干电池

干电池（Dry cell电池电池）它是一种利用糊状电解液产生直流电的化学电池。干电池是一次性电池，在生活中很常见，可以用在很多电器上。常见的有锌锰电池锌汞电池碱锰电池等。

干电池经历了糊电池、纸板电池、碱性电池的三个阶段。早期干电池的电解液是酸性的，含有很多化学物质：重金属汞、铅、镉通常被视为有害废物。随着技术的发展，普通干电池多为锌锰电池，中间是正极碳棒，外面是石墨和二氧化锰的混合物，外面是一层纤维网。网上涂了一层厚厚的电解质糊，由氯化铵溶液和淀粉组成，还有少量防腐剂，符合低汞无汞的技术要求，也不含铅、镉等有毒重金属不再属于有害废物，满足了生产生活的需要。

干电池具有结构简单携带方便性能稳定等特点，给现代人带来了很多方便的生命。目前，干电池种类繁多，已经成为人们生活中不可缺少的电源在生活和交流中被广泛使用、交通工具、日常生活、电子产品等不同领域。

对干电池的研究早在19世纪中期就开始了。1860年，法国人雷克林发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，最初的潮湿含水的电解液逐渐被类似于浆糊的粘稠浑浊的方式所取代，所以当它被放入容器中时，“干”性电池出现了，也就是干电池的鼻祖。

在电池商业化的过程中，法国铁路工程师乔治·拉克兰切做出了巨大的贡献。1868年由他发明的电池被称为干电池的前身。1886年，美国人卡尔·盖斯纳博士在Leclant Xie电池的基础上成功研制出第一个干电池，电池由氧化锌制成、以氯化铵和水组成的膏体作为电解液，将锌电极改成锌管，既是负极又是电池外壳，称为勒克兰契干电池或锌-锰干电池。

自20世纪60年代以来，世界上对锰干电池进行了许多改进正极活性物质由天然二氧化锰变为人工提炼的化学锰或高纯电解质二氧化锰；用氯化锌做电解液，改成牛皮纸上涂合成浆料夹在正负极之间的纸板结构，不仅可以填充大量的正极混合物，还可以降低电池的内阻。

到20世纪80年代初，发达国家制造出一种碱锰干电池使用的活性材料基本相同，但电解质改为具有高导电性的钾溶液。

随着科技的进步，干电池已经发展成为一个庞大的家族，至今大约有100种。常见的有普通锌-干电池、碱性锌-锰干电池、镁-干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池和-电池等。

本文主要介绍普通干电池的主要结构，其主要零部件是指锌管、炭棒、铜帽、密封圈、复压圈、塑料片或蜡纸环、假阴性等，其中密封环和碳棒、锌管与铜帽和碳棒的配合是影响储存性能和电池容量的重要因素。

干电池

锌筒

锌皮加工后制成圆柱形容器，制成的锌筒既是锌锰干电池的保护壳，又是电池的负极。锌筒和正极之间的间隙填充有碳黑混合物和二氧化锰。将氯化铵、氯化锌、淀粉和一定量的水加热制成糊状，然后注入锌管形成电解液。电解液冷却后，就不会流动了。锌筒底部放一圈绝缘垫另外，在锌筒中加入沥青，然后密封，避免电解液泄漏。最后在锌筒外包裹一个印有商标的纸壳或铁壳。

炭棒

碳棒是正极电池的集流体，与作为正极端子的铜帽紧密配合。石墨通常用于制造干电池的碳棒、焦炭和煤焦油等碳材料、沥青等粘合剂混合、捏合，加热，挤出成型，然后在9001000℃碳化烧结。碳棒在烧制过程中会产生一些气孔，所以要在气孔中浸泡石蜡、油等防水处理。在碳棒成型过程中，不可能先安装帽状金属集流体，只有在电池基本组装完毕后，才能将金属帽压在碳棒外露端。

电芯

电芯是干电池的阳极，是电池流水线的第一道组装工序。将二氧化锰和固体氯化铵按一定比例混合、将石墨和乙炔黑有效混合，加入适当的电解液进一步压制成电芯在电芯周围包裹棉纸，在其中心位置插入碳棒，然后在碳棒上盖上铜帽，形成电池的正极。电池的重量和尺寸公差直接影响电池的放电电流、放电容量和储存性能。

