铁电池详细资料
什么是铁电池
高铁电池技能原理简介
高铁电池电解液及常用的负极资料
锂铁电池作业原理及功能特色
锂铁电池的放电特性及寿数
铁电池的商业化出产远景
什么是铁电池
现在国内外研讨的铁电池有高铁和锂铁两种，比亚迪铁电池似为前者，除比亚迪外现在还没有其他厂家声称其产品能够大规划实用化。
高铁电池是以组成安稳的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等），可作为高铁电池的正极资料来制作能量密度大、体积小、重量轻、寿数长、无污染的新式化学电池。
铁电池的长处：
高能高容量。现在市场上的民用电池比功率只要60- 135w/kg,而高铁电池能够到达1000w/kg以上，放电电流是一般电池的3－10倍。特别合适需求大功率、大电流的场合。高铁电池性价比高。碱锰电池不能满意现在需大电流大容量用电的数码相机、开麦拉等电子产品的需求，锂离子电池因本钱在此方面不具很强的竞争力。
高铁电池放电曲线平整。 如Zn-K2FeO4 ， 70%以上的放电时刻在1.2-1.5V。
质料丰厚。地壳中最为丰厚的元素为铝和铁，铁在地壳中的含量为4.75%,锰的含量为0.088%。一起每mol+6价铁能发生3mol电子，而每mol+ 4价锰仅能发生1mol电子，铁的用量在本身非常丰厚的情况下，仅是锰的1/3，大大节省了社会资源，下降了质料的本钱。市面上MnO2大约9000元/ 每吨，Fe(NO3)3大约7500元/每吨。
绿色无污染。高铁酸盐放电后的产品为FeOOH或Fe2O3-H2O，无毒无污染，对环境友好。不需求收回。
高铁电池技能原理简介
现在，世界各国都在为研制轿车新动力，进一步下降轿车尾气对环境带来的污染，采纳着不同办法，一些新动力不断被利用到现代的轿车中，比方天然气，氢动力，电动动力，燃料电池等，而燃料电池便是各个轿车厂家和科研机构着力研讨的一个方向。
在现在的燃料电池技能中，有一种新的电池技能—–铁电池技能。
现在国内外研讨的铁电池有高铁电池和锂铁池两种。高铁电池是一种以组成安稳的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）作为高铁电池的正极资料制作的，具有能量密度大、体积小、重量轻、寿数长、无污染等特色的新式化学电池；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，作业电压在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、功能优秀。
高铁电池技能简介
高铁作为电池的正极资料时, 该电极反响为三电子反响, 电池的电势以及能量都比传统的锌锰电池高。而且这种资料价格低廉对环境无污染, 因此遭到电化学界的广泛留意。
高铁酸盐物质在电池反响中能够得到3 个电子, 所以有相对较高的容量。从表1 能够看出, 高铁酸锂的理论容量高达601Ah/kg。高铁酸钡的理论容量也有313 Ah/kg。而MnO2 的容量为308Ah/kg。
以高铁酸盐为正极资料替代商业锌锰电池中的MnO2 即可组成高铁一次电池。其电池反响为:
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 正极资料对Zn 的均匀放电电压是1.58V。该电压高出锌锰电池均匀放电电压( 1.27V) 24% , 前者的放电容量比后者高32% 。在以上条件下其放电功率为85%。与传统的锌锰电池比较, 高铁一次电池具有高电压( OPV: 1.9V) 、高能量( 1.55Wh, AAA) 、不必耗电解液和不污染环境等长处。
高铁电池电解液及常用的负极资料
在高铁电池中，可作为电池负极的资料也许多，包含锌、铝、铁、镉和镁等。
1、 锌（Zn）
依据锌的金属特性，其平衡电位较负，电化当量较高，因此比能量和比功率都比较高。而且锌具有较好的放电功能，价格廉价，来历丰厚。在化学电源中得到广泛的运用。现在运用方式主要有Zn-MnO2电池和Zn-空气电池。
在碱性溶液中，锌电极反响除了构成锌酸盐外，终究产品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-
总反响为：Zn + 2OH- →ZnO + H2O + 2e
关于锌负极，在运用于高铁电池中有着必定的优势，因为锌电极作为负极资料在碱性溶液中有着较老练的理论和工艺堆集。研讨Zn-MFeO4电池时，在缓蚀剂、导电剂、隔阂、集流体以及制作工艺等方面有许多可学习的技能。
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，一起发生许多的氢气，对高铁酸盐来说，穿过隔阂的氢气会加快高铁酸盐的分化；二是铝在阳极进程中外表发生沉积物会阻挠电极的反响，使阳极过电位升高，下降了阳极的电压功率。能够通过合金化和电解液增加剂这两个途径来战胜上述问题。通过增加一些元素构成二元或多元铝合金，如增加Ga、Sn、In等金属能够改动铝外表沉积物的组成结构，进步铝的阳极电位，一起增强铝抗自腐蚀的才能。在电解液中增加其它物质也能够改进电极反响产品的晶型, 然后起到按捺腐蚀和进步阳极电位的效果。如增加In(OH)3能够有用减小腐蚀，而增加Ga2O3、Na2SnO3或柠檬酸钠等都能够对活化电极起到有用的效果。
