碱性锌/二氧化锰电池结构及生产设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于一种电池结构，尤其涉及一种碱性锌/ 二氧化锰电池的结构，还涉及专用的生产设备。
【背景技术】
[0002]碱锰电池或正极包含二氧化锰活性物质组成的碱锰电池，现在和今后相当一段时间内都为一次电池的主导产品。现在已形成每年产量百亿只以上并能持续发展的独立行业，将来还会取得更大的发展。
[0003]碱锰电池负极锌的利用率为炭锌电池的7 —10倍，碱锰电池取代炭锌电池的比例称为碱性化率，这已成为衡量各国电池工业发展水平的标志。到2011年我国的碱性化率已达约35%，虽有进展但与发达国家相比还有相当一段距离。
[0004]但碱锰电池比炭锌电池更容易漏液与爆炸。电池不管因何原因而漏液，不仅会使电池短路丧失电容量，还会腐蚀用电器具。电池的使用一般为间歇方式，即用一段时间前后夹击暂停使用，电池仍在电器中未取出。有时当再次使用时，电器不工作，检查电源时才发现电池已漏液，用电器已被腐蚀，用户就会怨声载道，对漏液电池品牌深恶痛绝。所以防漏率(或漏液率)是电池最重要的指标。同时，碱锰电池的爆炸虽难得一见，但一旦发生，将危及人身安全，必须引起高度重视。电池因气胀爆裂、密封件冲出等现象时有发生。碱锰电池随身携带，电池爆裂、碱性电解液的溅射可能会对人体造成伤害，特别对儿童更为不利，必须严防这些现象的出现。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供一种碱性锌/ 二氧化锰电池结构，其目的是解决现有技术存在的缺点，提高碱性锌/二氧化锰电池的电效能和安全性。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]碱性锌/ 二氧化猛电池结构,具有套筒,在套筒内的中心位置设有锌膏体,锌膏体外包裹有隔膜，套筒内在隔膜外填充有二氧化锰环，套筒的底部中心设有伸入锌膏体的集流体作为电池负极，套筒的顶部设有与二氧化锰环连接的金属顶盖作为电池阳极，其特征在于:锌膏体在朝向电池底部的方向与隔膜之间具有充满氮气的氮气室。
[0008]本实用新型还提供上述碱性锌/ 二氧化锰电池结构的生产设备，其特征在于:具有氮气箱，氮气箱设有电池入口和电池出口，氮气箱内容置有一个小氮气箱，小氮气箱也设有电池入口和电池出口 ；氮气箱外设有氮气源；氮气箱的电池入口处设有与氮气源连接的气帘吹嘴，氮气箱内设有与氮气源连接的氮气吹气嘴，小氮气箱内设与氮气源连接的小氮气吹嘴；一条电池运输带通过氮气箱的电池入口、小氮气箱的电池入口、小氮气箱的电池出口、氮气箱的电池出口 ；上述氮气吹嘴对准在氮气箱中停留的电池的氮气室；上述小氮气吹嘴对准在小氮气箱中停留的电池的氮气室；小氮气箱内设有集流体插设设备。
[0009]本实用新型的有益之处在于:
[0010]本实用新型将碱锰电池内部设置氮气室后，将有效地发挥氮气在电池内部的稳定作用，同时降低空气中氧气、二氧化碳等气体杂质对电池内部活性物质的腐蚀作用。两次置换氮气可以增加氮气室的氮气浓度。
【附图说明】
[0011]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0012]图1是本实用新型电池结构图；
[0013]图2是本实用新型设备结构图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示:本实用新型的碱性锌/ 二氧化锰电池结构，具有套筒11，在套筒11内的中心位置设有锌膏体13，锌膏体13外包裹有隔膜14，套筒11内在隔膜14外填充有二氧化锰环15，套筒11的底部中心设有伸入锌膏体13的集流体12作为电池负极，套筒11的顶部设有与二氧化锰环15连接的金属顶盖16作为电池阳极。本实用新型对现有技术的改进在于:锌膏体13在朝向电池底部的方向与隔膜14之间具有充满氮气的氮气室10。