铜帽

铜帽作为干电池的阳极端子，必须保证阳极与外部电路的可靠接触。铜帽的厚度和外径采用精度为0.01毫米千分尺测量。法兰外径和总高度的精度为0.02mm游标卡尺测量。

电动势

干电池的电动势图如右图。电路闭合后，蓄电池是正极、非常薄的化学反应层ad和cb出现在负电极附近由于化学反应，产生电荷和电位差，干电池的电动势由这两个化学反应层共同提供。研究了干电池中的电场强度分布，中间大部分区域为（dc）电池的场强方向从负极指向正极；两极附近的化学反应层ad和cb的场强方向相反，从干电池的正极指向负极。在化学反应层的ad和cb区域，非静电力（化学力）克服电场力做功，向左移动的正电荷势能增大，化学能转化为电能，形成电源的电动势。干电池内部（dc）该区域存在内阻，正电荷向左移动的势能减小，电能转化为内能。

电流

在室温下，金属中自由电子的热运动平均速率为100，000mm/s，它的定向运动速率是10万/1m/在s的量级上，电子会在速率巨大的不规则热运动上附加一个小的定向运动。干电池接入电路，电流会瞬间流动，电流的速度不是自由电子的定向运动速度，而是电场的传播速度。当导线以光速在各处迅速建立电场时，各处的自由电子几乎同时开始定向运动，回路中瞬间形成电流。可以看出，并不是自由电子从电源负极出发，以定向运动的速度在金属丝中运动，经过电器后在回路中形成电流。

锌汞电池

锌汞电池是指使用汞齐锌粉和羚羊甲基纤维素作为负极、以红色氧化汞和石粉为正极的一次电池。市场上销售的大多数锌汞电池都是纽扣形的。其电解质为氢氧化锌，反应式为:Zn HgO→ZnO Hg 53.6Wa。电池电压为1.3伏，理论比能是253瓦时/Kg，实际值接近100 WHr/千克。其特点是体积储能密度高，适合小型化，能长期稳定供电，机械强度好，工作温度可达80℃，常用于电子表助听器、起搏器和小型仪器。

锌锰干电池

锌锰干电池的工作原理是通过电化学氧化还原反应，将储存在活性物质中的化学能直接转化为电能，电池容量是指电池的大小 s储存的电量，即在一定放电电流下能持续放电的时间，单位为安培小时a.h，所以电池的发电量可以用电池容量来表示。因此，电池容量与放电电流和放电时间具有以下关系：C=I·t。其中I表示放电电流，t表示在一定放电电流下电池容量放电所需的时间。在一定的放电电流下，电流所做的功与电路两端的电压有关、电路中的电流强度与通电时间成正比，因此有：W2=U·I·t干电池正常工作时所能产生的电量（单位为J）为W2=U·c其中u指电池的工作电压。

干电池需要经过13道工序组装：巧筒排壳；装配浆层纸；装配底碗纸；电芯粉成型；插入碳棒；装配塑料面碗：电池封口；戴组合帽；卷口成型；滚线；电池装盘。具体生产工艺以常用的锌锰电池为例：

1）首先将钢壳做成直径13 mm的圆柱体；

2）电池中的黄铜集流体是电池的核心将铜丝切成4厘米长黄铜是良导体由于铜含量高，黄铜表面可能会有油渍，所以将切割好的黄铜在沙子中滚动，打磨表面，去除毛刺在每个黄铜上焊接一个镀镍的气缸盖；

3）将易释放电子的锌熔化，用机器将熔化的锌变成糊状；

4）将混有石墨的二氧化锰粉末压制成适于装入电池的小球，然后装入镀镍电池钢壳中；

5）电池由振动盘和传送带送入组装，隔膜由机器插入电池，然后注入碱性电解质溶液这台机器将糊状锌加入电池中，然后将黄铜棒放入其中每块电池都是机器封口，表面用包装纸检测后就可以包装出厂了。

电压

干电池电压是干电池性能的重要性能指标之一，表示干电池在一定状态下两端的电位差。干电池电压有三种：标准电压、开路电压、工作电压。标准电压又称额定电压，是指电池正负极材料发生化学反应而产生的电位差，以及由此产生的电压值。干电池的标准电压是1.5V。开路电压是指电池不工作时，即电路中没有电流流动时，电池正负极之间的电位差。干电池充满电时，开路电压为1.65~1.725V。工作电压是指电池工作时，即电路中有电流流动时，电池正负极之间的电位差。

容量

电池的容量只有几百安时，这是由电池中含有的活性物质的量决定的，并与其成正比。即电池体积越大，活性物质越多，容量越大。一般电池厂家标明的额定容量是指在一定的环境温度下，电池连续放电到规定的终止电压的时间和电流的乘积。如果温度过低或放电电流明显大于标准放电电流，电池的容量可能无法完全释放。