3、 铁
铁作为电池负极在碱性溶液中的电极反响比较复杂，铁失掉电子构成安稳的+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 + e E°= -0.56V (vs. SHE)
然后，2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O
在碱性溶液中，铁开始构成+2价产品，二价铁与电解液构成Fe(OH)n2-n 络合物，在持续放电时生成+3价铁，而且由+3价铁与+2价铁相互效果构成Fe3O4。
铁与高铁酸盐组成电池时，电池的开路电压为1.5V左右，跟着高铁酸盐的类型而有少量改变。由铁电极的放电曲线可知，铁负极在放电时有两个放电渠道，榜首个放电渠道对应的是Fe向Fe(OH)2的转化；第二个放电渠道对应的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反响，榜首个放电渠道到第二个放电渠道电压会下降0.3V左右。实际上，第二个渠道的放电简单遭到许多要素的影响。如第2次放电产品和高铁酸盐的反响产品 Fe(OH)3会与Fe(OH)2构成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榜首放电渠道的理论容量应为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、水溶液系统
高铁电池的正极资料为高铁酸盐，而高铁酸盐的可溶性比较差，即便在在中性及至弱碱性水溶液中也很不安稳。因此，以高铁酸盐为正极资料的化学电源的水溶液系统只能是浓的强碱水溶液。在碱性水溶液中，可作为电池负极的资料也许多，包含锌、铝、铁、镉和镁等。
2、非水系统
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）中也非常安稳，而且几乎是不溶的。这使得高铁酸盐能够作为非水性电解液电池的正极资料。现在非水电解液中运用的负极资料主要是锂。锂金属因为其密度小、电位高、电化学容量大、导电性好，使得锂电池具有高电压、高比能量的特色，在医药、军事、帆海和电子等范畴得到广泛运用。
锂铁电池作业原理及功能特色
锂铁电池的全名是磷酸铁锂锂离子电池，因为其功能特别合适于动力方面的运用，因此也有人叫它“锂铁动力电池”。（以下简称“锂铁电池”）
锂铁电池的作业原理（LiFePO4）
LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左面是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极衔接，中心是聚合物的隔阂，它把正极与负极离隔，但锂离子Li+能够通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极衔接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。
LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔阂向负极搬迁；在放电进程中，负极中的锂离子Li+通过隔阂向正极搬迁。锂离子电池便是因锂离子在充放电时来回搬迁而命名的。
LiFePO4电池主要功能
LiFePO4电池的标称电压是3.2 V、停止充电电压是3.6V、停止放电压是2.0V。因为各个出产厂家选用的正、负极资料、电解质资料的质量及工艺不同，其功能上会有些差异。例如同一品种型（同一种封装的规范电池），其电池的容量有较大不同（10%～20%）。
磷酸铁锂电池的特色
1、功率输出：规范放电为2～5C、接连高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；
2、温时功能杰出：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、无缺；
3、使电池内部或外部遭到损伤，电池不焚烧、不爆破、安全性最好；
4、好的循环寿数，经500次循环，其放电容量仍大于95%；
5、放电到零伏也无损坏；
6、快速充电；
7、本钱；
8、环境无污染。
锂铁电池的放电特性及寿数
磷酸铁锂动力电池（以下简称锂铁电池）作为铁电池的一种，一向遭到业界朋友的广泛重视（也有人说锂铁电池其实便是锂离子电池的一种）。就铁电池而言，它能够分为高铁电池和锂铁电池，今日咱们以类型为STL18650的锂铁电池为例，来详细阐明一下锂铁的电池的放电特性及寿数。
