干电池

化学电源中的原电池

干电池，又称一次电池，是一种伏打电池，利用某种吸收剂（如木屑或明胶）使内含物成为不会外溢的糊状。常用作手电筒照明、收音机等的电源。我国干电池技术经过多年发展，其比能量、循环寿命、高低温适应性等问题已有所突破。

电池简介

干电池（Dry cell）是一种以糊状电解液来产生直流电的化学电池（湿电池则为使用液态电解液的化学电池），干电池是一次性电池，是日常生活之中为普遍使用，以及轻便的电池。它们可以使用于很多电器用品上。

常见的干电池为锌锰电池（或称碳锌电池，即 dry Leclanché cell）。

干电池属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池。因为这种化学电源装置其电解质是一种不能流动的糊状物，所以叫做干电池，这是相对于具有可流动电解质的电池说的。干电池不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，而且也适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域，十分好用。普通干电池大都是锰锌电池，中间是正极碳棒，外包石墨和二氧化锰的混合物，再外是一层纤维网.网上涂有很厚的电解质糊，其构成是氯化铵溶液和淀粉，另有少量防腐剂.最外层是金属锌皮做的筒，也就是负极，电池放电就是氯化铵与锌的电解反应，释放出的电荷由石墨传导给正极碳棒，锌的电解反应是会释放氢气的，这气体是会增加电池内阻的，而和石墨相混的二氧化锰就是用来吸收氢气的。但若电池连续工作或是用的太久，二氧化锰就来不及或已近饱和没能力再吸收了，此时电池就会因内阻太大而输出电流太小而失去作用。但此时若将电池加热，或放置一段时间，它内部的聚集氢气就会受热放出或缓慢放出。二氧化锰也到了还原恢复，那电池就又有活力了。

化学方程式为：Zn+2MnO2+2NH4Cl= ZnCl2+Mn2O3+2NH3+H2O

切勿解剖干电池，不可将其置于火上进行灼烧或炙烤。

国内发展

“十一五”期间，我国干电池市场规模迅速扩大，产量平均以每年约20%的速度快速增长，总体规模增长了2倍，由2005年的约7000万多KVAh上升至2010年的14416.68万KVAh。2011年，我国干电池行业产销规模均有所扩大，利润及销售利润均大幅上升，行业经营效益较好。2011年我国干电池行业的资产总额为880.91亿元，同比增长39.35%；实现销售收入965.15亿元，同比增长32.40%；实现利润总额57.20亿元，同比增长10.81%。与此同时，干电池技术经过多年发展，其比能量、循环寿命、高低温适应性等问题已有所突破。我国正逐渐缩小与国际领先技术的差距，在部分核心技术方面已达到国际水平，并且越来越多地进入国际市场。

电池历史

1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。

干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。1860年，法国的雷克兰士（George Leclanche）发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液逐渐用黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。

1887年，英国人赫勒森（Wilhelm Hellesen）发明了最早的干电池。相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

电池种类

随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到13年为止已经约有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。

对于使用最多的锌-锰干电池来说，由于结构的不同又可分：糊式锌-锰干电池、纸板式锌-锰干电池、薄膜式锌-锰干电池、氯化锌锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、四极并联锌-锰干电池、迭层式锌-锰干电池等。

电池结构

锌锰干电池是日常生活中常用的干电池。

正极材料：锰（Mn）、石墨棒

负极材料：锌（Zn）片

电解质：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊状物

电池符号可表示为

（－） Zn|ZnCl2、NH4Cl（糊状）‖Mn|C（石墨）（+）

负极：Zn-2e-=Zn2+

正极：2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3+H2O

总反应：Zn+2MnO2+2NH4+= Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O

锌锰干电池的电动势为1.5V。因产生的NH3气被石墨吸附，引起电动势下降较快。如果用高导电的糊状KOH代替NH4Cl，正极材料改用钢筒，Mn层紧靠钢筒，就构成碱性锌锰干电池，由于电池反应没有气体产生，内电阻较低，电动势为1.5V，比较稳定。

此干电池属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池，它碳棒以为正极，以锌筒为负极，把化学能转变为电能供给外电路。在化学反应中由于锌比锰活泼，锌失去电子被氧化，锰得到电子被还原。

使用选购

普通锌锰电池也称碳性电池。这是市场上最常见，最便宜的一种。根据采用的材料，制造工艺不同区分为普通型和“高能电池”（或称高性能电池）。价格低廉是这类电池的优点，但缺点也是明显的：电容量低，不适合需要大电流和较长期连续工作的场合，另外原材料浪费很大。因此，国外已逐步减少该种电池的生产，如有名的超霸电池生产公司—GPI集团就停止了普通锌锰电池的生产，而全力制造碱性电池和充电电池。普通锌锰电池虽然价格低廉，但从使用的经济性说赶不上充电电池，从使用的方便性和每小时使用价格来说又比不过碱性电池，同时低档的普通锌锰电池还会漏液损坏电器，因此在国际上认为普通锌锰电池是过时的产品，有些厂已经停止了这种电池的生产，无论进口和国产的产品都没有太大的使用价值，特别是进口普通锌锰电池更不划算，是所有电池中性价比最低的。一个号称“高容量”的五号电池销售价一般是1.5元～2.5元，还不如买容量比它多5～7倍的国产碱性电池。

