电池制造废物

约瑟夫·f·Hawumba Yung-Tse挂,劳伦斯·k·王

内容

32.1介绍1303

32.1.1历史、文化和电池技术1303年发展

32.2 1307年制造过程的概述

1307年32.2.1制造过程

1309年32.3电池化学系统

1309年32.3.1电池分类

32.4描述的电池在电池行业子类1310

1310年电池32.4.1子类/细分

1311年32.4.2子类:镉

32.4.3子类C: 1312

32.4.4子类D: Leclanche 1313

1315年32.4.5子类G:锌电池

1316年32.4.6子类E:锂电池

32.4.7子类F:镁1317

1318年32.4.8其他电池类型

32.5废水特征1319

1320年32.6健康和环境影响的电池制造

32.6.1毒理学1321

1321年32.6.2镉毒理学

1322年32.6.3汞毒理学

1322年32.6.4其他重金属

32.7治疗电池制造浪费1323

32.7.1 Biosorbent治疗的使用1323电池废水

1324年电池制造32.7.2清洁生产方案

1329年32.8结论和未来前景

引用1329年

的存在和使用电池被认为是起源于史前时代,即,通过考古发现,发现史前人创建了一个电化电池资格,在今天的定义,作为一个电池。好奇心发现于1932年在巴格达可能是电池技术代表约会早在2500年。1这样的原始

32.1我NTRODUCTION

32.1.1历史、文化和电池技术开发电池由一个铁棒,适合铜缸。可能一些液体作为电解液,逃脱了保存。尽管它的简单性,这种细胞提供了电流允许原始珠宝商电镀贵金属和铜光芒像黄金或银。1尽管这样的考古证据为我们提供了一些了解遥远的过去,现代电池的发展历史开始于1780年代发现的“动物电”路易吉伽尔伐尼(1737 - 1798),他于1791年出版。这个意大利解剖学家和医生观察到青蛙的腿的肌肉将合同与静态电火花冲击时从莱顿瓶。在bioelectro-genesis进一步的实验中,下意识的反应被称为,伽尔伐尼注意到青蛙的腿也反应两种不同的金属被应用到肌肉。1这种行为也观察到当一只死青蛙的腿被用于实验。从这一系列的实验,Galvani推断,肌肉是发电。因此毫不奇怪,他的名字已经成为密切与电力相关的过程在某种程度上,通过化学反应称为galvanism.1发电

更重要的是当前电池的历史是另一个意大利物理学家,伽尔伐尼的一个记者,Alessandro Volta (1745 - 1827)。沃尔塔意识到青蛙的潮湿的组织可能会取代纸板浸泡在盐水中,和青蛙的肌肉反应可以取而代之的是另一种形式的电气检测。沃尔特开始相信接触不同金属之间创造了电力导致青蛙的肌肉收缩,从而反对Galvani扣除。1已经研究了电容的静电现象,需要测量的电荷和电势,Volta能够检测电流流经他的系统,现在被称为原电池。在其结构简单,伏打电池由两碗装满盐溶液。碗与弧金属相连,一端弧的铜和锌。除此之外,每个碗都有两端的两种不同金属拱门。设备,第一个现代电池化学反应产生电力的solutions.1的金属

1799年,沃尔特发明了电池通过将许多伏打电池串联,字面上堆积在另一片之上。这个伏打电堆了极大地增强了电动势(emf)的组合,与约50 V的电压32-cell堆。到1800年,沃尔特已经简化的安排bowl-battery进一堆小磁盘,交替锌和铜与一个磁盘的皮革饱和盐溶液之间金属圆盘,产生大量电流(图32.1)。为了纪念沃尔特的突破性成就,电势的单位,volt,以他的名字命名。1不幸的是,这些早期的电池只有有用的在有限的实验应用,但不切实际的大电流损耗。这样的局限性促使伏打电池技术的进一步改进。例如,1836年,英国化学家约翰·弗雷德里克·丹尼尔改善Volta细胞通过移动的铜和锌浴硫酸创建重力或丹尼尔的细胞。然而,丹尼尔的细胞并没有持续太久,因为它受到阴极氢积累。三年后,威廉罗伯特格罗夫添加了一个氧化剂防止氢积累在阴极降低操作电压产生的细胞。林的建设包含两部分的细胞包括多孔锅含有硫酸的合并锌阳极。 The porous pot was, in turn, placed in a second vessel containing nitric acid and a platinum cathode. In 1841, a German chemist, Robert Wilhelm Bunsen, improved Daniell's cell by substituting cheap carbon for the expensive platinum cathode.1

然而,第一个持久的发明来自加斯顿普兰特;然后在法国工作,他研发了第一铅酸蓄电池1859年(图32.2)用于电报设备。1、2值得注意的是,普兰特的设备不仅是第一个成功的存储单元,但也可充电。进一步改进他的电池,到目前为止,没有对其电化学,而是在包装。这种电池在使用今天在汽车和gelled-electrolyte电池用于不间断供电系统。1因为普兰特的设备是一个伟大的成功,然而,许多其他科学家仍在继续寻找更好的设计,以及电化学一千一百一十一万一千一百一十一

图32.1伏特的1800插图的伏打电池从其早期发展是一系列的bucket (a)的一系列细胞桩(罪犯)。

系统。这些努力产生了更多的红利,进一步对电池发展的贡献是由另一个法国工程师,乔治Leclanche, 1866年当他开发了湿电池。在他的设计中,Leclanche使用二氧化锰混合的阴极碳和锌的阳极棒的形式(图32.2 b)。