STL18650的锂铁电池（容量为1100mAh）在不同的放电率时其放电特性如图2所示。最小的放电率为0.5C，最大的放电率为10C，五种不同的放电率构成一组放电曲线。由图1中可看出，不论哪一种放电率，其放电进程中电压是很平整的（即放电电压平稳，根本坚持不变），只要快到停止放电电压时，曲线才向下曲折（放电量到达800mAh今后才呈现向下曲折）。在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2V范围内改变。这阐明该电池有很好的放电特性。
图1 STL18650的放电特性
容量为1000mAh的STL18650在不同的温度条件下（从-20～+40℃）的放电曲线如图2所示。如果在23℃时放电容量为100%，则在0℃时的放电容量降为78%，而在-20℃时降到65%，在+40℃放电时其放电容量略大于100%。
从图3中可看出，STL18650锂铁电池能够在-20℃下作业，但输出能量要下降35%左右。
图2 STL18650在多温度条件下的放电曲线
STL18650的充放电循环寿数曲线如图4所示。其充放电循环的条件是：以1C充电率充电，以2C放电率放电，历经570次充放电循环。从图3的特性曲线可看出，在通过570次充放电循环，其放电容量未变，阐明该电池有很高的寿数。
图3 STL18650的充放电循环寿数曲线
过放电到零电压实验
选用STL18650（1100mAh）的锂铁动力电池做过放电到零电压实验。实验条件：用0.5C充电率将1100mAh的STL18650电池充溢，然后用1.0C放电率放电到电池电压为0C。再将放到0V的电池分两组：一组寄存7天，另一组寄存30天；寄存到期后再用0.5C充电率充溢，然后用1.0C放电。最终比较两种零电压寄存期不同的不同。
实验的结果是，零电压寄存7天后电池无走漏，功能杰出，容量为100%；寄存30天后，无走漏、功能杰出，容量为98%；寄存30天后的电池再做3次充放电循环，容量又康复到100%。
这实验阐明该电池即便呈现过放电（乃至到0V），并寄存必定时刻，电池也不走漏、损坏。这是其他品种锂离子电池不具有的特性。
铁电池的商业化出产远景
铁电池是在锂电池基础上的优化、更新。从本钱上讲，铁比锂更低。而且，地球上金属类含量最高的便是铁，处处能够获得，所以具有先天的优势。相比照本来的锂电池造价更低的本钱优势，因为铁电池的定价跟原资料选用有直接关系，因此造价自然会低许多。
锂铁电池具有许多的长处，从资料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入／脱嵌进程，这一原理与钴酸锂，锰酸锂彻底相同。磷酸铁锂电池的长处在于，安全、价格廉价、环保。
首要，磷酸铁锂的安全功能是现在一切的资猜中最好的。它和其他磷酸盐的安全功能也根本相同，用磷酸铁锂做电池，不必忧虑爆破问题。
其次，安稳性高，高温充电的容量安稳性好，贮存功能好。这点是最大的长处，在一切知道的资猜中也是最好的。
此外，整个出产进程清洁无毒。一切质料都无毒。而且磷酸盐选用磷酸源和锂源以及铁源为资料，这些资料都非常廉价。
铁电池研制现状
依据锂铁电池的许多长处，而且伴跟着磷酸铁锂做电池技能的老练，该技能正在被企业推向市场。
07年3月，北京大学与北大先行科技产业有限公司联合申报的“磷酸铁锂产业化技能”经北京市政府同意进入“北京新资料工程中心”第一批当选项目。10月25日，北京赵凤桐副市长亲自为“磷酸铁锂产业化基地”授牌。项目由政府赞助金额180万元，将构成具自主知识产权的“能量型”和“功率型”两大产品规格系列及300吨/年的出产线，建造周期为2007年1月至2008年12月。
上月，天津斯特兰动力科技有限公司是现在国际上少量几家专业出产磷酸盐系列锂电正极资料的公司之一。该公司年产量到达500吨，并计划在未来两年内到达年产2000吨的规划。
事实上，几年前美国Valence(威能)公司和A123(高博)公司，就已在国内(江苏)有资料出产企业出产磷酸铁锂正极资料，然后选用托付其他电池公司代工出产电池出口。
国内现在已经有许多公司在做测验、研讨。北京中辉振宇科技有限责任公司，山西力之源电池资料有限公司、东莞市杉杉电池资料有限公司都在测验批量出产。
而高铁电池作为电池中的一种新式技能，现在在国内还没有太多的研制，只要比亚迪一家说是在新车型F3DM上运用了高铁电池。可是，作为能量密度大、体积小、重量轻、寿数长、无污染的新式化学电池，将来必定会有更好的运用远景。
技能变产品 远景看好
尽管要想彻底市场化仍存在一些现实问题，如政府的支撑力度、顾客的认同、充电设备的建造等，可是跟着技能的老练，锂铁电池将会有更好的开展。
在国外，有许多出产厂家都在研讨动力电池，而在国内，尽管现在只要比亚迪一家成功推出了“铁电池”概念，并运用在了其出产的F3DM车型上，但这毕竟是斗胆地测验了将技能转化为产品，这种商业化运作形式为其他致力于出产电动轿车及混合动力轿车的企业带来了很大的启示，也为电池制作企业指了条明路。信任，跟着燃料电池技能在轿车上的运用的不断老练，“铁电池”技能将会具有更大的用武之地。
