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随着石油的日益枯竭,人们已将注意力转移到绿色环保的电动车辆上。铁电极具有理论比容量高、循环寿命长、性价比高、铁资源丰富、无毒、抗机械振动、抗过充、抗深放等特性,适合应用于汽车电池中。因为铁镍电池具有在电动车辆上重新应用的可能性,所以值得进一步研究铁电极。我们相信随着铁电极被进一步研究,人们的兴趣将重新聚焦到铁电极和铁镍电池上。
Fe<,3>O<,4>通常被选作铁镍电池中的负极材料。以无机合成法合成了高纯度的四氧化三铁粉末,经SEM测量颗粒大小在300-600纳米之间,经XRD表征为单相Fe<,3>O<,4>。ICP定量分析表明合成Fe<,3>O<,4>样品中有害杂质Mn,Cr,Ca,Al,Si,Ba,V,Sr的含量全部低于购买样品,其中尤其杂质Si,Cr,Mn,Ca的含量之购买样品与合成样品的比分别高达18.64,6.00,4.27和4.17倍。表明合成中,控制杂质Si,Cr:Mn,Ca的含量很重要。研究表明以合成Fe<,3>O<,4>不加任何添加剂所制作的铁电极平台一放电比容量450.4mAh(g-Fe)<-1>和总比容量678.1 mAh(g-Fe)<-1>比文献压成式铁电极的288.7 mAh(g-Fe)<-1>和429.4 mAh(g-Fe)<-1>分别大56.0%和57.9%。以低杂质的合成四氧化三铁所制作的铁电极,充电效率高达96.4%,表明原材料中杂质含量低是制备高性能铁电极的前提和保证。
研究表明深度放电可以提高铁电极第一平台放电的比容量。这是铁负极研究中的重要发现,是提高铁负极性能的重要方法。
电化学测试通过模拟铁镍电池进行,电池阳极由合成样品Fe<,3>O<,4>和添加剂Ni(OH)<,2>等组成,与阳极配对的阴极采用过量的镍电极,以溶解Na<,2>S的5.5 MKOH+0.5 M LiOH为电解液,隔膜采用微孔丙纶非织造布。研究表明在504周的寿命试验中,由于添加剂的协同效应,即使以693.0 mA(g-Fe)<-1>的高放电速率,模拟铁镍电池中铁电极第一平台容量达598.0 mAh(g-Fe)<-1>及其总放电容量达907.5 mAh(g-Fe)<-1>,比文献数据456.0和709.0分别提高31.1%和28.0%。循环到第504周时放电容量仍为644.6 mAh(g-Fe)<-1>,比最高放电容量907.5 mAh(g-Fe)<-1>降低29.0%。模拟铁镍电池的最高充电效率达86.5%,最高中值电压达1.3017V。
在306.7 mA(g-Fe)<-1>放电速率下,在第一放电平台和1V截止时,0℃低温使模拟铁镍电池中铁负极的放电比容量比常温分别降低11.3%和20.7%,但都仍然达532.8 mAh(g-Fe)<-1>。3℃低温使0.8V截止的放电比容量比常温降低13.9%,但仍然达778.0 mAh(g-Fe)<-1>。0℃低温使模拟铁镍电池的平台一中压和0.8V截止的中值电压比常温分别降低62.0 mV和49.8 mV,但仍然分别达1.2400V和1.2145V。对铁电极循环伏安曲线进行定量计算,将铁负极循环伏安曲线转化为充放电曲线,因此能对循环伏安曲线的峰进行半定量指派,使通过对比不同循环伏安曲线比较铁负极性能时更具说服力。
光电子能谱(XPS)分析表明,放电态铁负极表面上Fe和S原子浓度分别达10.81%和7.13%,表明模拟铁镍电池中铁电极循环504.周后放电态样品表面仍然富含FeS,是循环504周后其容量仍然高达644.6 mAh(g-Fe)<-1>的原因。
研究表明随平衡电位负移,铁负极交流阻抗逐渐减小。根据模拟铁镍电池具有明显的交流阻抗半圆,判断高频率下为电化学控制步骤,由于半圆的半径小,说明电化学反应的阻力小。