鐵電池

iron cell（鐵電池）、iron cathode（鐵陰極）、iron cement（鐵質膠合劑,含鐵水泥）等。

單純的鐵電池，安全性相對強一些；但也不如另一種形式的儲存電能的裝置——超級電容器，又叫法拉電容。因為充電電池是化學電池，充放電過程就是一個可逆的過程，都有危險性。

而鋰鐵電池，因為有鋰離子，電壓過高容易產生鋰枝晶，也就是生成了單質鋰，容易發生短路，造成危險。

所以，大家在使用鋰鐵電池時候，尤其是充電的時候，要注意安全，不要超過許可電壓。

鎳鐵電池由愛迪生在1901年發明，當時被用作電動汽車的能源，比如底特律電動車(Detroit Electric)。鎳鐵電池與鎳鎘電池相比，最大的優勢是價格低廉，但由於這類電池充電效率低，以及後來制氫技術的大發展，鎳鐵電池技術逐漸衰落。

愛迪生在1903到1940年間製造這些電池，為公司帶來了可觀的利潤。但使愛迪生失望的是，沒有人接受用他的電池來啓動內燃機，而上述的電動汽車在引進這些電池的幾年後就停產了。最後，這種電池只是在鐵路信號發送及備用電源方面得到廣泛的應用。

高能高容量，市場上的民用電池比功率只有60~135W/kg,而高鐵電池可以達到1000W/kg以上，放電電流約為普通電池的3~10倍，特別適合需要大功率、大電流的場合。

高鐵電池放電曲線平坦，如Zn-K₂FeO₄電池，約70%以上的放電時間其放電電壓在1.2~1.5V。

高鐵電池電極原料豐富，地殼中最為豐富的金屬元素為鋁和鐵，鐵在地殼中的含量為4.75%,錳的含量為0.088%。同時每摩爾+6價Fe能產生3mol e⁻，而每摩爾+4價Mn僅能產生1mol e⁻，鐵的儲量在自身非常豐富的情況下，產生等物質的量的e⁻其用量僅為錳的⅓，大大節約了社會資源，降低了原料的成本。市面上MnO₂大約9000￥/t，Fe(NO₃)₃大約7500￥/t。高鐵酸鹽綠色無污染，其放電後的產物為FeOOH或Fe₂O₃·H₂O，無毒無污染，對環境友好，無需回收再處理。

為了進一步降低汽車尾氣給環境帶來的污染，我們採取着不同措施，一些新能源不斷被利用到現代的汽車中，比如天然氣，氫能源，電動能源，燃料電池等，而燃料電池就是各個汽車廠家和科研機構着力研究的一個方向。

國內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定的高鐵酸鹽(如K₂FeO₄、BaFeO₄等)作為高鐵電池的正極材料製作的，具有能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染等特點的新型化學電池；另一種是鋰鐵電池，主要是磷酸鐵電池，開路電壓在3.0~3.6V，工作電壓在2.5V~3.3V，而且放電平穩、無污染、安全、性能優良。

高鐵酸鹽作為電池的正極材料時, 該電極反應為三電子反應, 電池的電勢以及能量都比傳統的鋅錳電池高。而且這種材料價格低廉對環境無污染, 因此受到電化學界的廣泛注意。

高鐵酸鹽物質在電池反應中可以得到3個電子, 所以有相對較高的容量。從表1可以看出，高鐵酸鋰的理論容量高達601Ah/kg，高鐵酸鋇的理論容量也有313Ah/kg，而二氧化錳的容量為308Ah/kg。

以高鐵酸鹽為正極材料取代商業鋅錳電池中的MnO₂即可組成高鐵一次電池。

其電池反應為:

MFeO4₄+3/2Zn→1/2Fe₂O₃+1/2ZnO+MZnO₂

圖1是高鐵酸鉀—鋅電池和鋅—錳電池放電曲線比較。7號電池在0.5mA/cm²的電流密度下恆電流放電，K₂FeO₄作正極材料對Zn的平均放電電壓是1.58V。該電壓高出鋅錳電池平均放電電壓(1.27V)24% , 前者的放電容量比後者高32%。在以上條件下其放電效率為85%。與傳統的鋅錳電池相比, 高鐵一次電池具有高電壓(OPV: 1.9V)、高能量(1.55Wh,AAA)、不消耗電解液和不污染環境等優點。

在高鐵電池中，可作為電池負極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。

根據鋅的金屬特性，其平衡電位較負，電化當量較高，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，價格便宜，來源豐富。在化學電源中得到廣泛的應用。

在鹼性溶液中，鋅電極反應除了形成鋅酸鹽外，最終產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⁻,

總反應為:Zn+2OH⁻→ZnO+H₂O+2e⁻.

