3.6　锌锰电池的主要性能

3.6.1　开路电压与工作电压

在锌锰电池的正负极中不只存在着MnO₂和Zn的两个电化学反应，还会存在着析氧、析氢等其他副反应，所以在开路条件下，无论正极还是负极都不处于MnO₂和Zn的平衡状态，其电极电势是它们的稳定电势。因此，电池的开路电压实际上是两电极的稳定电势之差。

　　（3-17）

式中，与φ_C，Zn分别为正极和负极的稳定电势。

显然，锌锰电池的开路电压与很多因素有关，凡是能影响正负极稳定电势的因素都将影响电池的开路电压。对于正极来讲，决定于使用的MnO₂的种类和掺入的导电物质的种类以及它们之间的相对用量。此外，还与电解液的组成和浓度、温度等有关。采用不同的MnO₂，由于其晶型不同，纯度不同，制造方法不同，其活性也不一样，在相同的电解液中其稳定电势值也不同。对于负极来讲，由于锌的交换电流密度较大，负极的稳定电势φ_C，Zn主要决定于锌本身，受其他物质的影响较小。锌锰电池的开路电压随所用材料不同在1.5～1.8V之间。

当电池工作时，由于存在极化，工作电压总是小于开路电压，并且由于放电时MnO₂的电极电势持续下降，电池的工作电压也不断地随之降低。当放电电流增大时，电池两电极上的极化也相应增大，电池工作电压更低。工作电压降低的程度决定于两电极的动力学性能以及电解液的导电能力。一般而言，Zn负极的动力学性能好于MnO₂正极，而MnO₂正极的动力学性能主要受放电产物MnOOH转移速度的限制。由于碱锰电池采用了电解锰、致密的正极锰环结构、锌粉多孔电极结构及KOH溶液良好的导电能力，碱锰电池的重负荷（较大电流）放电能力远远好于中性电池，重负荷（较大电流）放电时工作电压下降速度较慢。

锌锰电池具有电压恢复特性，即电池在工作时，工作电压下降，而在停止放电休息时电压又有所回升。锌锰电池的电压恢复特性产生的原因主要是MnO₂电极具有电势恢复特性。MnO₂在放电时，由于产物MnOOH在电极表面积累导致电势持续下降，但当停止放电时，MnOOH不再产生，而MnOOH的转移仍在继续，所以MnOOH的表面浓度下降，使得电势得到一定程度的恢复。这种电压恢复特性决定了锌锰电池更适合间歇方式放电，其间放性能优于连放性能。尤其当电池进行较大电流（例如，LR6电池在1.8Ω、3.9Ω或5.1Ω恒阻条件下）的重负荷放电时，连续放电工作电压下降明显，而放电间歇后电压显著回升，可重新进行有效的工作。间歇放电正是某些用电器具的工作方式，例如电动剃须刀就是在类似于5.1Ω恒阻放电条件下工作，每次工作仅需几分钟的时间。另外，照相机闪光灯、电动牙刷、遥控器、收音机、电动玩具、手电筒等其他用电器具也都是以间歇方式供电。再考虑到锌锰电池出厂时即为荷电状态，储存性能良好，因此可随时处于准备工作状态，不会在间歇等待过程中损失容量，因此锌锰电池适合在间歇工作的用电器具中使用。

3.6.2　欧姆内阻、短路电流和负荷电压

锌锰电池的内阻是比较大的，这与它所使用的材料、电池的结构等因素有关。电池的全内阻包含2个部分，即欧姆内阻和极化内阻。

电池的欧姆内阻包括电池的引线、正负极电极材料、电解液、隔膜等的本体电阻及各部分间的接触电阻，其大小与电池所用材料的性质和电池装配工艺等因素有关，是电池体系和电池工艺的综合反映。欧姆内阻与电池工作时的电流密度无关，完全服从欧姆定律。电池欧姆内阻的大小在很大程度上影响电池的重负荷放电性能，是考察电池性能的一个重要指标。电池的种类不同，欧姆内阻不同。一个中等尺寸的铅蓄电池的欧姆内阻大约为几个毫欧，而一个中性锌锰电池的欧姆内阻可达几百毫欧，一个碱锰电池的欧姆内阻则为几十毫欧。电池的欧姆内阻可用高频率的电流信号进行测量，也可用交流阻抗的方法测量。