[0015]如图2所示，是专用于本实用新型的机械设备。一台作为氮气源的制氮机20置放于生产车间的室外，通过气管，为生产设备提供氮气。
[0016]氮气箱31是一个相对密封的空间，留有3组与碱锰电池大小相当的口子。每组分别是:电池入口 32，未密封电池I与放置电池I的模套6进入氮气箱31 ;电池出口 33:供密封电池I离开氮气箱31 ;还可以设有出口供模套6离开氮气箱31。
[0017]在电池入口 32处，设一个与制氮机20以管道连接的气帘气嘴51，形成气帘(图中虚线)，阻止在电池I进入氮气箱31时空气的流入。
[0018]在氮气箱31内部，设I个与氮气源20以气管连接的氮气吹气嘴52，氮气吹嘴52对准在氮气箱31中停留的电池I的氮气室10，向电池I内部的氮气室10室内吹入氮气，形成气体流，产生气体置换，增加氮气室10内氮气的浓度，降低氮气室10内氧气、二氧化碳等气体的含量。
[0019]为了使氮气室10内的氮气浓度进一步提高，在氮气箱31内再设一个小氮气箱41，小氮气箱41也设有电池入口 42和电池出口 43。小氮气箱41内设与氮气源20以气管连接的小氮气吹嘴53。小氮气吹嘴53对准在小氮气箱41中停留的电池I的氮气室10，小氮气吹嘴53向电池I的氮气室10吹入氮气，形成气流，进行气体置换，进一步提高氮气室10内的氮气含量。
[0020]一条电池运输带7通过氮气箱31的电池入口 32、小氮气箱41的电池入口 42、小氮气箱41的电池出口 43、氮气箱31的电池出口 33。电池I和模套6放置电池运输带7上运输，电池运输带7输送或停止，以运输电池I以及使电池I的氮气室10得以被吹入氮气。小氮气箱41内设有集流体插设设备54，集流体插设设备54可以在电池I的氮气室10被充满氮气后向电池I内插入集流体12从而密封电池。
[0021]通过氮气箱31和小氮气箱41内的两次气体置换，保证了电池I的氮气室10内的氮气浓度，并在小氮气箱41内完成插集流体12，使氮气密封在氮气室10内，保证了电池I卷边、拔直后电池I的氮气室10内的氮气成分不变。
[0022]步骤如下:
[0023]1.打开制氮机20，生成氮气，通过气管到达氮气箱。
[0024]2.打开小氮气箱41内的小氮气吹嘴53，增加小氮气箱41内氮气浓度，排除空气。
[0025]3.打开氮气箱31内的氮气吹嘴52，增加氮气箱31内的氮气浓度，排除空气。
[0026]4.约30分钟后，即可打开电池输送带7，向氮气箱31和小氮气箱41内输入电池I，进行氮气置换空气，形成氮气室10。
[0027]本实用新型有诸多优点
[0028]1.排除空气室内氧气对电池的危害
[0029]①氧的危害一
[0030]氧气在碱性溶液中的反应:
[0031 ] l/202+H20+2e — 2 OH
[0032]反应的标准电极电位为+0.401V，与锌在KOH水溶液中的标准电极电位-1.225V相差1.626V。氧的还原与
[0033]Zn — Zn2++2e_
[0034]锌的氧化又组成微电池，形成一对共轭反应(就是锌/氧电池)。由于氧还原比氢发生的电极电位更正，与锌组成的电池电动势更高，使锌的腐蚀速度更快。
[0035]②氧的危害二
[0036]电池未使用时,负极锌表面基本均勻，部分放电后，锌粉各部位表面状态不一，存在电位梯度，加速锌粉的腐蚀。电池放完电，二氧化锰已耗尽或正极已粉化，但负极锌还存在，如有电液，锌会继续氧化，此时对应的还原反应是氢气的发生，电池内还会继续产生气体。
[0037]2.排除空气室内二氧化碳对电池的危害
[0038]电解液、正极粉料、正极环、锌膏中都含有KOH溶液，尤其是电液和锌膏，若接触空气，KOH与空气中的CO2发生碳酸化反应
[0039]2K0H+C02 — K2C03+H20
[0040]使电池内阻增加。