电解液是一个沐浴电极的氯化铵溶液。就像普兰特领导的电化学-酸电池,Leclanche电化学幸存到现在的形式锌-碳化干细胞和胶态电解质的使用。1、2在原来湿形式,Leclanche电化学无论是手提还是可行的,几个需要修改,使其可行。这是通过一个创新由j . a . Thiebaut 1881年,通过封装锌阴极和电解质在密封杯避免液态电解质的渗漏。然而,现代塑料Leclanche的化学不仅有用,而且在一些应用程序是非常重要的。例如,宝丽来的极性脉冲一次性电池用于即时电影包使用Leclanche化学,虽然在一个塑料代替汤bowls.1三明治

电池技术的进步不可能等待塑料的发展。科学家们继续寻找方法解决问题的完全的液体。这实现了电池化学生产干电池进一步修改。这个突破

电池电源今天的方便。信贷的卡尔Gassner美因茨,德国,专利技术在1887.1在构建他的干电池,Gassner混合氯化铵与熟石膏创建一个粘贴,添加了一点氯化锌延长保质期。二氧化锰阴极是蘸酱,和都密封在锌壳,也作为阳极。与之前的湿细胞,Gassner干电池更加稳固,不需要维护,不泄漏,可以用在任何方向。它提供了一个潜在的1.5 V,首次大规模生产是根据品牌哥伦比亚干电池。这种类型的细胞被国家碳公司首次上市(NCC)在1896年。

在1899年,镍镉电池,第一个碱性电池,是由一位名叫Waldmar的瑞典科学家发明Jungner。这个电池的特点是其潜在的充电。在建筑、镍和镉电极在氢氧化钾溶液,它是第一个电池使用碱性电解质。这个电池是商业化在瑞典1910年,并在1946年到达美国。第一个模型健壮和能量密度有显著优于铅-酸电池,但尽管如此,他们的广泛使用是有限的,因为高成本。

虽然技术精制了超过一个世纪的发展,概念和化学同Gassner第一个干电池。今天大部分的异国情调可充电电池系统,如镍镉、镍氢和锂离子电池的种类是二十世纪的发展。因此值得注意的新化学物质不再被通过实验发现电池设计和操作的原则是众所周知的,但相反,新电池设计专注于制造最佳的化学物质在实际工作细胞。1电池技术的发展已经revolutionalized持久的和几个模型电池寿命已经开发出来。这些范围从1980年代末的氢化镍电池的锂和锂离子电池1970年代和1990年代。

32.2生产过程的概述

电池由正极、负极、电解溶液。电池类型不同于彼此的化学过程化学能转化为电能。从本质上讲,所有电池的制造过程包括积极和消极的制作电极,电解液材料、分隔符和材料将被用来作为房地产的一个完整的电池。此外,化学能转化为电能的过程中所有电池类型包括充电和放电反应。在这两个反应两个电极的电解液中发挥着积极的作用。例如,铅酸电池放电时,二氧化铅(二氧化铅)的正极和海绵铅(Pb)的负电极都转化为硫酸铅(PbSO4)。电荷,正极的硫酸铅转化为二氧化铅(PbO ^)和负电极的硫酸铅转化为海绵铅。硫酸电解液,在两个电极反应的活性成分。电池生产的基本过程可以手动执行或通过使用高度自动化的机器。过程的类型取决于公司的大小,和它的生产能力。 Further, various methods are used all over the world in the manufacture of different parts of a battery, which are firmly linked to the type and electrochemistry of the battery being manufactured. While a few of the major电池制造商做出自己的合金、氧化物、分隔符和容器/封面,他们中的大多数购买而不是制造这些materials.3

32.2.1制造过程

的电池类型,阳极可能是纯金属,合金,或金属盐,而阴极金属氧化物或金属的氧化物和其他元素的混合物。因此,生产电极包括各种原材料必须处理所需的标准。尽管电池的细节各不相同,他们几乎是制造类似的流程步骤。在这一章,使用描述的制造步骤在此,作为一个例子,铅酸电池储备的生产过程。制造过程简要描述Dahodwalla和Herat3可以分为以下部分:

氧化32.2.1.1铣

这是软铅的过程(99.97%的纯)转化为氧化铅。为了达到这个目标,软铅熔化的固体酒吧400 - 425°C和熔化的铅氧化形成氧化铅。氧化铅的形成,以及一些比例(约26%)的自由,然后传递到旋风分离器和袋式过滤器。这一步很重要,因为它允许颗粒与气流分离的氧化铅在这些设备。然后转移分离铅使用螺旋输送机进入储罐,称为筒仓。然而,袋式过滤器的空气排放含铅粒子,污染的来源。

32.2.1.2网格铸造

网格铸造包括酒吧的铅合金铅熔炉融化。这是紧随其后的是向电网注入熔化的铅模具,随后通过冷却水冷却。合金模具冷却后,打开排放网格,随后将删除多余的铅。然后产生的岩屑回收铅锅。所有这些操作发生在一台机器上,这是完全自动的。在这个过程中,不同类型的铅合金用于铸造的网格。它们可能有不同的厚度取决于合金的厚度。此外,网格进行分类的基础上使用的合金类型和网格浇筑的厚度。还应该指出,熔化的铅浮渣形成原因以及代一些固体废物。然而,拒绝了网格在铅冶炼熔炉和回收。

