纸品天地
碱性锌锰干电池用隔膜纸
●李杰辉1,都业壮2,刘
文1,鲍漫秋2,李劲松2,孟澎涛1,吕福荫1
(1.中国制浆造纸研究院,北京100020;2.牡丹江恒丰纸业股份有限公司,黑龙江牡丹江157013)
摘要:本文从碱性锌锰干电池的结构和工作原理入手,分析了碱性锌锰干电池对隔膜的具体要求;在此基础上,对抄造碱性电池隔膜纸所需的原材料和抄造工艺进行了简单的叙述;对国内电池隔膜纸的开发和市场状况进行了分析和讨论。关键词:锌锰干电池;隔膜纸;制造;市场中图分类号:TS761.2
文献标识码:A
文章编号:1001-6309(2008)01-0043-03
隔膜是化学电源的重要组成部分,在电池中,隔膜的主要作用是隔离正负极,防止电池正负极之间直接接触,以阻止电池内部短路(自放电),同时又能允许电解液中的离子自由通过,保证电池的正常放电。在各类化学电源中,电池隔膜都发挥着重要的作用。
负极反应:Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e
正极反应:2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH-电池反应:Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH
锌锰干电池的负极材料为锌膏(主要组成为:活性锌粉、氧化锌、黏结剂CMC、糊化剂、PVA等),导电剂、黏结剂等正极材料为锰环(主要由MnO2、组成)。
锌锰干电池由于使用方便、价格便宜,所以至
碱性锌锰干电池对隔膜的要求主要是由电池
今仍然是一次电池中使用最广、产值和产量最大的电池。锌锰干电池的结构如图1[1]:
电解液的组成、正负极的材料决定的。隔膜质量的优劣会直接影响到电池的使用寿命,根据碱性锌锰干电池的组成及加工要求,对电池隔膜一般有以下要求:
2.1外观要均匀、平整,无机械杂质
隔膜的均匀性会直接影响到电池的放电寿命,
如果隔膜的抄造匀度不佳,会造成电池放电性能下降;不能更好地隔离正负极的活性物质;同时会造成隔膜抵抗锌枝穿透能力下降,从而导致锌枝穿透隔膜,造成电池内部短路,降低电池使用寿命。在抄厚度、透气度等指造过程中,可以通过对纸张定量、
图1
碱性锌锰干电池结构(锰环-锌膏式)
标的控制,来保证纸张的均匀性。
1-金属顶帽;2-塑料套筒;3-锌膏;4-钢壳;5-金属外套;6-隔膜;7-二氧化锰环;8-锌极集流柱;9-塑料底;10-金属底盖绝缘垫圈。
碱性锌锰干电池的工作原理:(-)Zn|
2.2有良好的耐化学腐蚀能力
由于碱性锌锰干电池的电解液为KOH溶液,
通常的植物纤维的耐碱性较差,在强碱性环境下会发生碱性水解和剥皮反应。在一定的时间内,
强碱
KOH(饱和ZnO)|MnO2(+)
PaperandPaperMakingVol.27No.1Jan
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溶液会造成对电池隔膜的破坏,失去隔膜应具有的隔离作用,造成电池内部短路,降低电池的使用寿命。所以在电池隔膜的抄造过程中选用合适的纤维原料,充分考虑隔膜的抗碱性能十分重要。
造成电池反应过程中的形成,从而导致锌枝“锌枝”穿透隔膜造成电池内部短路,降低电池寿命[1]。
2.7金属杂质的含量要低
铁的含隔膜纸中金属粒子的含量,特别是铜、
2.3有良好的机械强度
目前,电池的装配已经实现自动化、连续化,电
因为铜、量要低,许多电器用纸也有这方面的要求。
铁等在KOH溶液中与锌能够形成腐蚀微电池,增加析氢反应,加速锌的腐蚀,即使含量很少也会大大加速锌极的腐蚀速度。因此,在电池隔膜的抄造过程中,要考虑对抄造用水的纯化,抄造用水采用脱盐水,抄造设备尽量减少使用铜铁等材料,以保证对电池隔膜的电气性能要求。
池隔膜纸一般采用盘纸的方式应用于电池装配生产线上(机内或机外使用)。因此,就需要电池隔膜有良好的机械加工性能,防止在加工过程中出现断纸等现象的发生。
2.4
力
有良好的电解液吸收能力和保持电解液的能
2.8
由于在电池的装配过程中,电解液是在线注入
规格要求
目前各个厂家对隔膜的要求没有统一的标准。
