无铅无镉锌-二氧化锰电池的制造研究①
2017-03-28叶敏华徐国鹏
叶敏华，徐国鹏
(松柏(广东)电池工业有限公司，广东佛山528313 )
在人们以往的认知中，锌-锰(Zn-MnO2)电池是一种高污染的产品，特别是含汞的锌-锰电池。随着人们对环保意识的增强，国家对电池也出台了一系列的环保法规，自2015年12月31起禁止生产含汞锌-锰电池[1]。锌-锰电池中，除汞(Hg)外，还有一些物质如铅(Pb)、镉(Cd)等重金属，同样对环境有害，国际环保组织严格限制各种产品中重金属的使用。为此，锌-锰电池的无铅无镉化也很有必要[2]。
1 锌-锰电池无铅无镉化的实现
1.1 负极锌材的无铅无镉
传统的锌-锰电池，Pb和Cd元素主要存在于电池的负极，负极为锌筒。电池的负极锌筒，是通过先熔铸锌板，然后压制成锌饼，再用冲床将锌饼冲制而成的。制作锌筒的锌饼在其铸造过程中，为改善锌的延展性及增加强度，需在铸造时加入0.3%～0.5%(质量百分比；下文同)的铅(Pb)及0.0005%～0.004%的镉(Cd)，以及0.0005%%～0.0030%的镁(Mg)。
因此，要实现锌-锰电池的无铅无镉化，首先要从电池的负极入手。松柏公司早在2004年便开始进行无铅、无镉锌-锰电池的研制，并申请了无铅、无镉锌-锰电池的发明专利[2]，2009年开始规模化生产。公司生产锌筒时所使用的锌锭，其中的Zn含量在99.995%以上，Cd含量≤0.0005%，Pb含量≤0.004%，同时加入0.0005%～0.0030%的Mg，及0.001%～0.005%的铟(In)或0.0005%～0.005%的锡(Sn)，控制熔铸温度在400℃～500℃，在此条件下铸成锌板；将锌板进行辘压，用冲床冲制成锌饼，冲制的锌饼经表面去毛刺及加润滑剂处理后，采用高速精密冲壳机冲制成锌筒。在冲制锌筒的过程中，由于无铅的锌饼与之前的有铅锌饼其表面的粗糙度和金属的流动方面有所不同，故模具方面也要做相应的调整。
1.2 其他材料
在装配电池方面，用于电池的其他原材料中的Pb、Cd含量必须低于0.002%，否则有可能影响电池中的Pb和Cd的含量。为保证电池的防漏和贮存性能，建议在浆层纸加入铟(In)或铋(Bi)作为缓蚀剂。
2 无铅无镉锌-锰电池性能测试
2.1 样品电池的制作
通过不同比例的元素含量搭配，共进行了6组锌饼样品及相应的R6电池样品的试制，采用原子吸收光谱仪(AAS)对样品中各元素含量进行精确测试，结果如表1所示。
表1 锌饼及相应电池样品中元素含量
注：2006/66/EC关于无铅和无镉的定义Pb≤0.004%,镉≤0.002%[3]。
用上述6种不同元素配比的锌饼制成锌筒，表面的平整度与纹理与有铅的锌-锰电池锌筒(加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)相当，说明用上述6种不同元素配比的锌饼制造的锌筒表观上可以达到有铅锌饼制造的锌筒基本相同的效果。
2.2 电池放电性能和防漏性能测试
采用上述1至6号锌材样品所制成的R6电池(样品号对应)，对其进行放电性能与漏液性能测试(测试项目是笔者公司自定；测试环境温度20℃)，同时与有铅(负极体有加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)的R6电池比较，测试结果见表2。表中的测试项目没有完全按照标准进行，放电性能只抽取GB/T8897.2-2013其中两项进行测试，抗漏液测试则是按笔者公司自行制定的测试方法进行测试。
表2 样品电池放电性能和漏液性能测试结果
2.3 电池贮存性能测试
采用上述1至6号锌材样品所制成的R6电池(样品号对应)，对其进行新电性能及贮存(45℃环境下存放90 d)后的性能测试(测试项目是笔者公司自定；测试环境温度20℃)，并与有铅(负极有加入0.3%～0.5%Pb，0.0005%～0.004%Cd)的电池进行比较，测试结果见表3。
表3 样品电池新电放电性能和贮存性能测试结果
从上述试验的实施过程及结果中可看出，以样品2、3、4和5效果较佳。
3 总结
从上述结果可看出，本次实施试验的锌-锰电池的铅镉含量均在2006/66/EC标准规定的无铅无镉最大允许水平内，铅含量在0.004%以下，镉含量在0.0005%以下，符合环保要求，是真正意义上的无铅无镉锌-锰电池；电池的放电性能和抗漏液性能以及存放性能与有铅有镉电池相当，可以完全替代有铅有镉电池，且利于环境保护和人类健康。
[1] 环境保护部，国家发展和改革委员会，工业和信息化部，财政部.环发[2013]119号,关于加强主要添加汞产品及相关添汞原料生产行业汞污染防治工作的通知[Z].2013.
[2] 叶锦华.干电池负极体及其制造方法和使用该负极体的锌锰干电池[P]: ZL200410092003.9, 2009-1-14.
[3] 2006/66/EC 欧盟关于干电池、蓄电池和废旧电池的指令[Z].2006.