32.2.1.3粘贴制造业

两种类型的贴生产,一个积极的盘子和其他消极的盘子。铅酸电池、铅膏制造所需的材料,硫酸、水,和其他添加剂。这些添加剂对积极和消极贴是不同的。的成分,粘贴混合器,混合在一起,固定比率(各种成分的比例取决于类型的网格用于板制造)形式粘贴,然后粘贴在网格上。铅膏制造中使用的主要成分占大约85%的粘贴。粘贴形成期间,由于蒸发损失发生和产生的蒸汽流程被洗涤器,然后通过堆栈出院。

32.2.1.4网格粘贴

板块形成的结果应用粘贴到网格使用机器。贴合机分为四个部分,即,喂养、粘贴、干燥、和收集。的网格上传送带上进给机构和应用粘贴。粘贴网格之间传递辊甚至蔓延的粘贴。随后,粘贴在一瞬间干燥机和干盘子收集和堆放在极端的贴合机。板块进入不同的部分,即粘贴、干燥、和集合,带式输送机系统的帮助。最后,板块分类根据厚度的粘贴在一个特定类型的网格。拒绝盘子和多余的膏应用到本节中的网格生成。同时,洗涤设备产生的废水流,“粘贴”,这实质上含铅污染的。

32.2.1.5板固化

固化是一个过程,揭露板贴正面和负面的政权(a)控制时间(最低32 h), (b)温度(- 35°C),和(C)相对湿度(> 90%)。这个过程将自由铅转化为氧化铅,使用氧气从周围的空气中。盘子可以治愈至少32 h。也注意确保板的最高温度不超过60°C。然后治愈板块分开。

32.2.1.6板分离

此操作也使用机器执行。治愈板块被送入脱模机通过机械手段。机器的板块分开,然后收集手动操作完成时。此后板块分开堆放用于电池组装。本节中产生更多的拒绝也以及一些含铅的灰尘。这一领域的通风系统确保生成的铅尘从工作区中删除并通过袋式除尘器过滤排放到大气中。

32.2.1.7电池组装

这一领域的第一次手术是包络积极的盘子。这个信封,这可能是一个聚乙烯板,充当一个分离器,电隔离正负电极。机械真空系统是用来喂养积极和消极板自动叠加。积极和消极板叠在一起,所需的序列和包裹。然而,在板块包裹之前,其他几个过程,如脚刷牙,融化的凸耳,熔补带,注液电池焊接,并修复覆盖。容器中的板组装后,安装在传送带上,包括剪切试验的完成操作,热封,终端燃烧,和泄漏测试。产品在这个阶段被称为干燥无电荷的电池。积极的和消极的板块的数量和类型在每个电池的类型取决于电池制造。然而,对于一个特定类型的电池有一个指定的能力,积极和消极板块的数量和类型通常是固定的。在本节的活动产生拒绝的盘子,渣滓,铅尘。 The vacuum system generates lead dust due to feeding of plates, which is discharged to the atmosphere through a baghouse filter.

32.2.1.8充电

干卸货现在需要充电电池的电解质,在铅酸电池的情况下是硫酸。因此,电池充满硫酸(1245 - 1255年的比重25°C),放置在桌子上,然后用水冷却。灌装操作,清空硫酸的电池使用机器自动执行。酸是由重力流到细胞水平大大高于板。电池的正极和负极端子连接到电气连接和固定的电流通过电池充电期间持续时间。不同的电池有不同的充电电流和充电系统不同,因此,使用。充电时完全没有表示比重在3 - h内的变化。此后,硫酸是清空的电池,硫酸的新解决方案,和电池是洗,标记,测试和包装。应该注意,硫酸的数量填写电池随电池生产的类型。以防wet-charged电池,这将是准备在这个阶段分布和使用。 Wastewater streams are generated in this section as a result of charging and washing the batteries. This wastewater is acidic and contains sulfuric acid.

32.3电池化学系统

最重要的因素在设计产品在电池(和电池本身)是动力电池的数量给定尺寸和重量可以产生的。毕竟,一个设备的能源不应妨碍使用的设备做好准备。细胞的化学反应是最重要的因素制约能量密度和电池的有效性。事实上,整个电池技术的历史一直是主要的问题发现和提炼化学电池包装更多的能量更小的包。今天的电池使用多种化学系统,有些可以追溯到19世纪末如前所述,和一些几乎十年。多样性的结果各有不同的好处为特定的应用程序。以下化学电池是最受欢迎的便携电脑,手机,电力系统和外围应用程序。

32.3.1电池分类

电池一般分为两个主要的类,即:(一)主电池或电池,不可逆转地(在一定范围内的实用性)将化学能转换成电能。这是因为反应物的初始供应枯竭的能量不能被容易恢复电池通过电子手段。换句话说,主电池是单向电池创造新的化学反应发电永久改变了细胞。因此,阳极、阴极和电解质是永久和不可逆转的变化,电池处理。出于这个原因,主要电池通常也称为一次性或nonrechargeable电池。1 4 (b)二次电池或细胞,这可能是充电化学反应逆转时,通过将电能应用到细胞,从而恢复原来的成分。从本质上讲,而不是操作作为生产者的权力,二次电池只是存储它。对于这个问题,他们通常被称为蓄电池或简单可充电电池。尽管这个看似无穷无尽的储存能量的能力,二次电池是不会无限期地充电。这rechargeability损失是由于耗散的活性材料,电解液的损失,和内部corrosion.1

