專利名稱：高能高鐵－鐵電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電池中的堿性電池，特別是一種高能高鐵-鐵電池。
進(jìn)入九十年代以來，隨著工業(yè)化、自動(dòng)化進(jìn)程的進(jìn)一步深入和辦公自動(dòng)化、移動(dòng)通訊事業(yè)的飛速發(fā)展，移動(dòng)電話、筆記本電腦、新型便攜式用電器及與之相配套的小型二次電池發(fā)展迅猛。預(yù)計(jì)到2000年全世界移動(dòng)電話超過5億部、筆記本電腦可達(dá)到2300萬臺(tái)。近年來，金屬氫化物鎳電池和鋰離子電池發(fā)展快速，AA型金屬氫化物鎳電池的容量可達(dá)1400-1500mAh，4/3A高達(dá)4500mAh，體積比能量超過鋰離子電池，但是金屬氫化物鎳電池的工作電壓1.2V，是鋰離子電池工作電壓的1/3，盡管用電器電壓的降低為金屬氫化物鎳電池提供了新的市場機(jī)會(huì)，但還是只能和鋰離子電池各自分享不同的發(fā)展空間。與鎳鎘電池相比金屬氫化物鎳電池在比能量方面出現(xiàn)了較大的突破，與鋰離子電池相比金屬氫化物鎳電池又具有較低的綜合價(jià)格，因此在中檔用電器市場占有優(yōu)先地位。而目前電動(dòng)自行車已經(jīng)逐漸普及，且電動(dòng)汽車的研究也被各個(gè)國家所重視，金屬氫化物鎳電池由于所具有的對(duì)環(huán)境友好性及出色的安全性，無疑在這一新興市場占有領(lǐng)先地位?？梢哉f金屬氫化物鎳電池具有很好的發(fā)展前景。電池正負(fù)極的充放電性能是電池性能好壞的關(guān)鍵，采用新型正、負(fù)極，提高電池的放電容量，進(jìn)一步提高電池的比能量，降低電池成本，提高電池的性能價(jià)格比，更好滿足市場的需要，是電池取得發(fā)展的關(guān)鍵。
本發(fā)明的目的在于提供一種高能高鐵-鐵電池，它采用的高鐵酸鹽正極，比金屬氫化物鎳電池常用的鎳正極具有更高的比能量與更好的放電性能，與鐵負(fù)極組成電池，具有更高的性能價(jià)格比，無疑具有更好的發(fā)展空間。
本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案一種高能高鐵-鐵電池，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液及電池殼，其特征在于電池的正極以六價(jià)鐵為活性物質(zhì)，負(fù)極以零價(jià)鐵為活性物質(zhì)。
上述所說的制造正極的六價(jià)鐵活性物質(zhì)可以是高鐵酸鉀、高鐵酸鈉、高鐵酸鋰、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鈣、高鐵酸鎂、高鐵酸銅、高鐵酸銀、高鐵酸鋅或它們的混合物。
上述所說的六價(jià)鐵活性物質(zhì)的粒徑可以從納米至80微米。
上述所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)可以來自羰基鐵粉、還原鐵粉或它們的混合物。
上述所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)還可以來自四氧化三鐵經(jīng)電化學(xué)還原而產(chǎn)生的零價(jià)鐵。
上述所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)的粒徑可以從納米至80微米。
上述所說的高能高鐵-鐵電池可以是常規(guī)的AAA型、1/2AAA型、AA型、4/3AA型、4/5AA型、2/3AA型、1/2AA型、A型、4/5A型、2/3A型、1/2A型、SC型、1/2SC型、D型、5/4D型、3/2D型、2D型。
上述所說的高能高鐵-鐵電池的放電電壓可以從1000毫伏至1597毫伏。
上述所說的AAA型、1/2AAA型、AA型、4/3AA型、4/5AA型、2/3AA型、1/2AA型、A型、4/5A型、4/3A型、2/3A型、1/2A型、SC型、1/2SC型、D型、5/4D型、3/2D型、2D型高能高鐵-鐵電池按0.2C速率放電的容量范圍如表1所示表1 高能高鐵-鐵電池的容量范圍