选购常识

选购干电池时要注意以下几点：

1、根据需要选择电池。如：用在闪光灯、相机、MP4、电动玩具等需要大电流输出的器具上，最好选用碱性锌锰电池（L）。用在遥控器、钟表等一般用电需求的器具上，选用普通锌锰电池（S、C、P）即可。

2、注意电池的性能价格比，不要只选购国外品牌。事实上，不少国产名牌电池的性能价格比都高于国外同类产品。

3、注意电池的储存期。普通锌锰电池保质期为2年。购买时应选择新推产品。碱性锌锰电池和普通锌锰电池的区别电池在常人的眼里分碱性和普通锌锰电池两种。过去人们在日常使用中常感到电池的使用寿命不如想像中理想，这就是碱性锌锰电池和普通锌锰电池的区别。在日常使用中，闪光灯、相机、MP4、电动玩具等这样大流量的电器具最能显示出碱性电池和普通锌锰电池的特点。

碱性锌锰电池在分别使用闪光灯次数为144次，照相机胶卷8卷，玩具开动183分钟。这些指数均比同期使用中的普通锌锰电池平均好6.86、4.38、3.81倍，并且在性能价格比也好4.34、2.78、2.41倍。对消费者来说，使用碱性锌锰电池可以合理放心使用的。

电池损害

环境的污染

电池对环境污染很严重，一节电池可以污染数十立方米的水。有的甚至说废电池随生活垃圾处理可以引起诸如日本水俣病之类的危害，一节5号废电池就可以使一平方米土地荒废。

电池主要含铁、锌、锰等，此外还含有微量的汞，汞是有毒的。

人体健康的损害

废电池中含有汞、镉、铅等重金属有毒物质。人若汞中毒，会损害中枢神经系统，死亡率高达40%；镉的主要危害是肾毒性，还会续发“痛痛病”（引起骨质疏松，软骨病和骨折）同时还是致癌物质；人体食用含铅的食物，会影响酶及正常血红素合成，影响神经系统；

废电池在填埋处理一个月内，其金属外壳就会被腐蚀穿孔，废电池中的有害物质就会进入土壤、水体，对环境造成污染。据环保专家测试，如果6吨生活垃圾中混入一粒含汞电池，当这些垃圾进行填埋后，土壤中汞的浓度就会超过安全标准；若废电池混入生活垃圾进入焚烧厂，则其中的汞、镉等金属将会在高温下气化排入大气，使大气环境受污染，影响人体的健康。

正常使用时电池中的汞、镉等并不会渗漏出来造成危害。

镉为人体不需要元素，人体中的镉是出生后从外环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。慢性中毒的临床表现为肺气肿、骨质改变与贫血。日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高的米和水而发生痛痛病（骨痛病），主要病变为骨软化，疼痛始于下肢，后遍及全身直至卧床不起。

铬酸盐粉尘及铬酸雾可引起鼻中隔穿孔，部分长期接触者有头痛、消瘦、消化功能紊乱及胃肠道溃疡、轻度肾损伤。铬的致癌问题越来越引起注意，炼铬铁工人肺癌性病率较其他职业的人高。

镍通常从饮食中摄入，被认为可诱发肺癌和鼻窦癌，国外曾报道，镍引起的肺癌平均发病工龄为27年。镍中毒主要引起呼吸系统损害，严重者神志模糊或昏迷，并发心肌损害。

汞具有脂溶性。可通过血脑屏障进入中枢神经系统。汞分布于各组织器官，时期主要分布于肝脏，进入体内2周后，85%—90%存于肾脏，慢性汞中毒的主要症状为易兴奋症、震颤、口腔炎，轻度中毒有神经衰弱综合症、植物神经功能紊乱，以及急躁、易怒、好哭等，重度中毒时发生明显的性格改变、情感障碍、智力减退。

铅主要通过食物、饮料和大气摄入。美国研究认为，人体血铅浓度增加，对健康程度的严重不利影响也相应增加。因为铅不易被排泄，所以它影响肾、肝、神经系统和造血器官，从增高血压（在中年人中增加心脏病发作的危险）、干扰肾功能和生殖功能，一直到不可逆转地损伤大脑。高血铅会使儿童出现行为问题、低智商和精力难以集中。

锰为人体必需的微量元素，但吸收过量则可引起中毒，锰可以经呼吸道进入，也可经消化道进入。肝为锰的主要蓄积器官，吸入过量的锰可在中枢神经系统内蓄积，其排出较其他器官为慢。