32.4描述的电池在电池行业子类

32.4.1子类/细分的电池

基于使用的阳极材料,八(8)细分(a)由美国EPA.5可能注意到(表32.1),锌阳极分为两组(子类D和G)基于电解质类型。这种差异也反映在制造、实质性差异以及产生的浪费两组。虽然子类的核电池表示,几乎没有任何数据,描述它的建设存在,不管浪费的特点。类似的缺乏信息存在于热电池电池(如钙),其生产和使用是有限的几个操作,特别是在

表32.1

电池分类,类型和建筑材料

子类别

镉

B-Calcium

E-Lithium

阳极材料

镉阳极

钙阳极铅阳极

锌阳极

锂阳极

F-Magnesium镁阳极

H-Nuclear其他类型

锌阳极、碱性电解液

放射性同位素变量

阴极材料

镍、汞和银

氧化铅

碳、氯化银和空气

碘、二氧化硫、亚硫酰氯,二硫化和铁

碳、五氧化二钒和氯化镁

二氧化锰,氢氧化镍,mono和二价氧化银,大气中的氧气

变量

电池类型

二次

二次

主要和次要

二次

主要和次要

主要和次要

例子

镍镉、mercury-cadmium和银镉热电池用于军事和原子应用铅酸电池用于起动、照明、和点火(SLI)

锌空气电池、碳锌电池,和银chloride-zinc电池二硫化锂离子电池、锂离子电池、锂聚合物电池款镁热电池

镍锌电池和碱锰电池

镍氢电池,硫化钠电池、氧化还原电池和不寻常的

资料来源:罗斯奇,W。电池:历史、现在和未来的电池技术,EXTREMETECH。可以在http://www.extremetech.com/2001年6月;美国环境保护署、电池制造、美国环境保护署,华盛顿特区,1981年。净收益=没有。

军事和太空探索项目。因此,这两个子类是本章的范围。然而,在随后的段落,简短的描述还提供了其他子类。

32.4.2子类:镉

子类别包括所有电池的制造中,镉是被动的阳极材料。目前镉阳极电池制造基于镍镉,银镉,mercury-cadmium夫妇(表32.1)。制造镉阳极电池使用各种原料,包括镉或镉盐(主要是硝酸盐和氧化物)生产电池阴极;镍粉和镍或镀镍钢板网,使电极结构的支持;尼龙、聚丙烯,用于制造细胞分隔符;和钠或氢氧化钾,使用过程的化学物质和作为细胞电解质。钴盐可能会被添加到一些电极。电池的子类别主要是充电并找到计算器应用程序,手机,笔记本电脑,和其他便携式电子设备,除了各种各样的工业应用。14是一个典型的例子镍镉电池下面描述。

32.4.2.1镍镉

最受欢迎的消费者电子设备充电/蓄电池是镍镉电池,通常称为镍镉。顾名思义,这些电池使用镉镍制成的阴极和阳极。他们最可爱的特点是能够承受大量的完整的充电/放电循环,通常在500 - 1000年周期,过去没有恶化的实用性。镍镉也相对轻量级的,有一个很好的储能密度(尽管碱性电池的一半左右),和容忍充电(经过了正确的设计)。缺点是,镉是有毒的,因此要求警告标签,恳求用户与他们小心谨慎,妥善处理。1在大多数电池输出电压下降当电池放电的时候。这是由于细胞内的反应增加其内部阻力。然而,这是与镍镉不是这样的。镍镉电池有一个非常低的内部阻力,这意味着他们可以创建高电流,改变细胞放电。因此,镍镉电池生产几乎恒定电压,直到它变得几乎完全放电,此时它的输出电压急剧下降。这个常数电压是电路设计者一个优势,因为更少的津贴需要为电压变化。 However, the constant voltage also makes determining the state of a NiCad's charge nearly impossible. As a result, most battery-powered computers estimate the remaining电池供电从操作和已知的电池容量而不是实际检查电池状态。镍镉以另一个缺点:内存。当一些镍镉部分放电,充电之后,他们可能会失去能力。化学方面,镍镉充电完全放电之前往往导致镉晶体的形成的阳极单元。水晶像化学记忆系统,标志着第二次放电状态的细胞。当细胞被排放到这二次放电状态,其输出突然下降,尽管进一步的细胞内的可用能力。在随后的周期,细胞记得第二排放水平,这也进一步加剧了情况,加强第二放电状态的记忆。完整的细胞的能力只会被推动细胞恢复过去的第二个放电状态。这应该抹去记忆和恢复完整的电池容量。这种情况很快就会改变新的镍镉是免费的从记忆效果。

镍镉电池的制造商和用户遇到的另一个问题是,由电解水。这应该阻止;否则细胞可能爆炸。与铅酸电池、镍镉也容易electrolysis-mediated分解水的电解液为可能具有爆炸性的氢气和氧气。电池制造商采取好措施来减少这种影响。商用镍镉是密封,以防止泄漏。他们也设计,使他们产生氧氢之前,关闭内部反应电解反应。为了防止密封电池爆炸气体应该以某种方式建立,他们的设计通常包括可密封的通风口。事实上,那里是一个很好的风险的爆炸如果镍镉电池是包裹在这样一种方式,它不能发泄。镉阳极电池中产生广泛的尺寸和配置对应于不同的应用程序(表32.2)。 They range from a cylindrical cell with capacities of <1 A-h to large rectangular batteries for industrial applications with capacities in excess of 100 A-h.1