本發(fā)明的工作原理高鐵酸鹽作為正極具有高的理論容量及氧化還原電位。按鐵從六價(jià)還原到三價(jià)計(jì)算，高鐵酸鉀、高鐵酸鈉、高鐵酸鋰、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鈣、高鐵酸鎂、高鐵酸銅、高鐵酸鋅的理論容量分別為406、485、601、313、388、503、558、438、434mAh/g。在堿性介質(zhì)中，高鐵酸根離子還原到三價(jià)的氧化還原電位為E°＝0.72V (1)鐵作為負(fù)極具有高的理論容量及低的氧化還原電位。按鐵從零價(jià)氧化到二價(jià)、三分之八價(jià)計(jì)算，鐵的理論容量分別為960、1280mAh/g。在堿性介質(zhì)中，鐵從零價(jià)氧化到二價(jià)、三分之八價(jià)的氧化還原電位分別為E°＝-0.877V(2)鐵電極基于該反應(yīng)的理論容量為0.96Ah/gE°＝-0.821V(3)鐵電極基于該反應(yīng)的理論容量為1.28Ah/g。
從上述電位可計(jì)算，高鐵-鐵電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為
E°＝1.597V (4)
E°＝1.541V (5)高鐵-鐵電池的實(shí)用電壓為1.10-1.54V，高鐵-鐵電池的實(shí)用電壓比鎳鎘電池略高且可與鎳鎘電池、鎳氫電泡互換使用。
高鐵酸鉀、高鐵酸鈉、高鐵酸鋰、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鈣、高鐵酸鎂、高鐵酸銅、高鐵酸鋅基于高鐵-鐵電池反應(yīng)(4)的理論容量及比能量分別為227.3、250.0、277.4、194.7、221.4、254.7、268.1、237.5、235.8Ah/kg；362.9、399.3、443.0、310.9、353.5、406.7、428.1、378.6、376.5Wh/kg。
高鐵酸鉀、高鐵酸鈉、高鐵酸鋰、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鈣、高鐵酸鎂、高鐵酸銅、高鐵酸鋅基于高鐵-鐵電池反應(yīng)(5)的理論容量及比能量分別為241.6、267.4、299.4、205.1、234.9、272.8、288.2、252.7、251.2Ah/kg；372.3、412.1、461.4、316.1、361.2、420.3、444.1、389.3、387.1Wh/kg。
表2 一些電池的理論比能量與實(shí)際達(dá)到的比能量
高鐵-鐵電池因?yàn)檎?fù)極都以鐵為活性物質(zhì)所以也可稱之為鐵-鐵電池。
由表2可見，高鐵-鐵電池的理論比能量僅次于銀/鋅電池，基于反應(yīng)(5)的高鐵酸鋰-鐵電池的理論比能量僅比銀/鋅電池低5.35％，而鐵的資源要比銀、鋅豐富得多，鐵的價(jià)格要比銀、鋅低得多。與鎳/金屬氫化物電池相比，如果基于反應(yīng)(5)的高鐵酸鋰-鐵電池的實(shí)際比能量(A)能達(dá)到理論比能量(B)的28.0％，那么基于反應(yīng)(5)的高鐵酸鋰-鐵電池的實(shí)際比能量(A)將高達(dá)129.2Whkg-1。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于1.比能量高，價(jià)格低，使用安全，有環(huán)保意義；2.開拓了高鐵-鐵電池研究的先河，預(yù)期今后十年高鐵-鐵電池研究將取得突破性的發(fā)展，具有強(qiáng)大的商業(yè)開發(fā)前景。
以下結(jié)合實(shí)施例與附圖進(jìn)一步說明本技術(shù)。
附圖為本發(fā)明所涉高能高鐵-鐵電池中的D型高鐵-鐵電池0.2C放電曲線。
實(shí)施例1按說明書所述的技術(shù)方案，以10微米至30微米的高鐵酸鈉和高鐵酸鉀的混合物為六價(jià)鐵活性物質(zhì)，按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)D型電池用的高鐵正極，以1微米至10微米的羰基鐵粉為零價(jià)鐵活性物質(zhì)按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)D型電池用的鐵負(fù)極，與隔膜、電解液、電池殼一起按現(xiàn)有技術(shù)組裝成D型電池，按0.2C放電至1.1V，放電容量為9522mAh，放電電壓從1550mV至1100mV。放電曲線如