[0041]3.发挥氮气在电池内的物理属性
[0042]氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，是一种无色无味的气体，且通常无毒。由氮元素的氧化态——吉布斯自由能图也可以看出，除了 NH4+离子外，氧化数为O的N2分子在图中曲线的最低点，这表明相对于其它氧化数的氮的化合物来讲，N2是热力学稳定状态。
[0043]氮气几乎为惰性的双原子气体，化学性质极不活泼，气体分子比氧分子大，不易热胀冷缩，变形幅度小，其渗透速度比空气慢约30%—40%。而与一般高压空气相比，高纯度氮气因为无氧且几乎不含水份不含油，其热胀冷缩系数低，热传导性低，升温慢。有效地改善了以下几个问题:
[0044]①降低了电池短路等情况引起的电池高温和气胀程度。
[0045]②降低了碱锰电池“爬碱”的速度。
[0046]③提升电池的安全性能。
[0047]4.发挥氮气在电池内的化学属性(还在研究中)
[0048]氮气在高温、高能量条件上可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。氮气与氢气反应制氨气:
[0049]N2+3H2 = 2NH3 (高温、高压、催化剂)
[0050]催化剂:ΛrH Θ = — 92.4kj/mol
[0051]氨在水中的反应可表示为:NH3+H20 = NH3.H2O
[0052]—水合氨不稳定受热分解生成氨和水。氨水中存在三分子、三离子、三平衡。而OF和NH4+离子对电池的电化学反应起积极作用。
[0053]综合上述氮气的化学性质，只要达到一定的催化条件或是添加适当的催化剂的作用下，氮气和锌腐蚀生成的氢气反应生成氨气，氨气与电解液中的水生成一水合氨，得到利于电池反应的0H_和NH4+离子，0H_可直接参与碱锰电池的电化学反应。而NH4+也可和正极粉料中的石墨进行反应(碳性电池)。所以，降低了碱锰电池的气胀程度，又提高了电池的电性能，改善了电池的安全性能。
【主权项】
1.碱性锌/二氧化锰电池结构，具有套筒，在套筒内的中心位置设有锌膏体，锌膏体外包裹有隔膜，套筒内在隔膜外填充有二氧化锰环，套筒的底部中心设有伸入锌膏体的集流体作为电池负极，套筒的顶部设有与二氧化锰环连接的金属顶盖作为电池阳极，其特征在于:锌膏体在朝向电池底部的方向与隔膜之间具有充满氮气的氮气室。
2.碱性锌/二氧化锰电池结构的生产设备，其特征在于:具有氮气箱，氮气箱设有电池入口和电池出口，氮气箱内容置有一个小氮气箱，小氮气箱也设有电池入口和电池出口 ；氮气箱外设有氮气源；氮气箱的电池入口处设有与氮气源连接的气帘吹嘴，氮气箱内设有与氮气源连接的氮气吹气嘴，小氮气箱内设与氮气源连接的小氮气吹嘴；一条电池运输带通过氮气箱的电池入口、小氮气箱的电池入口、小氮气箱的电池出口、氮气箱的电池出口；上述氮气吹嘴对准在氮气箱中停留的碱性锌/ 二氧化锰电池结构的氮气室；上述小氮气吹嘴对准在小氮气箱中停留的碱性锌/ 二氧化锰电池结构的氮气室；小氮气箱内设有集流体插设设备。
【专利摘要】本实用新型提供一种碱性锌/二氧化锰电池结构，具有套筒，在套筒内的中心位置设有锌膏体，锌膏体外包裹有隔膜，套筒内在隔膜外填充有二氧化锰环，套筒的底部中心设有伸入锌膏体的集流体作为电池负极，套筒的顶部设有与二氧化锰环连接的金属顶盖作为电池阳极，其特征在于：锌膏体在朝向电池底部的方向与隔膜之间具有充满氮气的氮气室。本实用新型还提供上述结构的生产设备。本实用新型可以提高碱性锌/二氧化锰电池的电效能和安全性。
【IPC分类】H01M6-02, H01M6-06
【公开号】CN204361174
【申请号】CN201420350579
【发明人】李胜平
【申请人】李胜平
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年6月27日