物美价廉的新型电池——高铁电池

高铁电池（如图1）是铁电池的一种，是以高铁酸盐（如：K2FeO4、BaFeO4）作为电池正极的一种新型化学电池。其具有能量密度大、放电稳定、体积小、重量轻、寿命长、不消耗电解液、无污染等优

点，特别适合需要大功率、大电流的场合，如数码相机、摄影机等电子产品，与锂电池相比，高铁电池性价比更高。

高铁电池的优点：

目前市场上的民用电池比功率只有60- 135w/kg,而高铁电池可以达到1000w/kg以上，放电电流是普通电池的3－10倍。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。高铁酸锂的理论容量高达601Ah/kg。高铁酸钡的理论容量也有313 Ah/kg。而MnO2 的容量为308Ah/kg。

高铁电池放电稳定。 如Zn-K2FeO4 ， 70%以上的放电时间在1.2-1.5V。

制造高铁电池的原料丰富，铁是地壳中最为丰富的元素之一，铁在地壳中的含量为4.75%（与之相比，锌锰电池的主要原料锰的含量为0.088%）。同时每mol+6价铁能产生3mol电子，而每mol+ 4价锰仅能产生1mol电子，铁的用量仅是锰的1/3，大大节约了资源，降低了原料的成本。市面上MnO2大约9000元/ 每吨，Fe(NO3)3大

图1

约7500元/每吨。

而且高铁电池绿色无污染。高铁酸盐放电后的产物为FeO-OH或Fe2O3-H2O，无毒无污染，对环境友好。不需要回收。

高铁电池的正极：

高铁电池的正极材料是高铁酸盐，比如：K2FeO4、BaFeO4等，在电池放电反应中，+6价铁得到3 个电子，转化为+3价铁（一般为铁的氧化物），所以有相对较高的容量。

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:

K2FeO4 + 3/2 Zn ----→ 1/2 Fe2O3 + 1/2 ZnO + K2ZnO2 高铁电池的负极：

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，其电极电势较低，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Zn负极，在应用高铁电池应用中有着一定的优势，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，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。 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失去电子形成稳定的+2价和+3价氢氧化物：

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 + e Eθ= -0.56V ； 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。 (放电曲线如下图)

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。

本文涉及数据以及 图1 均来自互联网

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城环学院 环境工程1班 李永宾 20106358