32.4.3子类C:领先

铅子类别包括铅酸储备细胞和更熟悉的铅酸蓄电池。这个子类的电池是最大的的植物和卷的生产,以及生成的废水总量。所有铅阳极电池的原材料类型包括铅、铅、铅合金、硫酸、材料做分隔符,以及电池的情况下,封面,和过滤帽。碳,硫酸钡,一些纤维材料可能被用作额外材料制造的电极。5虽然铅阳极电池制造使用类似的材料和使用相同的基本化学,他们在配置取决于最终用途方面有显著的差异。例如,铅酸电池产品包括与固定化细胞电解质用于便携式工具,灯笼;常规的矩形电池用于汽车SLI应用程序;SLI使用内置电池,各种各样的电池为工业应用而设计的。像镍镉、铅阳极也可充电电池。除此之外,这些类型的电池可能被描述为湿指控如SLI或干燥等带电damp-charged电池(湿电池)和脱水板电池(电池脱水)。 Damp and dehydrated batteries may sometimes be described as gelled lead-acid cells.1 Dehydrated batteries are manufactured by charging the electrodes in open tanks (open formation), which is subsequently followed by rinsing and dehydration processes. Thereafter the batteries are assembled and shipped to various destinations. The wet-charged batteries, on the other hand, may be manufactured by either closed formation processes or open formation processes. Of the three categories, the dehydrated plate batteries afford significantly longer shelf life than wet and damp batteries. Most uninterruptible power systems rely on gelled lead-acid cells for their power reserves. In this application, they require little maintenance. A typical example, described below, is the wet-charged lead-acid battery.

表32.2

标准的设计,形状和大小

设计类型形状高度

高度(毫米)

直径(毫米)

AAAA AAA

圆柱

圆柱

圆柱

圆柱

圆柱

矩形

圆柱

矩形

42.5

44.5

50.5

50.0

61.5

48.5

29.35

48.5

资料来源:罗斯奇,W。电池:历史、现在和未来的电池技术,EXTREMETECH。可以在http://www.extremetech.com/,2001年6月。

32.4.3.1铅酸电池

世界上最常见的蓄电池是汽车开始使用的铅酸电池,它不仅是继承人普兰特的第一个设计,但也几乎相同。他们已经制成的阳极多孔铅和阴极由氧化铅,浸泡在硫酸电解液。在细胞和高度腐蚀性硫酸电解液不仅让这些电池本身重但还麻烦和危险。此外,酸和其附近的气体能够破坏对象(特别是金属),而收费过高细胞导致电解水的组件的内部释放氢酸。电解氢释放的是高度易燃,如果混合空气和接触火花,可能发生爆炸。此外,细胞里的水的分解也有另一个效果:它减少了细胞中的水的总量。因此,水太少,这降低了细胞内的反应面积,从而减少它的能力。最终,细胞将恶化大气行动和电极片或能完全排除细胞,从而减少其zero.1的能力

因此早期铅酸电池要求定期维护以保持细胞内的水/酸在适当的水平。因为只有水的电解电池,它是唯一一个需要定期更换。为了避免污染化学电池,制造商建议使用蒸馏水在补充电池。在静止的应用程序中,铅酸电池曾经包裹在玻璃。不仅会这样设计抵抗内部酸,但他们也将允许维修工人快速评估细胞的状况。对于汽车的应用程序,然而,更多的防碎的情况下需要工程师开发了硬橡胶或塑料封套。此外,使用铅酸电池的便利是极大地增加了密封的细胞。结果就是所谓的免维护电池。因为密封的细胞内的蒸汽不能逃脱,电解损失最小化。出于这个原因,电瓶不需要水。但缺点是,电瓶并不完全无故障。他们仍有酸里面搅动,这可能通过电池泄漏出来发泄,从而破坏电池盒或电池的设备所在地。 To overcome these shortcomings, two ways of eliminating the slosh have been developed. One way is to keep the liquid acid (electrolyte) inside a plastic separator (typically a microporous polyolefin or polyethylene) between cell electrodes. The second alternative is to chemically combine the liquid electrolyte with other compounds that turn it into a gel (a colloidal form like gelatin), which is less apt to leak out.

背后有超过150年的技术发展,铅酸电池可以根据特定的应用程序,比如要求深放电周期(例如,电池作为唯一的电气设备的电源)和电池备份用途,如在大型数据中心不间断电源系统。此外,铅酸电池不仅内部阻力较低,而且经验没有记忆效应做一些更奇异单元设计,如镍镉。这使这些细胞能够产生巨大的水流和适度长,可预测的life.1

32.4.4子类D: LeclancH

Leclanche电池子类是一种锌电池,使用酸性电解质和锌阳极。电池的主要原料用于制造在这个子类包括锌、汞、碳、二氧化锰、氯化铵、氯化锌、氯化银纸,淀粉,面粉,和节细胞(或类似材料)密封。塑料也生产扁平细胞用于摄影使用。获得的锌通常是作为锌板预制成罐,作为电池阳极和容器。然而,一些设施的形式和清洗罐现场。锌粉也可以使用这样一种类型的细胞。锌汞用于合并和减少内部腐蚀电池,通常添加细胞电解质或分隔符。它相当于体重大约1.7%的锌包含在这些细胞中。植物参与制造细胞的子类别生产传统的碳锌Leclanche电池以及银chloride-zinc碳锌空气电池。所有这些电池的共同点的使用酸性(氯)电解质和锌阳极。 In this respect they differ from subcat-egory G, which, although it has a zinc anode, uses an alkaline electrolyte.