电池中的,这就要求电池隔膜对KOH电解液有良好的吸收性能,
保证隔膜对电解液的均匀快速吸
在隔膜定量、宽度、厚度方面的要求参差不齐。宽度有54.0、53.5、47.0、45.0、43.0、17.0等规格;定量范围在27~90gm-2,其中最常用的定量为40gm-2。由・・于市场对隔膜纸规格的要求不一,给实际生产带来很多不便之处,对设备的灵活性要求会较高,同时也会增加产品的成本。
另外,
从纸机的抄造工艺和企业效益方面考
收,以保证电池的装配速度和质量的稳定。
另外,在碱性溶液中,锌的阳极溶解反应为:
Zn+4OH-→ZnO22-+H2O+2e
生成的ZnO22-在碱中的溶解度为1~2molL-1,・达到饱和后会沉淀出Zn(OH)2,将会阻止电极反应继续进行,因此,锌电极的容量决定于碱溶液的体积。因此,电池隔膜保持电解液的能力,对电池寿命有重要的影响。因此,为保证电池隔膜的吸收性能和饱液能力,在电池隔膜的工艺中对抄造原料的选择和工艺的优化非常重要。
虑,隔膜纸还应容易制造,在满足要求的情况下,应充分考虑选用原材料的成本。
通过上述分析可以看出,可以通过对原料的选
2.5在电解液中需要有良好的尺寸稳定性
电池隔膜在电解液中的胀缩性要小,因为如果
择和工艺的优化来满足电池对隔膜的强度、匀度、抗腐蚀能力、金属离子含量以及隔膜尺寸稳定性和对电解液的吸收能力等方面的要求。
隔膜在电解液中的膨胀性过大,会造成电池正负极材料使用量下降,从而影响电池寿命;如果隔膜在电解液中的收缩性太大,会使电池隔膜的隔离性能下降,造成电池正负极直接接触,导致电池内部短路,影响电池的质量稳定性。
3.1原料的选取
在选择抄造电池隔膜的原料时,应选择耐碱性
好、吸收能力强、在碱性溶液中能够保证尺寸稳定性的纤维。从纤维的尺寸方面考虑,细的纤维抄造出的纸张的隔膜较为细腻,因而会提高电池隔膜的机械性能和化学性能。
一般来讲,植物纤维,不论是天然的植物纤维或人造纤维(如黏胶纤维),都有较强的吸附电解液的能力,但是由于植物纤维的耐碱性较差,在抄造
2.6具有良好的离子导电能力
隔膜的离子导电能力会影响到电池正、负极的
氧化还原反应是否能够顺利进行,从而影响到电池的电性能。从这个角度看,同样要求电池隔膜具有良好的均匀性,因为如果隔膜的匀度较差时,容易
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电池隔膜的过程中添加大量的植物纤维会造成隔膜机械和化学性能的下降[2],并会导致隔膜在碱液中尺寸稳定性下降,降。
从而会造成电池放电性能下
我国是世界第一大电池生产国和消费国,约占
世界总产销量的1/3,锌锰一次电池用隔膜的市场
PVA等合成纤维在强碱环境下具有良好的尺
寸稳定性[3],耐碱性能优良,在水中的分散性较好,目前国内市场供应量和纤维质量比较稳定等优点,是抄造电池隔膜的优良原料。而为了保证隔膜对电解液的吸收性和饱液性能、具有一定的机械性能,应在电池隔膜中加入吸碱性、饱液能力强的纤维原料。黏胶纤维作为化学纯度和吸液性能较好的纤维,可以作为抄造电池隔膜的原料,普通的植物纤维原料作为增强纤维,在抄造电池隔膜的过程中也是不可或缺的原料。
需求量估计已经接近1000t,近几年国内电池产量保持了良好的增长势头,电池隔膜纸也具有良好的市场前景。
目前,我国高档碱性电池隔膜纸市场90%以上被日本公司占有。高档电池隔膜的市场价位大概在每吨15~20万元。
国内也有一些研发和生产电池隔膜纸的厂家,如牡丹江恒丰纸业股份有限公司和中国制浆造纸研究院合作开发的电池隔膜纸经过相关电池厂家和行业权威部门的检测已具有了良好的性能。经国内大型电池生产厂家的应用试验表明,该产品能够应用到高档电池的生产过程中取代国外进口产品,并已有批量订货。国内的新华纸厂、浙江普瑞、浙江凯恩、浙江华邦、陕西等地的相关企业也在致力于电池隔膜纸的开发,取得了一定的成绩,相关产品已经应用于低档电池领域中。相信通过国内造纸行业以及电池同行的共同努力,一定能够开发出高质量的电池隔膜满足国内高品质电池生产的需要,为国家节约大量外汇
。
参考文献:
[1]郭炳焜,李新海,杨松青.化学电源———电池原理及制造技术[M].中南工业大学出版社,2001.