對於鋅負極，在應用於高鐵電池中有着一定的優勢，因為鋅電極作為負極材料在鹼性溶液中有着較成熟的理論和工藝積累。研究Zn-MFeO₄電池時，在緩蝕劑、導電劑、隔膜、集流體以及製造工藝等方面有許多可借鑑的技術。

鋁作為高鐵電池的負極，會遇到兩個問題：一是鋁在鹼性溶液中的自腐蝕問題，在強鹼性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時產生大量的氫氣，對高鐵酸鹽來説，穿過隔膜的氫氣會加速高鐵酸鹽的分解；二是鋁在陽極過程中表面產生沉積物會阻止電極的反應，使陽極過電位升高，降低了陽極的電壓效率。可以通過合金化和電解液添加劑這兩個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構，提高鋁的陽極電位，同時增強鋁抗自腐蝕的能力。在電解液中添加其它物質也可以改善電極反應產物的晶型, 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活化電極起到有效的作用。

鐵作為電池負極在鹼性溶液中的電極反應比較複雜，鐵失去電子形成穩定的+2價和+3價氫氧化物，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)

然後，2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O

在鹼性溶液中，鐵最初形成+2價產物，二價鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n 絡合物，在繼續放電時生成+3價鐵，而且由+3價鐵與+2價鐵相互作用形成Fe3O4。

鐵與高鐵酸鹽組成電池時，電池的開路電壓為1.5V左右，隨着高鐵酸鹽的類型而有少許變化。由鐵電極的放電曲線可知，鐵負極在放電時有兩個放電平台，第一個放電平台對應的是Fe向Fe(OH)2的轉化；第二個放電平台對應的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應，第一個放電平台到第二個放電平台電壓會降低0.3V左右。實際上，第二個平台的放電容易受到很多因素的影響。如第二次放電產物和高鐵酸鹽的反應產物 Fe(OH)3會與Fe(OH)2形成Fe3O4，影響了Fe(OH)2的放電。鐵負極與高鐵酸鉀組成的單體電池在第一放電平台的理論容量應為285.3mAh/g。

鎘與高鐵酸鹽組成電池時，單體電池開路電壓的理論值應在1.4V左右。鎘的電化當量為477mAh/g，與K2FeO4組成電池的理論容量為219mAh/g。

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鹼性水溶液中也很不穩定。因此，以高鐵酸鹽為正極材料的化學電源的水溶液體系只能是濃的強鹼水溶液。在鹼性水溶液中，可作為電池負極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。

高鐵酸鹽在一些非水性有機介質如乙腈、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）中也非常穩定，而且幾乎是不溶的。這使得高鐵酸鹽可以作為非水性電解液電池的正極材料。使得鋰電池具有高電壓、高比能量的特點，在醫藥、軍事、航海和電子等領域得到廣泛應用。

電池的放電特性及壽命。

STL18650的鋰鐵電池（容量為1100mAh）在不同的放電率時其放電特性如圖2所示。最小的放電率為0.5C，最大的放電率為10C，五種不同的放電率形成一組放電曲線。由圖1中可看出，不管哪一種放電率，其放電過程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時，曲線才向下彎曲（放電量達到800mAh以後才出現向下彎曲）。在0.5～10C的放電率範圍內，輸出電壓大部分在2.7～3.2V範圍內變化。這説明該電池有很好的放電特性。

圖1 STL18650的放電特性

容量為1000mAh的STL18650在不同的温度條件下（從-20～+40℃）的放電曲線如圖2所示。如果在23℃時放電容量為100%，則在0℃時的放電容量降為78%，而在-20℃時降到65%，在+40℃放電時其放電容量略大於100%。

從圖3中可看出，STL18650鋰鐵電池可以在-20℃下工作，但輸出能量要降低35%左右。

圖2 STL18650在多温度條件下的放電曲線

STL18650的充放電循環壽命曲線如圖4所示。其充放電循環的條件是：以1C充電率充電，以2C放電率放電，歷經570次充放電循環。從圖3的特性曲線可看出，在經過570次充放電循環，其放電容量未變，説明該電池有很高的壽命。

圖3 STL18650的充放電循環壽命曲線

過放電到零電壓試驗