储存寿命和自放电率

干电池的贮存期和自放电率参考一次性电池的贮存期指标，即能保证一定质量的贮存时间，约为2~3年。这是电池自由放置时的放电效应造成的由于充电电池自放电率高，一般直接给出每月自放电率的百分之几。

根据化学成分

干电池按化学成分可分为锌锰电池、锌汞电池等其中，锌锰电池是应用最广泛的电池，发明于19世纪末它的基本原理是利用位于电池中心的碳棒将正极包裹上二氧化锰和碳粉，负极由锌和铜制成、制备淀粉浆等的混合物作为电解液。从锌锰干电池的电化学反应方程式可以看出，在放电过程中，正极 MnO 2的电子发生还原反应生成 MnO(OH)负极Zn失去电子，发生氧化反应，生成 Zn(NH3)2Cl2。锌汞电池的特点是电动势和工作电压稳定，放电过程中电压变化很小，保持在 1.34V左右。

根据电解质的酸碱性质

酸性锌锰干电池是以锌管为负极，通过汞齐化处理使表面性质更加均匀，以减少锌的腐蚀，提高电池储存性能的干电池。其阳极材料由二氧化锰粉末制成、由氯化铵和碳黑组成的混合糊状物。在阳极和阴极之间有一层加强的隔离纸，里面浸透了含有氯化铵和氯化锌的电解质溶液，阳极材料中间插着一根碳棒作为提取电流的导体。

碱性锌锰电池1882年研制成功，1912年研制成功，1949年投产。碱性锌锰电池以锌为负极，二氧化锰为正极，氢氧化钠或氢氧化钾为电解液，采用反极性结构，可以显著提高电池的比能量和放电电流。

根据退偏器的材料

锌锰电池主要使用二氧化锰作为去极化剂，在水中混入石墨粉和氯化铵。在其中心插入一根导电性好的碳棒，形成阳极，起到消极的作用。此外，使用锌管作为阴极，并且在两个电极之间填充氯化铵、氯化锌溶液和淀粉加热形成糊状隔离层这种电池叫锌锰圆柱形干电池。

空气电池以锌为阴极，用活性炭吸收大气中的氧气作为去极化剂，与氯化铵混合、水混合均匀，中间插入碳棒形成阳极体，起到电极熄灭的作用。这种电池的结构与锌锰干电池基本相同。不同的是，中央碳棒有一个通气孔，一些孔是在电池上打孔的 去极化器本身有助于通气这种电池叫做空气电池。

根据隔离层的用途

根据隔板类型的不同，干电池可分为糊状电池和纸板电池。早期的糊电池是在锌筒周围贴吸水纸吸收氯化铵水溶液，用石墨和二氧化锰的混合物填充碳带和多孔筒之间的空隙，制成干电池。纸板电池是继膏状电池之后的一种新型电池。在这款电池中，电芯粉和锌桶之间不再使用糊料，而是使用涂有特殊材料的桨纸作为间隔物。桨纸在隔离正负极的同时起到了离子的通道作用，所以纸板电池的容量比糊电池高。在制造过程中，省去了注入电浆的过程，只需要桨纸和底碳。高容量纸板电池也叫铵电池，高功率纸板电池也叫锌电池。

危害

废电池含有几种重金属，如汞、镉、铅、重金属如镍，如下表所示。废旧锌锰干电池中含有的重金属和废酸电解液会随着电池长时间暴露在地面或埋在地下而逐渐腐蚀，里面的重金属会慢慢渗透到土壤或水体中，直接造成这一区域的严重污染。废电池对人体健康的危害不容忽视。通过污染土壤和水源，重金属随着食物链的迁移存在于植物和动物体内，然后被人体摄入并在人体内逐渐富集，最终导致人体部分器官慢性中毒甚至衰竭。回收方法目前，废旧干电池的回收方法主要是人工分选技术、干法处理技术、湿处理技术和干湿混合处理技术。

人工分选技术

人工分离回收技术是将普通干电池进行分类，使用简单的机械，比如钳子、锯等拆开电池；然后用人工手段把各种物质分离出来。具体流程是在负压环境下，在带有净化装置的工作台中对干电池进行逐一切割首先，手动分离的塑料盖被送到塑料厂进行回收；其次，分离后回收铜和碳棒；锌皮再次清洗，然后送至电炉重铸成锌锭；最后将二氧化锰和水镁石的混合物送入回转窑煅烧，脱水后得到二氧化锰，实现干电池的资源化利用。这种方法的优点是非常容易操作，所需的机械设备也比较简单，缺点是需要大量的手工劳动，回收效率低，经济效益小。