各种电池的配置和尺寸生产在这个子类包括圆柱形细胞大小从AAA到6号,扁平细胞,堆放产生的矩形晶体管9 v电池、各种矩形灯笼电池,和平板电池照相应用程序。这个子类的主要细胞类型(表32.1)。尽管上述细胞配置是用于建设这一细胞子类,生产过程中有一些差异。这些差异源自不同的细胞分隔符选择,也就是说,煮糊,生粘贴,粘贴纸。另一个使用的电解液可能出现显著的差异。例如,在碳锌空气电池、干电池,用氯化铵电解质,都包含在这个子类;否则去极化的碳锌空气电池,使用碱性电解液,不包括Leclanche子类别,而是包含在子类别G,锌电池。下面描述的典型例子是碳锌和锌空气电池类型。

32.4.4.1碳锌

碳锌电池可能是世界上最常见的电池,以不同的名字包括干电池和手电筒电池。当你想到电池,碳锌电池很可能首先想到。一家公司,劲量,销售超过60亿每年碳锌电池。他们是定价的主要细胞。他们也有最低的任何普通电池的存储密度。在基本碳锌电池,“碳”的名字是阴极电流收集器,它是一个碳棒中心的细胞。实际的材料用于制造阴极的二氧化锰、碳芯,电解液。锌,除了作为阳极,形成电池的金属外壳。电解液是一种复杂的混合物的化学物质,通常包括氯化铵和二氧化锰。因此,电解液的主要区别是Leclanche和锌电池的子类使用碱性electrolytes.1的G

32.4.4.2锌空气

目前的电池技术,提供最密集的存储是锌空气。原因之一是,一个组件的外部电池化学反应。锌空气电池使用大气中的氧气作为阴极反应物,因此“空气”的名字。小洞在电池外壳让空气反应动力通过一个高导电氢氧化钾电解液锌阳极。最初创建主要用于电池、锌空气电池的特点是稳定的储存寿命长,至少在阻止密封空气,因此不活跃。密封锌空气电池失去只有约2%的能力经过一年的存储。一旦空气浸润细胞,主要锌空气电池只持续了几个月,是否在放电。一些电池制造商适应了锌空气的二级存储技术。锌空气电池工作时最好在low-drain情况下频繁或持续使用。锌空气电池最大的缺点是,然而,它的内部阻力高,这意味着锌空气电池必须足够大,以满足大电流需求对于笔记本电脑来说,这意味着一个辅助电池组大小的电脑本身。锌空气辅助细胞只有粗略的适应便携式PC应用程序。PowerSlice XL的第一个产品,开发了由惠普(hewlett - packard co .)和爱尔兰联合能源公司,证明了锌空气技术的缺点大电流使用电脑。惠普的产品开发OmniBook 600笔记本电脑重7.3磅,比计算机本身,但只能驱动OmniBook 12 h。劲量也改编锌空气技术小按钮细胞针对助听器。充电电池不仅仅是防止问题电池没电在整个输出的吸吮ios版雷竞技下载 (如将其自然的倾向)。细胞化学应用电极为敏感。如果电压过低,细胞将输出电流,而不是接受它。如果过高,会发生不良反应,这将反过来,破坏细胞。这是因为提高电压不可避免地引发了当前如此高的水平,它将最终导致电池过热。此外,试图收取细胞超出其能力可能导致爆炸性气体的生产和itself.1爆炸

32.4.5子类G:锌电池

电池的子类别像Leclanche细胞锌阳极,当他们因为不同碱性电解质。因此,电池在这个子类可以引用或描述为锌阳极碱性电解液电池。这些电池是目前生产使用六种不同的阴极反应物,也就是说,二氧化锰,氧化汞,氢氧化镍,单价和二价氧化银,和大气氧气(表32.1)。这些电池生产中使用的原材料包括锌、氧化锌、汞、二氧化锰、碳,银,氧化银,银过氧化,氧化汞,镍和镍化合物,镉氧化物氢氧化钾、氢氧化钠、钢铁和纸。锌和氧化锌用于制造阳极,而水星是用于制造氧化汞电池阴极材料和合并锌阳极限制腐蚀和自放电。其他阴极材料可能由(一)二氧化锰与碳形成混合碱锰电池的阴极;(b)银,用于产生过氧化氧化银和银阴极以及线屏幕作为支持网格细胞电极;和(c)镍和镍的化合物,用于生产镍锌电池的阴极。这些细胞电解质用于氢氧化钾或氢氧化钠。最后,电池装在钢铁材料,纸和塑料,分别用作分隔符和绝缘组件。

一般来说,碱性锌电池建设(相对于化学)明显不同于普通碳锌电池。碱性电池是有效地翻了个底朝天。不同子类D的锌电池,碱性电池壳的无非是一个保护壳,不参与化学反应。细胞的阳极是一种稠化的混合动力结合锌电解液(它本身是氢氧化钾和水的混合物),并结合有关电池的负极铜飙升跑中间的细胞。阴极,碳和二氧化锰的混合物,围绕着阳极和电解质,隔着一层非织造织物,如聚酯。这是金霸王碱性电池的建设。1根据应用程序,碱性电池可以持续4 - 9日次更传统的碳锌电池的寿命。高负载下的最大优点是不常使用的,也就是说,东西吸引了大电流一小时一天一次,而不是每小时几分钟的。在这方面,一个碱性锌阳极细胞比典型的碳锌电池,名义上产生1.5 V电压只能当小电流来自细胞在其初始放电。随着负载的增加细胞的电压减少和细胞的电荷也会减少。

