碱锰电池用大功率无汞锌粉的雾化装置

张 健,张 杰

(宁波双鹿能源科技有限公司,浙江宁波 315040)

无汞锌粉是碱锰电池的关键材料,影响着电池的各项放电性能。目前,主要通过改善锌粉合金工艺、锌粒的形态[1]及比表面积,使无汞锌粉达到并超过汞齐化锌粉的性能。随着生产技术的不断改进,普通国产无汞锌粉的性能已达到汞齐化锌粉的水平,基本可实现替代进口,降低了碱锰电池的成本。国产普通无汞锌粉制备的碱锰电池的大功率性能,与进口高端无汞锌粉制备的碱锰电池仍存在差距,如1 500 mW、650 mW脉冲放电和1 000 mA脉冲放电的性能。

进口锌粉的比表面积比国产锌粉要大,不规则的形状更适合大功率放电。本文作者设计了一种雾化装置,试图降低雾化能耗、提高生产效率,增加雾化锌粉的比表面积,以提高制备的碱锰电池的大功率性能。

1 主要雾化方式

无汞锌粉的生产主要采用亚音速气体雾化技术[2],在熔液足够高的过热度和一定的气体射流条件下,锌粉颗粒呈球形或不规则骨形,粒径分布范围较宽(1～500 μ m),一般采用较低的气压(0.5～1.0 MPa)和较大的气体流量进行雾化。此雾化技术多使用限制性雾化器和自由降落式雾化器等两种基本的雾化器结构[3-4],如图1所示。

图1 亚音速气体雾化技术的雾化器结构Fig.1 Atomizer structures of subsonic gas atomization device

限制性雾化器(图1a)的主要特点为:气体出口接近金属液流出口,金属液体一流出即被雾化,可用最大的能量破碎较少的金属液流,能量损失少、产物颗粒较细。由于雾化点接近导流管端口,金属液流在发生雾化前可能会凝固,容易产生雾化波动,温度较高的金属液流雾化的稳定性不高。

自由降落式雾化器(图1b)的主要特点是:金属液流在自由降落过程中被气体雾化破碎,气体的雾化点与液流出口保持一段距离。此方式的生产稳定性高,所得锌粉呈不规则状,但粒径在150 μ m以下的不规则锌粉较少。

2 六孔喷料架雾化装置

在无汞锌粉制备中,增加锌粉颗粒的比表面积,提高松装密度,改进雾化装置,以降低锌粉颗粒粒径、提高锌粉形态的不规则性,可在碱锰电池中添加更多的活性物质,是提高碱锰电池大功率性能的一个途径。

2.1 雾化装置结构和工作原理

本文作者设计的自由降落式喷嘴雾化装置(如图2)具有结构简单,不易堵塞,可控制性强,雾化效率高的特点。

图2 六孔喷料架雾化装置示意图Fig.2 Scheme of six hole ejection atomization device

该装置主要由喷嘴(1)、锁紧螺母(2)和喷料架(3)等3大部件组成,采用六孔分布结构。根据颗粒粒径要求,将喷料架的喷射孔间距(F)调至100～110 mm,喷嘴的喷射角(E)调至145°～150°。喷射孔间距和喷射角越小,锌粉的粒径越小,但越易造成雾化区域的负压紊流扰动;反之,则气流越稳定。该装置的工作原理:金属锌液流通过导流孔(5)进入雾化区域,高压气体经进气孔(4)进入喷料架(3),通过喷料架型腔将气流分配到由锁紧螺母(2)固定的喷嘴(1),气流在喷嘴内腔流道加速,喷射后在金属锌液流的雾化点(O)破碎。

2.2 雾化装置的特点

该装置雾化能耗低,可用于碱锰电池大功率无汞锌粉的批量生产。在0.8 MPa的气压下,采用四孔均匀分布结构的常规喷料架雾化装置生产的锌粉中,粒径小于150 μ m的约为44.2%;而用该装置生产的锌粉,粒径小于150 μ m的可超过80%,而且具有可控性好、不易堵塞的优点。在气体雾化过程中,金属锌液流在通过导流孔时会产生一定的正压,而在金属液流被高压气体高速破碎的雾化点区域,会产生一定的负压区,因此两个区域的影响容易造成气流干扰,金属锌液流不稳定,细粉上扬,造成雾化装置堵塞。该装置通过对喷料架的喷射孔间距和喷嘴喷射角的调整,实现雾化区域气体和金属锌液流的稳定,使气流在冲击破碎过程中产生一个平行于金属锌液流方向的动能,金属锌液流依靠气流在液流表面产生的剪切力和挤压而变形,液流直径不断减小,发生液流纤维化,使金属锌粉形成不规则的颗粒形状。