干法处理技术

干法又称火法。这种方法是根据各种金属的蒸汽压来回收资源的、沸点和熔点不一样，在各种温度下是分不开的、蒸发、冷凝出不同成分。干法回收技术分为发烟回收法和电极放电加热分解法。发烟回收法是对废电池进行分类、粉碎后放入温度不低于600℃的马弗炉中进行高温焙烧，产生的含汞废气由旋风除尘器或干式电收尘器收集，或通过风冷或冷凝器冷却回收汞。其他组分转移到熔化炉或回转窑中，炉料中的金属化合物在11001300℃的高温下被还原成金属单质，并以蒸汽或液体的形式回收。发烟法只能从锌锰电池中回收锌、汞、铅和铁等金属以及电池中的其他成分需要进一步处理这种方法的推广使用有局限性，成本高。电极放电加热分解法是指三相电极瞬间放电，使材料产生4000℃以上的高温，将电池中的铁烘干、锌铜等金属从氧化锰中分离出来，同时汞蒸气被冷凝器回收，其他成分完全燃烧。该法虽然对铁、锌和铜回收完全，回收产品纯度高、脱汞效果好，但该方法操作过程复杂，设备投资大，能耗高。

湿法处理技术

湿法也可称为电沉积，处理废电池后会对环境造成二次污染。该技术根据废旧电池中的金属及其化合物易溶于酸的特性，先将电池溶解，溶解液用于生产硫酸锌、硫酸锰等或者提纯后生产锌、二氧化锰等。湿法根据具体工艺不同分为直接酸浸法和焙烧酸浸法。直接酸浸法是将废旧干电池分类粉碎，然后放入稀硫酸浸出槽中进行浸出锌及其化合物进入硫酸溶液，过滤后的滤液中含有硫酸锌从滤渣中分离出铜盖和铁鳞后，从剩余的滤渣中进一步提取锰。焙烧酸浸法是将废旧干电池粉碎，放入电回转窑中焙烧在高温焙烧过程中，电池中的锌以蒸汽的形式进入烟气中。烤好后，取下铜盖、用硫酸溶液作为溶剂浸出碳棒和其它杂质。湿法处理利用技术的优势设备投资少、运行费用较低。比如直接酸浸法的优点是可以利用现有的湿法炼锌厂的设备和技术回收废旧锌锰电池，但是添加了更多的化学品、产品纯度低，工艺流程长，后续废水处理成本高。

干湿处理结合法

干湿法也称焙烧-电沉积法是一种新的回收技术，它充分结合了湿法回收和干法回收其效果不错，但一般工序复杂、成本较高的缺点。操作步骤是粉碎废电池、分类、经过筛选和磁选除铁后，放入电回转窑进一步焙烧，温度范围控制在850 ~ 900℃。在焙烧过程中，二氧化锰被电池中的乙炔黑和石墨逐渐还原成氧化锰。锌壳会不断进入烟气，烟气冷却后，在布袋除尘器的帮助下回收锌。焙烧冷却后，除去碳棒铜帽等杂质，用80℃硫酸溶液浸出后，剩余锌全部进入溶液。这种硫酸浸出液含有杂质，因此在电沉积之前必须对溶液进行净化。电积同时回收锰和锌是一个双产物的过程，正负极的相关电积条件不同，必须调整两极的具体工作条件。

在传统市场领域，锌锰电池作为国际标准化产品，大小不一、单体形状有通用标准，可实现快速批量生产，携带方便，价格便宜，是家用电器、电动玩具、遥控器、钟表相机等生活必需品是居民 工作、生活不可缺少的主要独立电源。所以市场需求相对刚性，市场规模相对稳定。

从干电池制造的上游行业来看，干电池行业的上游供应商主要是电解二氧化锰粉、锌粉、隔离纸、钢壳、碳棒、锌管铜针等制造企业。

在新兴的下游产品市场，锌锰电池工作电压高、内阻低、单位质量的电极活性材料具有高容量和长电池寿命的优点作为小电器的主电源，适用于大电流放电和需要较长放电的场合。随着日常生活中电器的不断智能化、无线便携式新兴小型消费电子产品（如电子门锁、无线鼠标、无线键盘和电动美容仪等）的兴起、智能家居的发展推动了各类智能小家电的普及。同时，物联网的快速发展也带动了对更多电子设备的需求，尤其是在远程控制和医疗电子设备领域。这为锌锰电池开辟了新的市场空间。

随着人们生活水平的提高这不仅促进了锌锰电池技术的升级，也极大地扩大了环保锌锰电池的市场需求，改变了环保锌锰电池的需求结构。因此，锌锰电池将是高能量的、高功率、轻量化、单元化、长寿与系统和智力的发展。