高铁电池技术原理

高铁电池技术原理

目前，世界各国都在为研发汽车新能源，进一步降低汽车尾气对环境带来的污染，采取着不同措施，一些新能源不断被利用到现代的汽车中，比如天然气，氢能源，电动能源，燃料电池等，而燃料电池就是各个汽车厂家和科研机构着力研究的一个方向。

在目前的燃料电池技术中，有一种新的电池技术-----铁电池技术。

目前国内外研讨的铁电池有高铁电池和锂铁池两种。高铁电池是一种以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）作为高铁电池的正极材料制作的，具有能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特点的新型化学电池；另一种是锂铁电池，主要是磷酸铁电池，开路电压在1.78V-1.83V，工作电压在1.2V-1.5V，比其他一次电池高0.2-0.4V，而且放电平稳、无污染、安全、性能优良。

高铁电池技术简介

高铁作为电池的正极材料时,该电极反应为三电子反应,电池的电势以及能量都比传统的锌锰电池高。而且这种材料价格低廉对环境无污染,因此受到电化学界的广泛注意。

高铁酸盐物质在电池反应中可以得到3个电子,所以有相对较高的容量。从表1可以看出,高铁酸锂的理论容量高达601Ah/kg。高铁酸钡的理论容量也有313Ah/kg。而MnO2的容量为308Ah/kg。

以高铁酸盐为正极材料取代商业锌锰电池中的MnO2即可组成高铁一次电池。其电池反应为:

MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MznO2

图1是高铁酸钾—锌电池和锌—锰电池放电曲线比较。7号电池在0.5mA/cm2的电流密度下恒电流放电,K2FeO4正极材料对Zn的平均放电电压是1.58V。该电压高出锌锰电池平均放电电压(1.27V)24%,前者的放电容量比后者高32%。在以上条件下其放电效率为85%。与传统的锌锰电池相比,高铁一次电池具有高电压(OpV:1.9V)、高能量(1.55Wh,AAA)、不消耗电解液和不污染环境等优点。

高铁电池电解液及常用的负极材料

在高铁电池中，可作为电池负极的材料也很多，包括锌、铝、铁、镉和镁等。

1、锌（Zn）

根据锌的金属特性，其平衡电位较负，电化当量较高，因而比能量和比功率都比较高。而且锌具有较好的放电性能，价格便宜，来源丰富。在化学电源中得到广泛的应用。目前应用形式主要有Zn-MnO2电池和Zn-空气电池。

在碱性溶液中，锌电极反应除了形成锌酸盐外，最终产物主要为固相的氧化锌：

Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e

Zn(OH)2+2OH-→Zn(OH)42-

Zn(OH)42-→ZnO+H2O+2OH-

总反应为：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e

对于锌负极，在应用于高铁电池中有着一定的优势，因为锌电极作为负极材料在碱性溶液中有着较成熟的理论和工艺积累。研究Zn-MFeO4电池时，在缓蚀剂、导电剂、隔膜、集流体以及制造工艺等方面有许多可借鉴的技术。

2、铝

铝作为高铁电池的负极，会遇到两个问题：一是铝在碱性溶液中的自腐蚀问题，在强碱性溶液中，铝的溶解速度很快，同时产生大量的氢气，对高铁酸盐来说，穿过隔膜的氢气会加速高铁酸盐的分解；二是铝在阳极过程中表面产生沉积物会阻止电极的反应，使阳极过电位升高，降低了阳极的电压效率。可以通过合金化和电解液添加剂这两个途径来克服上述问题。通过添加一些元素形成二元或多元铝合金，如添加Ga、Sn、In等金属可以改变铝表面沉积物的组成结构，提高铝的阳极电位，同时增强铝抗自腐蚀的能力。在电解液中添加其它物质也可以改善电极反应产物的晶型,从而起到抑制腐蚀和提高阳极电位的作用。如添加In(OH)3可以有效减小腐蚀，而添加Ga2O3、Na2SnO3或柠檬酸钠等都可以对活化电极起到有效的作用。

3、铁

铁作为电池负极在碱性溶液中的电极反应比较复杂，铁失去电子形成稳定的+2价和+3价氢氧化物，即，

Fe+nOH-→Fe(OH)n2-n+2e

Fe(OH)n2-n→Fe(OH)2+(n-2)OH-E°=-0.877V(vs.SHE)

Fe(OH)2+OH-→Fe(OH)3+eE°=-0.56V(vs.SHE)

然后，2Fe(OH)3+Fe(OH)2→Fe3O4+4H2O

在碱性溶液中，铁最初形成+2价产物，二价铁与电解液形成Fe(OH)n2-n络合物，在继续放电时生成+3价铁，而且由+3价铁与+2价铁相互作用形成Fe3O4。

铁与高铁酸盐组成电池时，电池的开路电压为1.5V左右，随着高铁酸盐的类型而有少许变化。由铁电极的放电曲线可知，铁负极在放电时有两个放电平台，第一个放电平台对应的是Fe向Fe(OH)2的转化；第二个放电平台对应的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反应，第一个放电平台到第二个放电平台电压会降低0.3V左右。实际上，第二个平台的放电容易受到很多因素的影响。如第二次放电产物和高铁酸盐的反应产物Fe(OH)3会与Fe(OH)2形成Fe3O4，影响了Fe(OH)2的放电。铁负极与高铁酸钾组成的单体电池在第一放电平台的理论容量应为285.3mAh/g。

4、镉

镉与高铁酸盐组成电池时，单体电池开路电压的理论值应在1.4V左右。镉的电化当量为477mAh/g，与K2FeO4组成电池的理论容量为219mAh/g。

高铁电池电解液

1、水溶液体系

高铁电池的正极材料为高铁酸盐，而高铁酸盐的可溶性比较差，即使在在中性及至弱碱性水溶液中也很不稳定。因此，以高铁酸盐为正极材料的化学电源的水溶液体系只能是浓的强碱水溶液。在碱性水溶液中，可作为电池负极的材料也很多，包括锌、铝、铁、镉和镁等。

2、非水体系

高铁酸盐在一些非水性有机介质如乙腈、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（pC）、乙二醇二甲醚（DEM）和四氢呋喃（THF）中也非常稳定，而且几乎是不溶的。这使得高铁酸盐可以作为非水性电解液电池的正极材料。目前非水电解液中使用的负极材料主要是锂。锂金属由于其密度小、电位高、电化学容量大、导电性好，使得锂电池具有高电压、高比能量的特点，在医药、特种、航海和电子等领域得到广泛应用。