3.2正确使用分散剂
由于抄造隔膜纸的原料多为滤水性好、长度较
长的纤维,正确合理地使用纤维分散剂能够避免纤维之间的缠绕絮聚,防止纸页成形过程中因脱水过快导致的纸页均匀性差的问题。目前使用的分散剂多为聚丙烯酰胺和PEO类,可以根据生产实际情况进行选取。
3.3抄造设备的选取
由于抄造电池隔膜的纤维原料多选取合成纤
维,而合成纤维之间大多没有结合力,因此,在抄造过程中选用的原料多为长纤维,所以采用低浓上浆成形将有助于改善纸张匀度,因此,使用圆网或斜网纸机进行电池隔膜的抄造能够保证其匀度。另外,还要选取适宜的浆料分散和筛选设备,从对原料的预处理上保证隔膜抄造的均匀性。
[2]Mizutani,etal.SeparatorsforAlkalineDryBattery:US,4746586[P],1988-05-24.
[3]LaBonte,etal.BatterySeparator:US,4767687[P],1988-08-30.
SeparationPaperUsedinAlkalineZinc-MnBattery
LIJie-hui1,DUYe-zhuang2,LIUWen1,BAOMan-qiu2,LIJin-song2,
MENGPeng-tao1,LUFu-yin1
(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing,100020China;
2.MudanjiangHengfengPaperCoLtd,Mudanjiang,HeilongjiangProvince,157013China)
Abstract:Thispaperintroducesthestructureandworktheoryofalkalinezinc-Mnbattery.Then,therequirementofthebattery
ontheseparationpaper,theselectionoftherawmaterialandpapermakingtechnologyaredescribed.TheR&Doftheseparationpaperandthemarketsituationareanalyzedanddiscussed.
Keywords:zinc-Mnbattery;separationpaper;manufacturing;market
收稿日期:2007-07-26
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碱性锌锰干电池用隔膜纸
●李杰辉1,都业壮2,刘
文1,鲍漫秋2,李劲松2,孟澎涛1,吕福荫1
(1.中国制浆造纸研究院,北京100020;2.牡丹江恒丰纸业股份有限公司,黑龙江牡丹江157013)
摘要:本文从碱性锌锰干电池的结构和工作原理入手,分析了碱性锌锰干电池对隔膜的具体要求;在此基础上,对抄造碱性电池隔膜纸所需的原材料和抄造工艺进行了简单的叙述;对国内电池隔膜纸的开发和市场状况进行了分析和讨论。关键词:锌锰干电池;隔膜纸;制造;市场中图分类号:TS761.2
文献标识码:A
文章编号:1001-6309(2008)01-0043-03
隔膜是化学电源的重要组成部分,在电池中,隔膜的主要作用是隔离正负极,防止电池正负极之间直接接触,以阻止电池内部短路(自放电),同时又能允许电解液中的离子自由通过,保证电池的正常放电。在各类化学电源中,电池隔膜都发挥着重要的作用。
负极反应:Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e
正极反应:2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH-电池反应:Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH
锌锰干电池的负极材料为锌膏(主要组成为:活性锌粉、氧化锌、黏结剂CMC、糊化剂、PVA等),导电剂、黏结剂等正极材料为锰环(主要由MnO2、组成)。
锌锰干电池由于使用方便、价格便宜,所以至
碱性锌锰干电池对隔膜的要求主要是由电池
今仍然是一次电池中使用最广、产值和产量最大的电池。锌锰干电池的结构如图1[1]:
电解液的组成、正负极的材料决定的。隔膜质量的优劣会直接影响到电池的使用寿命,根据碱性锌锰干电池的组成及加工要求,对电池隔膜一般有以下要求:
2.1外观要均匀、平整,无机械杂质
