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(guān)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(tài)[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(chǎn)技術(shù)的不斷改進,普通國產(chǎn)無汞鋅粉的性能已達到汞齊化鋅粉的水平,基本可實現(xiàn)替代進口,降低了堿錳電池的成本。國產(chǎn)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(chǎn)鋅粉要大,不規(guī)則的形狀更適合大功率放電。本文作者設(shè)計了一種霧化裝置,試圖降低霧化能耗、提高生產(chǎn)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(chǎn)主要采用亞音速氣體霧化技術(shù)[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(guī)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(shù)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(jié)構(gòu)[3-4],如圖1所示。

圖1 亞音速氣體霧化技術(shù)的霧化器結(jié)構(gòu)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(chǎn)物顆粒較細。由于霧化點接近導流管端口,金屬液流在發(fā)生霧化前可能會凝固,容易產(chǎn)生霧化波動,溫度較高的金屬液流霧化的穩(wěn)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(chǎn)穩(wěn)定性高,所得鋅粉呈不規(guī)則狀,但粒徑在150 μ m以下的不規(guī)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(tài)的不規(guī)則性,可在堿錳電池中添加更多的活性物質(zhì),是提高堿錳電池大功率性能的一個途徑。

2.1 霧化裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

本文作者設(shè)計的自由降落式噴嘴霧化裝置(如圖2)具有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。根據(jù)顆粒粒徑要求,將噴料架的噴射孔間距(F)調(diào)至100～110 mm,噴嘴的噴射角(E)調(diào)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(qū)域的負壓紊流擾動;反之,則氣流越穩(wěn)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(qū)域,高壓氣體經(jīng)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(nèi)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(chǎn)。在0.8 MPa的氣壓下,采用四孔均勻分布結(jié)構(gòu)的常規(guī)噴料架霧化裝置生產(chǎn)的鋅粉中,粒徑小于150 μ m的約為44.2%;而用該裝置生產(chǎn)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(yōu)點。在氣體霧化過程中,金屬鋅液流在通過導流孔時會產(chǎn)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(qū)域,會產(chǎn)生一定的負壓區(qū),因此兩個區(qū)域的影響容易造成氣流干擾,金屬鋅液流不穩(wěn)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(diào)整,實現(xiàn)霧化區(qū)域氣體和金屬鋅液流的穩(wěn)定,使氣流在沖擊破碎過程中產(chǎn)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(chǎn)生的剪切力和擠壓而變形,液流直徑不斷減小,發(fā)生液流纖維化,使金屬鋅粉形成不規(guī)則的顆粒形狀。

2.3 實際生產(chǎn)情況

在實際生產(chǎn)中,該裝置的能耗低,比采用四孔均勻分布結(jié)構(gòu)的常規(guī)噴料架自由降落式霧化器裝置,節(jié)約能耗20%。該裝置性能穩(wěn)定,一次成品率達85%,設(shè)備運行率達85%,可實現(xiàn)350 kg/h的大功率堿錳電池無汞鋅粉生產(chǎn)能力。

3 生產(chǎn)的無汞鋅粉的性能分析

3.1 實驗步驟

根據(jù)GB/T1480-1995《金屬粉末粒度組成的測定》[5],用WQS型振動篩(上海產(chǎn))測定常規(guī)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(chǎn)的鋅粉的粒徑。用JSM6360型掃描電子顯微鏡(日本產(chǎn))觀測生產(chǎn)的鋅粉的形貌。用Malvern 2000型激光粒度分析儀(英國產(chǎn))分析普通無汞鋅粉和大功率無汞鋅粉。

在LR6型電池生產(chǎn)線(寧波產(chǎn))上用普通無汞鋅粉和大功率無汞鋅粉分別生產(chǎn)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(tǒng)(蘇州產(chǎn))測試電池的放電性能。

3.2 實驗結(jié)果

生產(chǎn)的鋅粉的粒徑分布見表1。

表1 生產(chǎn)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(guī)噴料架自由降落式霧化器霧化裝置生產(chǎn)的鋅粉相比,該裝置生產(chǎn)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(chǎn)的大功率無汞鋅粉的SEM圖。

圖3 生產(chǎn)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(chǎn)的大功率無汞鋅粉呈不規(guī)則形,表面呈纖維化。

生產(chǎn)的鋅粉粒徑測試分析結(jié)果見表2。

表2 生產(chǎn)的鋅粉粒徑測試分析結(jié)果Table 2 Particle size analysis results of produced zinc powder

從表2可知,該裝置生產(chǎn)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(chǎn)的LR6電池的脈沖放電性能見圖4。

圖4 用兩種鋅粉生產(chǎn)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(chǎn)的LR6電池,大功率性能比普通鋅粉生產(chǎn)的LR6電池有所提高,其中1 500 mW、650 mW脈沖放電次數(shù)達130次,性能提高超過35%。

4 結(jié)論

設(shè)計的自由降落式噴嘴霧化裝置具有性能穩(wěn)定、能耗低、生產(chǎn)效率高的特點,適合于大功率無汞鋅粉的規(guī)模生產(chǎn)。

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(guān)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(qū)分,提高鋅粉化生產(chǎn)效率,將成為無汞鋅粉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)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(shù)——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(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)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(shù)現(xiàn)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].