广泛的细胞大小、电容量和配置都是在初级生产(nonrechargeable)和二级类别(可充电)。通常,碱性电池不能充电,因为化学反应在细胞不能容易逆转。如果尝试一个普通锌电池充电,它就像一个电阻存储单元,将电力应用转化为热量,这可能会导致细胞加热到爆炸。由于这个原因,建议不要尝试普通碱性锌阳极电池充电。目前产生的更新电池充电类型的子类。更新的设计依赖于two-prong攻击碳锌技术。更新细胞是编造的

表32.3

额定电压和各种电池的存储密度类型

电池额定电压型(V)存储密度(wh /公斤)

铅酸镍镉

40 - 60 - 80 90 - 100 100 - 110 130 - 150

镍氢电池循环锂离子移动的锂离子聚合物锂离子

资料来源:罗斯奇,W。电池:历史、现在和未来的电池技术,EXTREMETECH。可以在http://www.extremetech.com/,2001年6月。

不同于标准的细胞,与一个特殊的电池充电器和一个微处理器。更重要的是,在更新电池充电,更新充电器还在一系列脉冲,而充电器的微处理器监控每个脉冲如何影响细胞,以防止经济过热。然而,即使有了这样一个新的充电器,更新细胞生命有限,通常在25和100年之间的充放电循环(表32.3)。因此,更新细胞成本只有约两倍标准碱性cells.1

32.4.6子类E:锂电池

这个子类包含电池的制造,使用锂反应阳极材料。然而,这种分类并不占锂电池技术的最新进展,使用锂离子或锂聚合物不如阴极和阳极,而是“复杂”电解质,分别。1因此,除了传统的阳极锂电池,这些新开发的变体是方便分类下的锂电池子类及其建设是详细描述下部分32.4.6.2 32.4.6.3,分别。应用了不同的阴极材料在锂电池的制造包括早些时候碘、二氧化硫、亚硫酰氯,二硫化和铁,主要在1980年代和1970年代(表32.1)。锂电池技术极大地开发各种设计基于锂离子和锂聚合物电池技术,respective-ly。1以下描述二硫化锂-铁的典型例子,锂离子和锂聚合物电池类型。

32.4.6.1二硫化锂-铁

二硫化锂离子电池,也称为voltage-compatible锂电池,锂阳极是一个三明治,一个分离器,铁二硫化阴极铝阴极收集器。与其他技术,锂二硫化锂离子电池不充电。二硫化与碱性电池相比,锂离子电池更轻(重约66%的才碱性电池),高能力,再生活中。即使10年的货架存储、二硫化锂-铁细胞仍保留大部分的能力。二硫化锂-铁细胞重负荷下最佳操作。此外,他们可以供电约260%的时间才碱性电池,使用时在大电流应用。相反,这个优势是失去了在低负荷和很轻负荷,这种能力可能完全消失。二硫化锂离子电池可以使用任何的锌-碳化电池使用,尽管他们是成本有效的只有在大电流负载下如手电筒、电动设备和强大的电子产品。他们不是时钟和便携式radios.1的明智的选择

32.4.6.2锂离子

基于金属锂电池研发和制造在1970年代,在1980年代和一些公司介绍商业基于金属锂可充电电池。这种电池很快怀疑安全赢得了良好的声誉。防止问题引起的活性金属锂,电池制造商精炼他们的设计保持锂离子状态。通过这种方式,他们能够获得锂离子电池的电化学好处与纯金属相关的安全问题。在锂离子电池中,锂离子在电极活性物质的吸收而不是被镀的金属。典型的锂离子电池用碳阳极和阴极锂钴氧化物。电解液通常是基于锂盐的解决方案。锂电池提供更高的存储密度比镍氢电池(表32.3)。除此之外,锂离子电池没有记忆效应,困扰早期的镍镉。向下的一面,然而,目前锂电池内部电阻高于镍镉,因此不能提供高电流。1 Moreover, the life of lithium cells is more limited than that of nickelbased designs, although lithium-ion cells withstand hundreds of charge/recharge cycles. Since lithium-ion cells use a liquid electrolyte (although one that may be constrained in a fabric separator), cell designs are limited to the familiar cylindrical battery form.

32.4.6.3锂聚合物

固体聚合物锂电池是今天最聪明的新电池技术和细化的熟悉锂化学。事实上,大多数电池制造商和电脑制造商都切换到固态聚合物锂电池设计。典型的锂聚合物电池替代传统的锂离子电池所需的液体电解质固体聚合物,聚丙烯腈含有锂盐,这是集成到一个塑料聚合物阳极和阴极之间的分隔符。由于没有电解液,固体聚合物电池不需要的圆柱形的病例传统电池。相反,固体聚合物细胞可以形成平面表或移动(矩形)的包能更好地适合笔记本电脑的角落和缝隙。尽管固体聚合物电池的能量密度类似于普通的锂电池,PC制造商可以塑造他们更好地适应电脑的可用空间,压缩更多的能力到每台机器。例如,只需填满空间,出现在一个圆柱形细胞周围的角落,固体聚合物电池可以适应更多的化学和能量容量约22%。此外,固体聚合物电池更轻和环保的,因为他们没有金属壳和不包含易燃solvent.1