隔膜的均匀性会直接影响到电池的放电寿命,
如果隔膜的抄造匀度不佳,会造成电池放电性能下降;不能更好地隔离正负极的活性物质;同时会造成隔膜抵抗锌枝穿透能力下降,从而导致锌枝穿透隔膜,造成电池内部短路,降低电池使用寿命。在抄厚度、透气度等指造过程中,可以通过对纸张定量、
图1
碱性锌锰干电池结构(锰环-锌膏式)
标的控制,来保证纸张的均匀性。
1-金属顶帽;2-塑料套筒;3-锌膏;4-钢壳;5-金属外套;6-隔膜;7-二氧化锰环;8-锌极集流柱;9-塑料底;10-金属底盖绝缘垫圈。
碱性锌锰干电池的工作原理:(-)Zn|
2.2有良好的耐化学腐蚀能力
由于碱性锌锰干电池的电解液为KOH溶液,
通常的植物纤维的耐碱性较差,在强碱性环境下会发生碱性水解和剥皮反应。在一定的时间内,
强碱
KOH(饱和ZnO)|MnO2(+)
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溶液会造成对电池隔膜的破坏,失去隔膜应具有的隔离作用,造成电池内部短路,降低电池的使用寿命。所以在电池隔膜的抄造过程中选用合适的纤维原料,充分考虑隔膜的抗碱性能十分重要。
造成电池反应过程中的形成,从而导致锌枝“锌枝”穿透隔膜造成电池内部短路,降低电池寿命[1]。
2.7金属杂质的含量要低
铁的含隔膜纸中金属粒子的含量,特别是铜、
2.3有良好的机械强度
目前,电池的装配已经实现自动化、连续化,电
因为铜、量要低,许多电器用纸也有这方面的要求。
铁等在KOH溶液中与锌能够形成腐蚀微电池,增加析氢反应,加速锌的腐蚀,即使含量很少也会大大加速锌极的腐蚀速度。因此,在电池隔膜的抄造过程中,要考虑对抄造用水的纯化,抄造用水采用脱盐水,抄造设备尽量减少使用铜铁等材料,以保证对电池隔膜的电气性能要求。
池隔膜纸一般采用盘纸的方式应用于电池装配生产线上(机内或机外使用)。因此,就需要电池隔膜有良好的机械加工性能,防止在加工过程中出现断纸等现象的发生。
2.4
力
有良好的电解液吸收能力和保持电解液的能
2.8
由于在电池的装配过程中,电解液是在线注入
规格要求
目前各个厂家对隔膜的要求没有统一的标准。
电池中的,这就要求电池隔膜对KOH电解液有良好的吸收性能,
保证隔膜对电解液的均匀快速吸
在隔膜定量、宽度、厚度方面的要求参差不齐。宽度有54.0、53.5、47.0、45.0、43.0、17.0等规格;定量范围在27~90gm-2,其中最常用的定量为40gm-2。由・・于市场对隔膜纸规格的要求不一,给实际生产带来很多不便之处,对设备的灵活性要求会较高,同时也会增加产品的成本。
另外,
从纸机的抄造工艺和企业效益方面考
收,以保证电池的装配速度和质量的稳定。
另外,在碱性溶液中,锌的阳极溶解反应为:
Zn+4OH-→ZnO22-+H2O+2e
生成的ZnO22-在碱中的溶解度为1~2molL-1,・达到饱和后会沉淀出Zn(OH)2,将会阻止电极反应继续进行,因此,锌电极的容量决定于碱溶液的体积。因此,电池隔膜保持电解液的能力,对电池寿命有重要的影响。因此,为保证电池隔膜的吸收性能和饱液能力,在电池隔膜的工艺中对抄造原料的选择和工艺的优化非常重要。
虑,隔膜纸还应容易制造,在满足要求的情况下,应充分考虑选用原材料的成本。
通过上述分析可以看出,可以通过对原料的选
2.5在电解液中需要有良好的尺寸稳定性
电池隔膜在电解液中的胀缩性要小,因为如果
择和工艺的优化来满足电池对隔膜的强度、匀度、抗腐蚀能力、金属离子含量以及隔膜尺寸稳定性和对电解液的吸收能力等方面的要求。
隔膜在电解液中的膨胀性过大,会造成电池正负极材料使用量下降,从而影响电池寿命;如果隔膜在电解液中的收缩性太大,会使电池隔膜的隔离性能下降,造成电池正负极直接接触,导致电池内部短路,影响电池的质量稳定性。
3.1原料的选取
在选择抄造电池隔膜的原料时,应选择耐碱性
好、吸收能力强、在碱性溶液中能够保证尺寸稳定性的纤维。从纤维的尺寸方面考虑,细的纤维抄造出的纸张的隔膜较为细腻,因而会提高电池隔膜的机械性能和化学性能。
一般来讲,植物纤维,不论是天然的植物纤维或人造纤维(如黏胶纤维),都有较强的吸附电解液的能力,但是由于植物纤维的耐碱性较差,在抄造
2.6具有良好的离子导电能力
隔膜的离子导电能力会影响到电池正、负极的
氧化还原反应是否能够顺利进行,从而影响到电池的电性能。从这个角度看,同样要求电池隔膜具有良好的均匀性,因为如果隔膜的匀度较差时,容易
