制成鋅餅，再用沖床將鋅餅沖制而成的。制作鋅筒的鋅餅在其鑄造過程中，為改善鋅的延展性及增加強(qiáng)度，需在鑄造時(shí)加入0.3%～0.5%(質(zhì)量百分比；下文同)的鉛(Pb)及0.0005%～0.004%的鎘(Cd)，以及0.0005%%～0.0030%的鎂(Mg)。

因此，要實(shí)現(xiàn)鋅-錳電池的無鉛無鎘化，首先要從電池的負(fù)極入手。松柏公司早在2004年便開始進(jìn)行無鉛、無鎘鋅-錳電池的研制，并申請了無鉛、無鎘鋅-錳電池的發(fā)明專利[2]，2009年開始規(guī)模化生產(chǎn)。公司生產(chǎn)鋅筒時(shí)所使用的鋅錠，其中的Zn含量在99.995%以上，Cd含量≤0.0005%，Pb含量≤0.004%，同時(shí)加入0.0005%～0.0030%的Mg，及0.001%～0.005%的銦(In)或0.0005%～0.005%的錫(Sn)，控制熔鑄溫度在400℃～500℃，在此條件下鑄成鋅板；將鋅板進(jìn)行轆壓，用沖床沖制成鋅餅，沖制的鋅餅經(jīng)表面去毛刺及加潤滑劑處理后，采用高速精密沖殼機(jī)沖制成鋅筒。在沖制鋅筒的過程中，由于無鉛的鋅餅與之前的有鉛鋅餅其表面的粗糙度和金屬的流動(dòng)方面有所不同，故模具方面也要做相應(yīng)的調(diào)整。

1.2 其他材料

在裝配電池方面，用于電池的其他原材料中的Pb、Cd含量必須低于0.002%，否則有可能影響電池中的Pb和Cd的含量。為保證電池的防漏和貯存性能，建議在漿層紙加入銦(In)或鉍(Bi)作為緩蝕劑。

2 無鉛無鎘鋅-錳電池性能測試

2.1 樣品電池的制作

通過不同比例的元素含量搭配，共進(jìn)行了6組鋅餅樣品及相應(yīng)的R6電池樣品的試制，采用原子吸收光譜儀(AAS)對樣品中各元素含量進(jìn)行精確測試，結(jié)果如表1所示。

表1 鋅餅及相應(yīng)電池樣品中元素含量

注：2006/66/EC關(guān)于無鉛和無鎘的定義Pb≤0.004%,鎘≤0.002%[3]。

用上述6種不同元素配比的鋅餅制成鋅筒，表面的平整度與紋理與有鉛的鋅-錳電池鋅筒(加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)相當(dāng)，說明用上述6種不同元素配比的鋅餅制造的鋅筒表觀上可以達(dá)到有鉛鋅餅制造的鋅筒基本相同的效果。

2.2 電池放電性能和防漏性能測試

采用上述1至6號鋅材樣品所制成的R6電池(樣品號對應(yīng))，對其進(jìn)行放電性能與漏液性能測試(測試項(xiàng)目是筆者公司自定；測試環(huán)境溫度20℃)，同時(shí)與有鉛(負(fù)極體有加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)的R6電池比較，測試結(jié)果見表2。表中的測試項(xiàng)目沒有完全按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，放電性能只抽取GB/T8897.2-2013其中兩項(xiàng)進(jìn)行測試，抗漏液測試則是按筆者公司自行制定的測試方法進(jìn)行測試。

表2 樣品電池放電性能和漏液性能測試結(jié)果

2.3 電池貯存性能測試

采用上述1至6號鋅材樣品所制成的R6電池(樣品號對應(yīng))，對其進(jìn)行新電性能及貯存(45℃環(huán)境下存放90 d)后的性能測試(測試項(xiàng)目是筆者公司自定；測試環(huán)境溫度20℃)，并與有鉛(負(fù)極有加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)的電池進(jìn)行比較，測試結(jié)果見表3。

表3 樣品電池新電放電性能和貯存性能測試結(jié)果

從上述試驗(yàn)的實(shí)施過程及結(jié)果中可看出，以樣品2、3、4和5效果較佳。

3 總結(jié)

從上述結(jié)果可看出，本次實(shí)施試驗(yàn)的鋅-錳電池的鉛鎘含量均在2006/66/EC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無鉛無鎘最大允許水平內(nèi)，鉛含量在0.004%以下，鎘含量在0.0005%以下，符合環(huán)保要求，是真正意義上的無鉛無鎘鋅-錳電池；電池的放電性能和抗漏液性能以及存放性能與有鉛有鎘電池相當(dāng)，可以完全替代有鉛有鎘電池，且利于環(huán)境保護(hù)和人類健康。

[1] 環(huán)境保護(hù)部，國家發(fā)展和改革委員會，工業(yè)和信息化部，財(cái)政部.環(huán)發(fā)[2013]119號,關(guān)于加強(qiáng)主要添加汞產(chǎn)品及相關(guān)添汞原料生產(chǎn)行業(yè)汞污染防治工作的通知[Z].2013.

[2] 葉錦華.干電池負(fù)極體及其制造方法和使用該負(fù)極體的鋅錳干電池[P]: ZL200410092003.9, 2009-1-14.

[3] 2006/66/EC 歐盟關(guān)于干電池、蓄電池和廢舊電池的指令[Z].2006.