32.4.7子类F:镁

镁子类包含镁碳电池,这种电池magnesium-vanadium五氧化二热细胞,ammonia-activated镁阳极细胞,magnesiumair电池,和几个不同类型的储备细胞用金属镁氯阴极。各种各样的原材料是用于制造镁阳极电池等材料配合制造的细胞类型的多样性。在阳极镁在每种情况下,各种原材料用于阴极制造包括镁二氧化碳、钡铬酸盐氢氧化、铬酸锂、镁和碳(镁碳电池),五氧化二钒(热电池)、氯化铜、氯化铅,银和氯化银(镁储备细胞)和m-dinitrobenzene (ammonia-activated细胞)。至于电解质,高氯酸镁等原材料,使用溴化镁和氨。分隔符,另一方面,通常由牛皮纸或棉花。67电池系统的特点是其良好的保质期在灭活功能,并能在极低的温度下运作良好的-60°C的订单,如下。电池系统给近平放电放电容量总量的75%以上,用水可以激活。基于上述特点,这个电池系统发现应用程序在气象设备如无线电探空仪或无线电测风传感器、无线电报告,和臭氧探空仪等,用于监测在高海拔地区气候条件的环境温度是-80°C。电池还需要操作仪器仅供< 3 h。除了在极低的温度下操作更有效率和拥有很长的保质期,112 - v电池组重量近一半output.8勒克朗谢电池包相同的权力

32.4.8其他电池类型

除了上面描述的经典分类,还有其他的细胞分类不符合上述分类。这样的细胞包括(a) /钠硫电池使用液体硫正极,(b)氧化还原电池,(c)不寻常的电池如尿液电池,安瓿电池,薄膜电池,和家酿电池,9和(d)镍氢电池,哪有,作为电极,金属合金具有很高的容量存储原子氢,因此称为氢化物。虽然技术/钠硫氧化还原,和不寻常的电池是非常有趣的,他们的实际应用还有限,因此没有进一步讨论致力于这一章。然而,氢化技术在制造找到这样的应用程序可充电电池目前使用的设备。本技术开发探索简单通过查看nickelmetal氢化物电池。

32.4.8.1镍氢

镍氢电池(镍氢)密封相关镍镉电池(表32.4),只有不同于他们,而不是镉,氢作为有源元件在使用负电极(阳极)。这个电极是由一个金属氢化物,通常的镧稀土合金(LiNi5或ZrNi2)作为一个坚实的来源减少氢氧化形成质子。1、10、11在正确设计系统中,氢化物可以提供一个存储氢的水槽,可以可逆电池化学反应。最常见的细胞使用氢化把阴极镍阳极从镍镉电池的设计。这些细胞通常有电解质稀溶液的氢氧化钾,这在本质上是碱性的。用氢化物替代镉电池有几个优点:(a)环境不良的镉是消除,这反过来,消除限制细胞制造、使用、和处置实施由于担心镉毒性;(b)消除镉也意味着细胞摆脱瘟疫镍镉电池的记忆效应;(c)更好的作为阴极材料,氢和金属氢化物镍电池比镍镉高存储密度约50%。实际上,这意味着细胞相同的尺寸和相同的重量可以支持笔记本电脑长50%;和(d)纳入产品目前使用镍镉,因为许多设计两者之间的相似性化学possible.1, 11

和金属氢化物镍电池是不完美的。他们的主要缺点是,大多数的细胞有一个更高的自放电率比镍镉电池。一些NiMH细胞失去每天多达5%的产能,尽管这个数字下降更精制单元的设计。与镍镉,镍氢电池的额定输出电压1.2 V,仍然在整个放电周期相对平坦,急剧下降的只有最后的有用的细胞。在很多方面与镍镉镍氢电池是可互换的。他们有一个类似的供应大电流的能力,虽然不像镍镉。镍氢电池也忍受许多充电/放电周期,通常500完整的周期,但他们为镍镉不匹配。虽然镍氢和镍镉的放电特性相似,在充电两种细胞类型有不同的反应。具体来说,镍镉本质上是吸热而被指控和镍氢电池

表32.4

镍-总结比较

应用程序功能

额定电压放电容量放电概要放电截止电压高速放电能力高温(> 35°C)充电放电能力的过程

充电终止技术

操作温度范围

自放电率

循环寿命

机械配合

机械性能

选择大小/形状/能力

处理问题

环境问题

金属氢化物的应用特性

比较金属氢化镍电池组镍镉电池

NiMH 40%大于镍镉

等效

等效

有效地相同的利率

NiMH略优于标准镍镉电池

通常类似;多个步骤与超载控制恒流推荐快速充电镍氢电池一般相似但NiMH更微妙的转换。备份温度终止推荐相似,但镍氢,寒冷的温度极限是15°C NiMH略高于镍镉

一般相似,但NiMH更多取决于应用程序

等效

等效

NiMH的产品线更有限的相似

NiMH因为减少消除镉毒性的担忧

来源:劲量:镍氢电池应用手册,2001年6月,Eveready电池有限公司www.data.energizer.com。

放热,产生热量。镍氢电池趋于完整,其温度可以大幅上升。因此,充电器是最好的用于一个或其他类型的细胞。

32.5废水特性

可能会注意到上述描述的典型电池生产过程(32.2.1节),水是用于制备活性材料和电解质,在沉淀反应材料支持电极结构(网格),在充电电极,去除杂质,以及洗涤完成细胞,生产设备,和制造区域/工作场所。因此,废水流,用水模式,和废物特征相似的子目录中,虽然不同的电池制造单元之间有很大的不同。5表32.5总结了著名的成分产生的废水流从各种电池subcate-gory植物。例如,高水平的铅、铅氧化物、硫酸盐,悬浮固体(SS)材料和低pH值由于酸性电解液使用,也就是说,硫酸,描述铅酸制造工厂。3废水的特点是高水平的镉、镍、银、锌、镉和汞是最主要污染物阳极、锌阳极、Leclanche细胞,锂阳极,和钙热电池工厂。5此外,钡,z

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