挑选方法

干电池又称一次电池，日常生活中我们经常用到干电池，比如5号7号电池等。干电池都有自放电这一令人讨厌的缺点。自放电除与电池的内在因素有关外，还与环境温度、湿度有关；超过一定的储存期后，由于自放电，电池的性能就要降低，大量使用干电池，进行挑选是必要的。

常用的干电池挑选方法：注意查看生产日期，储存期越短越好；用万用表 DC500mA挡测短路电流，此法虽简单但不准确，也不安全，实质是从瞬间短路电流判断其内阻大小，内阻越小越好。

若采用两次测量电压法既安全又可靠，将两只2.2V小电珠并联后用导线引出两个夹子，先测出电池的开路电压，再将小电珠夹子夹在表笔上，再测出由池带负载后的申压,比较两次电压的差越小越好。

这个方法判别6~9V叠层电池更实用，此时小电珠应串连。除可充电池外其他一次性电池均可行，改用数字电压表测量更准确。

回收利用

2003年，国家出台《废电池污染防治技术政策》规定，从2005年起停止生产含汞量大于0.0001%的碱性锌锰电池。如今，随着技术进步和生产工艺的更新，大多数干电池主要含铁、锌、锰等元素，已不再含汞、铅等重金属。很多干电池外包装上还贴上了“不含铅、汞”的相关标识。

据市环保局相关负责人介绍，如今这些干电池可以和生活垃圾一起运往垃圾焚烧填埋场处理，既方便又经济。不过由于历史原因，许多人并不知情。在处理条件不很完善的情况下，废旧干电池若集中处理，反而会造成一定的污染，可分散装进垃圾袋丢弃。

回收再生

电池产业方面回收是最被呼吁的话题，国内和国际上对于干电池的含汞量进行了严格的规定，市面的干电池可以随垃圾处理，但是，如果一个地方聚集了太多的干电池，又或者干电池未达到环保指标，则从资源再利用的角度来看，还是有着干电池回收和利用的市场空间。从干电池的主要品类锌锰电池和碱性锌锰电池来看，回收可以获得汞、锌、镉等金属，并彻底解决电池造成的污染。对干电池而言，其回收利用技术主要有三种，它们分别是：人工分选法、火法回收、湿法回收。

一、人工分选法：将干电池分类成碳性电池和碱性电池后，通过机械剖开，然后用人工方法分离出锌皮、二氧化锰（需进一步脱汞）、炭棒、塑料盖等，这是着眼于全面循环利用的一种方法。

二、火法回收：干电池被分类、破碎后，送入高温炉（1）、锌及氯化锌被氧化成氧化锌随烟排出，由旋风除尘器回收其粉末再进一步合成为氧化锌制品；（2）、残存的二氧化锰及水锰石进入残渣，视经济价值可确定是否再回收锰粉，这一方法主要着眼于对锌的回收。

三、湿法回收：主要是利用化学反应，（1）、将干电池分成碳性和碱性电池后破碎，可将破碎物置于浸出槽中，加入100-120g/L的稀硫酸进行浸出，得到硫酸锌溶液，再由电解法得到金属锌；（2）、分离出铜脂、碳棒后，剩余的二氧化锰残留物和水锰石经煅烧后制得二氧化锰。与上述人工分选和火法回收相比，这一方法回收和处理的有害成分不全面。

事实上，上述三种方法也还是会有遗留的有害物质的，特别是湿法回收的问题更严重。为此，需要在回收利用当中兼顾二次污染的预防。采取的方法是在上述三种方法中同时加入一些分选和提取步骤，延长回收加工过程，使上述方法中过于粗糙的部分更加细化，尽量恢复干电池在制成前的“原生态”，恢复铜、铁、锰、锌等的自然形态。这样，在回收过程中遗留下的溶液或者灰渣也就是没有污染的了。

三项指标

一、标称电压，通俗讲就是正常工作时的路端电压，严格说是新电池电压值到最低电压值时间的平均电压。新电池或刚充完电的电池电压会略高于额定电压，开始使用后马上就会落到这一值上，此后能在这一值上保持较长的时间。当低于该电压后，电池电压就会较快地下降，直至不能使用。

二、容量：电池的电能量，一般用mAh，500mAh则表示此电池以50mA的电流放电，能工作10小时。这样的计量较为粗糙，因为不同性质的电池在以不同电流放电时，工作时间是不成线性比例的。故较严格的电池容量是用对多少欧姆电阻能放电多少时间来表示，并且放电方式还有连续、间隙和短时等差别。例如，某品牌碱性电池，对10欧姆负载，连续放电至0.9伏的时间≥20小时；对1.8欧姆负载，每分钟放电15秒，放至0.9伏的次数≥660。前者的放电条件相当于较大录音机或普通电动玩具，后者则类似闪光灯充电。越是新颖高品质的电池，容量的线性也越好。

三、存放期和自放电率，一般一次性电池有存放时间，约2-3年左右。这是由于电池在自由放置进的放电效应引起的，充电电池由于自放电率较高，一般直接给出自放电率，每月百分之几（[%]/月）。

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