中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前，世界各國都在為研發(fā)汽車新能源，進(jìn)一步降低汽車尾氣對(duì)環(huán)境帶來的污染，采取著不同措施，一些新能源不斷被利用到現(xiàn)代的汽車中，比如天然氣，氫能源，電動(dòng)能源，燃料電池等，而燃料電池就是各個(gè)汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)著力研究的一個(gè)方向。在目前的燃料電池技術(shù)中，有一種新的電池技術(shù)-----鐵電池技術(shù)。
目前國內(nèi)外研討的鐵電池有高鐵電池和鋰鐵池兩種。高鐵電池是一種以合成穩(wěn)定的高鐵酸鹽(K2FeO4、BaFeO4等)作為高鐵電池的正極材料制作的，具有能量密度大、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無污染等特點(diǎn)的新型化學(xué)電池;另一種是鋰鐵電池，主要是磷酸鐵電池，開路電壓在1.78V-1.83V，工作電壓在1.2V-1.5V，比其他一次電池高0.2-0.4V，而且放電平穩(wěn)、無污染、安全、性能優(yōu)良。
高鐵電池作為電池正極的一種新型化學(xué)電池。其具有能量密度大、放電穩(wěn)定、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、不消耗電解液、無污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適合需要大功率、大電流的場(chǎng)合，如數(shù)碼相機(jī)、攝影機(jī)等電子產(chǎn)品，與鋰電池相比，高鐵電池性價(jià)比更高。
高鐵電池的優(yōu)點(diǎn)：
目前市場(chǎng)上的民用電池比功率只有60-135w/kg,而高鐵電池可以達(dá)到1000w/kg以上，放電電流是普通電池的3-10倍。高鐵酸鹽物質(zhì)在電池反應(yīng)中可以得到3個(gè)電子,所以有相對(duì)較高的容量。高鐵酸鋰的理論容量高達(dá)601Ah/kg。高鐵酸鋇的理論容量也有313Ah/kg。而MnO2的容量為308Ah/kg。高鐵電池放電穩(wěn)定。如Zn-K2FeO4，70%以上的放電時(shí)間在1.2-1.5V。制造高鐵電池的原料豐富，鐵是地殼中最為豐富的元素之一，鐵在地殼中的含量為4.75%(與之相比，鋅錳電池的主要原料錳的含量為0.088%)。同時(shí)每mol+6價(jià)鐵能產(chǎn)生3mol電子，而每mol+4價(jià)錳僅能產(chǎn)生1mol電子，鐵的用量?jī)H是錳的1/3，大大節(jié)約了資源，降低了原料的成本。市面上MnO2大約9000元/每噸，F(xiàn)e(NO3)3大約7500元/每噸。且高鐵電池綠色無污染。高鐵酸鹽放電后的產(chǎn)物為FeO-OH或Fe2O3-H2O，無毒無污染，對(duì)環(huán)境友好。不需要回收。
高鐵電池的正極：
高鐵電池的正極材料是高鐵酸鹽，比如：K2FeO4、BaFeO4等，在電池放電反應(yīng)中，+6價(jià)鐵得到3個(gè)電子，轉(zhuǎn)化為+3價(jià)鐵(一般為鐵的氧化物)，所以有相對(duì)較高的容量。
以高鐵酸鹽為正極材料取代商業(yè)鋅錳電池中的MnO2即可組成高鐵一次電池。其電池反應(yīng)為:
K2FeO4+3/2Zn—→1/2Fe2O3+1/2ZnO+K2ZnO2
高鐵電池的負(fù)極：
在高鐵電池中，可作為電池負(fù)極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。
1、鋅(Zn)
根據(jù)鋅的金屬特性，其電極電勢(shì)較低，因而比能量和比功率都比較高。而且鋅具有較好的放電性能，價(jià)格便宜，來源豐富。在化學(xué)電源中得到廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用形式主要有Zn-MnO2電池和Zn-空氣電池。
在堿性溶液中，鋅電極反應(yīng)除了形成鋅酸鹽外，最終產(chǎn)物主要為固相的氧化鋅：
Zn+2OH—→Zn(OH)2+2e;
Zn(OH)2+2OH—→Zn(OH)42-;
Zn(OH)42—→ZnO+H2O+2OH-;
總反應(yīng)為：Zn+2OH—→ZnO+H2O+2e
對(duì)于Zn負(fù)極，在應(yīng)用高鐵電池應(yīng)用中有著一定的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇\電極作為負(fù)極材料在堿性溶液中有著較成熟的理論和工藝積累，有許多可借鑒的技術(shù)。
2、鋁
鋁作為高鐵電池的負(fù)極，會(huì)遇到兩個(gè)問題：
一是鋁在堿性溶液中的腐蝕問題：在強(qiáng)堿性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時(shí)產(chǎn)生大量的氫氣，對(duì)高鐵酸鹽來說，穿過隔膜的氫氣會(huì)加速高鐵酸鹽的分解;
二是鋁在陽極過程中表面產(chǎn)生沉積物會(huì)阻止電極的反應(yīng)。
可以通過合金化和電解液添加劑這兩個(gè)途徑來克服上述問題。
通過添加一些元素形成二元或多元鋁合金，如添加Ga、Sn、In等金屬可以改變鋁表面沉積物的組成結(jié)構(gòu)，提高鋁的陽極電位，同時(shí)增強(qiáng)鋁抗自腐蝕的能力。在電解液中添加其它物質(zhì)也可以改善電極反應(yīng)產(chǎn)物的晶型,從而起到抑制腐蝕和提高陽極電位的作用。如添加In(OH)3可以有效減小腐蝕，而添加Ga2O3、Na2SnO3或檸檬酸鈉等都可以對(duì)活化電極起到有效的作用。
3、鐵