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期
纸品天地
电池隔膜的过程中添加大量的植物纤维会造成隔膜机械和化学性能的下降[2],并会导致隔膜在碱液中尺寸稳定性下降,降。
从而会造成电池放电性能下
我国是世界第一大电池生产国和消费国,约占
世界总产销量的1/3,锌锰一次电池用隔膜的市场
PVA等合成纤维在强碱环境下具有良好的尺
寸稳定性[3],耐碱性能优良,在水中的分散性较好,目前国内市场供应量和纤维质量比较稳定等优点,是抄造电池隔膜的优良原料。而为了保证隔膜对电解液的吸收性和饱液性能、具有一定的机械性能,应在电池隔膜中加入吸碱性、饱液能力强的纤维原料。黏胶纤维作为化学纯度和吸液性能较好的纤维,可以作为抄造电池隔膜的原料,普通的植物纤维原料作为增强纤维,在抄造电池隔膜的过程中也是不可或缺的原料。
需求量估计已经接近1000t,近几年国内电池产量保持了良好的增长势头,电池隔膜纸也具有良好的市场前景。
目前,我国高档碱性电池隔膜纸市场90%以上被日本公司占有。高档电池隔膜的市场价位大概在每吨15~20万元。
国内也有一些研发和生产电池隔膜纸的厂家,如牡丹江恒丰纸业股份有限公司和中国制浆造纸研究院合作开发的电池隔膜纸经过相关电池厂家和行业权威部门的检测已具有了良好的性能。经国内大型电池生产厂家的应用试验表明,该产品能够应用到高档电池的生产过程中取代国外进口产品,并已有批量订货。国内的新华纸厂、浙江普瑞、浙江凯恩、浙江华邦、陕西等地的相关企业也在致力于电池隔膜纸的开发,取得了一定的成绩,相关产品已经应用于低档电池领域中。相信通过国内造纸行业以及电池同行的共同努力,一定能够开发出高质量的电池隔膜满足国内高品质电池生产的需要,为国家节约大量外汇
。
参考文献:
[1]郭炳焜,李新海,杨松青.化学电源———电池原理及制造技术[M].中南工业大学出版社,2001.
3.2正确使用分散剂
由于抄造隔膜纸的原料多为滤水性好、长度较
长的纤维,正确合理地使用纤维分散剂能够避免纤维之间的缠绕絮聚,防止纸页成形过程中因脱水过快导致的纸页均匀性差的问题。目前使用的分散剂多为聚丙烯酰胺和PEO类,可以根据生产实际情况进行选取。
3.3抄造设备的选取
由于抄造电池隔膜的纤维原料多选取合成纤
维,而合成纤维之间大多没有结合力,因此,在抄造过程中选用的原料多为长纤维,所以采用低浓上浆成形将有助于改善纸张匀度,因此,使用圆网或斜网纸机进行电池隔膜的抄造能够保证其匀度。另外,还要选取适宜的浆料分散和筛选设备,从对原料的预处理上保证隔膜抄造的均匀性。
[2]Mizutani,etal.SeparatorsforAlkalineDryBattery:US,4746586[P],1988-05-24.
[3]LaBonte,etal.BatterySeparator:US,4767687[P],1988-08-30.
SeparationPaperUsedinAlkalineZinc-MnBattery
LIJie-hui1,DUYe-zhuang2,LIUWen1,BAOMan-qiu2,LIJin-song2,
MENGPeng-tao1,LUFu-yin1
(1.ChinaNationalPulpandPaperResearchInstitute,Beijing,100020China;
2.MudanjiangHengfengPaperCoLtd,Mudanjiang,HeilongjiangProvince,157013China)
Abstract:Thispaperintroducesthestructureandworktheoryofalkalinezinc-Mnbattery.Then,therequirementofthebattery
ontheseparationpaper,theselectionoftherawmaterialandpapermakingtechnologyaredescribed.TheR&Doftheseparationpaperandthemarketsituationareanalyzedanddiscussed.
Keywords:zinc-Mnbattery;separationpaper;manufacturing;market
收稿日期:2007-07-26
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