2.3 实际生产情况

在实际生产中,该装置的能耗低,比采用四孔均匀分布结构的常规喷料架自由降落式雾化器装置,节约能耗20%。该装置性能稳定,一次成品率达85%,设备运行率达85%,可实现350 kg/h的大功率碱锰电池无汞锌粉生产能力。

3 生产的无汞锌粉的性能分析

3.1 实验步骤

根据GB/T1480-1995《金属粉末粒度组成的测定》[5],用WQS型振动筛(上海产)测定常规喷料架自由降落式雾化器和六孔喷料架这两种雾化装置在相同工况、0.8 MPa的气压下生产的锌粉的粒径。用JSM6360型扫描电子显微镜(日本产)观测生产的锌粉的形貌。用Malvern 2000型激光粒度分析仪(英国产)分析普通无汞锌粉和大功率无汞锌粉。

在LR6型电池生产线(宁波产)上用普通无汞锌粉和大功率无汞锌粉分别生产LR6电池,按GB/T8897.2-2008《原电池 第2部分:外形尺寸和电性能要求》[6],用DM3000型电池自动检测系统(苏州产)测试电池的放电性能。

3.2 实验结果

生产的锌粉的粒径分布见表1。

表1 生产的锌粉的粒径分布Table 1 Particle size distribution of produced zinc powder

从表1可知,与采用常规喷料架自由降落式雾化器雾化装置生产的锌粉相比,该装置生产的大功率无汞锌粉颗粒分布较细,粒径小于150 μ m 的锌粉超过80%。

图3为生产的大功率无汞锌粉的SEM图。

图3 生产的大功率无汞锌粉的SEM图Fig.3 SEM photograph of produced high power mercury-free zinc powder

从图3可知,生产的大功率无汞锌粉呈不规则形,表面呈纤维化。

生产的锌粉粒径测试分析结果见表2。

表2 生产的锌粉粒径测试分析结果Table 2 Particle size analysis results of produced zinc powder

从表2可知,该装置生产的大功率无汞锌粉比表面积达0.013 m2/g,比普通无汞锌粉提高一倍。

用两种锌粉生产的LR6电池的脉冲放电性能见图4。

图4 用两种锌粉生产的LR6电池的脉冲放电性能Fig.4 Pulse discharge performance of LR6 battery produced with two kinds of zinc powder

从图4可知,用大功率无汞锌粉生产的LR6电池,大功率性能比普通锌粉生产的LR6电池有所提高,其中1 500 mW、650 mW脉冲放电次数达130次,性能提高超过35%。

4 结论

设计的自由降落式喷嘴雾化装置具有性能稳定、能耗低、生产效率高的特点,适合于大功率无汞锌粉的规模生产。

随着用户对碱锰电池大功率性能的要求越来越高,作为碱锰电池的关键材料,增加无汞锌粉颗粒的比表面积,对锌粉粒径分布进行逐级精细化区分,提高锌粉化生产效率,将成为无汞锌粉生产技术的发展方向。

[1]CHU De-wei(褚德威),KONG Fan-tao(孔凡涛),YUAN Guohui(袁国辉),et al.锌粉形貌对碱性锌锰电池性能的影响[J].Battery Bimonthly(电池),2000,30(4):159-160.

[2]ZHANG Ji-shan(张济山),XIONG Bo-qing(熊柏青),CUI Hua(崔华).喷射成型快速凝固技术——原理与应用[M].Beijing(北京):Science Press(科学出版社),2008.6-48.

[3]CHEN Wen-mi(陈文汨),WAN Xin-hua(万新华).喷嘴结构和工艺参数对雾化锌粉粒度的影响[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals(中国有色金属学报),2001,11(5):852-857.

[4]QI Hua-rong(起华荣),YANG Gang(杨钢),SHI Qing-nan(史庆南),et al.锌/空气电池无汞锌粉制备技术现状[J].Yunnan Metallurgy(云南冶金),2006,35(5):38-42.

[5]GB/T 1480-1995,金属粉末粒度组成的测定[S].

[6]GB/T 8897.2-2008,原电池 第2部分:外形尺寸和电性能要求[S].