鐵作為電池負(fù)極在堿性溶液中失去電子形成穩(wěn)定的+2價(jià)和+3價(jià)氫氧化物：
Fe+nOH—→Fe(OH)n2-n+2e;
Fe(OH)n2-n—→Fe(OH)2+(n-2)OH-E°=-0.877V;
Fe(OH)2+OH—→Fe(OH)3+eEθ=-0.56V;
然后，2Fe(OH)3+Fe(OH)2—→Fe3O4+4H2O
在堿性溶液中，鐵最初形成+2價(jià)產(chǎn)物，二價(jià)鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n絡(luò)合物，在繼續(xù)放電時(shí)生成+3價(jià)鐵，而且由+3價(jià)鐵與+2價(jià)鐵相互作用形成Fe3O4。
鐵與高鐵酸鹽組成電池時(shí)，電池的開路電壓為1.5V左右，隨著高鐵酸鹽的類型而有少許變化。由鐵電極的放電曲線可知，鐵負(fù)極在放電時(shí)有兩個(gè)放電平臺(tái)，第一個(gè)放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是Fe向Fe(OH)2的轉(zhuǎn)化;第二個(gè)放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應(yīng)，第一個(gè)放電平臺(tái)到第二個(gè)放電平臺(tái)電壓會(huì)降低0.3V左右。實(shí)際上，第二個(gè)平臺(tái)的放電容易受到很多因素的影響。如第二次放電產(chǎn)物和高鐵酸鹽的反應(yīng)產(chǎn)物Fe(OH)3會(huì)與Fe(OH)2形成Fe3O4，影響了Fe(OH)2的放電。鐵負(fù)極與高鐵酸鉀組成的單體電池在第一放電平臺(tái)的理論容量應(yīng)為285.3mAh/g。
4、鎘
鎘與高鐵酸鹽組成電池時(shí)，單體電池開路電壓的理論值應(yīng)在1.4V左右。鎘與K2FeO4組成電池的理論容量為219mAh/g。
高鐵電池電解液：
1、水溶液體系
高鐵電池的正極材料為高鐵酸鹽，而高鐵酸鹽的可溶性比較差，即使在在中性及至弱堿性水溶液中也很不穩(wěn)定。因此，以高鐵酸鹽為正極材料的化學(xué)電源的水溶液體系只能是濃的強(qiáng)堿水溶液。在堿性水溶液中，可作為電池負(fù)極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。
2、非水體系
高鐵酸鹽在一些非水性有機(jī)介質(zhì)如乙腈、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、乙二醇二甲醚(DEM)和四氫呋喃(THF)中也非常穩(wěn)定，而且?guī)缀跏遣蝗艿?。這使得高鐵酸鹽可以作為非水性電解液電池的正極材料。目前非水電解液中使用的負(fù)極材料主要是鋰。
鋰鐵電池
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池(以下簡(jiǎn)稱鋰鐵電池)作為鐵電池的一種，一直受到業(yè)界朋友的廣泛關(guān)注(也有人說鋰鐵電池其實(shí)就是鋰離子電池的一種)。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點(diǎn)在于，安全、價(jià)格便宜、環(huán)保。
首先，磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的。它和其他磷酸鹽的安全性能也基本一樣，用磷酸鐵鋰做電池，不用擔(dān)心爆炸問題。其次，穩(wěn)定性高，高溫充電的容量穩(wěn)定性好，儲(chǔ)存性能好。這點(diǎn)是最大的優(yōu)點(diǎn)，在所有知道的材料中也是最好的。此外，整個(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒。所有原料都無毒。并且磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料，這些材料都十分便宜。鐵電池研發(fā)現(xiàn)狀
根據(jù)鋰鐵電池的眾多優(yōu)點(diǎn)，并且伴隨著磷酸鐵鋰做電池技術(shù)的成熟，該技術(shù)正在被企業(yè)推向市場(chǎng)。國內(nèi)目前已經(jīng)有很多公司在做測(cè)試、研究。而高鐵電池作為電池中的一種新興技術(shù)，目前在國內(nèi)還沒有太多的研發(fā)，只有比亞迪一家在新車型F3DM上使用了高鐵電池。但是，作為能量密度大、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無污染的新型化學(xué)電池，將來一定會(huì)有更好的應(yīng)用前景。技術(shù)變商品前景看好，雖然要想完全市場(chǎng)化仍存在一些現(xiàn)實(shí)問題，如政府的支持力度、消費(fèi)者的認(rèn)同、充電設(shè)備的建設(shè)等，但是隨著技術(shù)的成熟，鋰鐵電池將會(huì)有更好的發(fā)展。在國外，有很多生產(chǎn)廠家都在研究動(dòng)力電池，而在國內(nèi)，雖然目前只有比亞迪一家成功推出了“鐵電池”概念，并應(yīng)用在了其生產(chǎn)的F3DM車型上，但這畢竟是大膽地嘗試了將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，這種商業(yè)化運(yùn)作模式為其他致力于生產(chǎn)電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的企業(yè)帶來了很大的啟示，也為電池制造企業(yè)指了條明路。相信，隨著燃料電池技術(shù)在汽車上的應(yīng)用的不斷成熟，“鐵電池”技術(shù)將會(huì)擁有更大的用武之地。
原標(biāo)題:新型化學(xué)電池：鐵電池