在工厂中也会采用测量电池的短路电流和负荷电压的方法去预测电池的负荷性能。短路电流就是将电池的正负极短接，在短接瞬间流过的最大电流。例如，LR6型碱锰电池的短路电流可达十几安培。短路电流和电池的欧姆内阻之间存在着一定的对应关系，短路电流越大，一般而言欧姆内阻越小，电池的重负荷放电性能可能会比较好。负荷电压就是电池正负极短接瞬间的工作电压，碱锰电池的负荷电压一般在1.5V以上。碱锰电池的重负荷放电能力明显优于中性锌锰电池。近年来，通过改进石墨导电胶、使用膨胀石墨、增加锰环成型压力、增大电池含水量等措施，明显提高了碱锰电池的重负荷放电性能。由于有些提高重负荷放电性能的措施会以牺牲部分电池容量为代价，因此电池有向中负荷应用和重负荷应用领域细分的趋势。但是，由于锌锰电池销售的分散性和多种电器的共用性，这种细分市场的做法存在一定的难度。

3.6.3　容量及其影响因素

电池的实际容量主要与两方面因素有关，一是活性物质的填充量，二是活性物质的利用率。很明显，活性物质的量越多，电池放出的容量就越高；利用率越高，容量也越高。因此，提高电池的容量通常从这两方面着手。以碱锰电池为例，21世纪初碱锰电池的容量大幅度提高就是这两方面措施共同作用的结果。

在正极方面，通过将镀镍钢壳的厚度从0.30mm降低到0.25mm，则LR6型碱锰电池正极环的体积可从3.2cm³增加到3.3cm³，使得正极活性物质填充量增加3%。目前，还有将钢壳厚度进一步降低到0.20mm的趋势；使用比表面积更大、粒度更小的膨胀石墨，一方面可以减少石墨用量，增加MnO₂的填充量；另一方面，石墨、MnO₂接触性能的改善也提高了正极利用率。

在负极方面，通过提高锌膏中锌的比例，改变凝胶剂的配比，增加锌膏注入量，使用添加剂等措施，负极活性物质的填充量和利用率也获得了提高。

锌锰电池的放电容量同电池的放电制度（工作方式）有关，一般情况下锌锰电池采用恒阻方式进行放电测试，放电容量为恒阻放电曲线的积分。LR6型碱锰电池的主要放电制度及相应的放电性能见表3-3所列。

3.6.4　储存性能

总体而言，锌锰电池的储存性能要比其他电池系列更好。尽管无汞化后锌的腐蚀趋势更大，但是通过采用锌合金粉、代汞缓蚀剂、高纯度原材料及清洁生产工艺等措施，锌电极的自放电水平仍被限制在含汞时的水平。一般情况下，锌锰电池在储存5年之后，电池容量仍可保持为新电池的80%～90%。

电池的储存性能除要考虑荷电保持能力外，还要考察电池的爬碱、漏液情况。通过密封结构和材料的改进，爬碱、漏液问题也得到了有效的解决。

另外，在电池储存过程中，还可能出现慢性内部短路问题，表现形式是开路电压明显低于正常水平。在无汞化后，这一问题比较突出。问题的原因可能是电池中某些有害的金属杂质（主要有Cu、Fe、Co、Ni等）通过置换反应使得锌枝晶在隔膜内缓慢生长，最终刺穿隔膜造成正负极短路。这一问题的解决途径有两个方面，一方面是使用高纯度原材料、改进设备和生产工艺避免污染，从而杜绝短路的根源；另一方面，可选用接枝膜和无纺布相结合的组合隔膜，并且降低隔膜厚度，增加隔膜卷绕的层数，以提高耐枝晶性能。

3.6.5　高温性能和低温性能

锌锰电池在高温放电时，通常容量增加。在低温放电时，容量比常温时更低。在低温性能方面，碱锰电池性能比较优异。不同温度下碱锰电池的放电容量如图3-12所示。