圖1所示。
實(shí)施例2按說明書所述的技術(shù)方案，以8納米至18微米的高鐵酸鋇和高鐵酸鉀的混合物為六價(jià)鐵活性物質(zhì)，按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)AA型電池用的高鐵正極，以10微米至20微米的還原鐵粉為零價(jià)鐵活性物質(zhì)按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)AA型電池用的鐵負(fù)極，與隔膜、電解液、電池殼一起按現(xiàn)有技術(shù)組裝成AA型電池，按0.2C放電至1.1V，放電容量為1500mAh，放電電壓從1530mV至1100mV。放電規(guī)律性與圖1類似。
實(shí)施例3按說明書所述的技術(shù)方案，以8納米至18微米的高鐵酸鈣、高鐵酸鉀和高鐵酸鈉的混合物為六價(jià)鐵活性物質(zhì)，按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)4/3A型電池用的高鐵正極，以8微米至38微米的來自四氧化三鐵經(jīng)電化學(xué)還原而產(chǎn)生的零價(jià)鐵為零價(jià)鐵活性物質(zhì)按現(xiàn)有技術(shù)制造常規(guī)4/3A型電池用的鐵負(fù)極，與隔膜、電解液、電池殼一起按現(xiàn)有技術(shù)組裝成4/3A型電池，按0.2C放電至1100mV，放電容量為3300mAh，放電電壓從1520mV至1100mV。放電規(guī)律性與圖1相似。
權(quán)利要求
1.一種高能高鐵-鐵電池，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液及電池殼，其特征在于電池的正極以六價(jià)鐵為活性物質(zhì)，負(fù)極以零價(jià)鐵為活性物質(zhì)。
2.由權(quán)利要求1所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于制造正極的六價(jià)鐵活性物質(zhì)可以是高鐵酸鉀、高鐵酸鈉、高鐵酸鋰、高鐵酸鋇、高鐵酸鍶、高鐵酸鈣、高鐵酸鎂、高鐵酸銅、高鐵酸銀、高鐵酸鋅或它們的混合物。
3.由權(quán)利要求1、2所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的六價(jià)鐵活性物質(zhì)的粒徑可以從納米至80微米。
4.由權(quán)利要求1所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)可以來自羰基鐵粉、還原鐵粉或它們的混合物。
5.由權(quán)利要求1所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)還可以來自四氧化三鐵經(jīng)電化學(xué)還原而產(chǎn)生的零價(jià)鐵。
6.由權(quán)利要求1、4、5所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的制造負(fù)極的零價(jià)鐵活性物質(zhì)的粒徑可以從納米至80微米。
7.由權(quán)利要求1所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的電池規(guī)格可以是常規(guī)的AAA型、1/2AAA型、AA型、4/3AA型、4/5AA型、2/3AA型、1/2AA型、A型、4/5A型、2/3A型、1/2A型、SC型、i/2SC型、D型、5/4D型、3/2D型、2D型。
8.由權(quán)利要求1所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的電池的放電電壓可以從1000毫伏至1597毫伏。
9.由權(quán)利要求7所說的高能高鐵-鐵電池，其特征在于所說的電池規(guī)格中的AAA型、1/2AAA型、AA型、4/3AA型、4/5AA型、2/3AA型、1/2AA型、A型、4/5A型、4/3A型、2/3A型、1/2A型、SC型、1/2SC型、D型、5/4D型、3/2D型、2D型高能高鐵-鐵電池按0.2C速率放電的容量范圍為型號(hào)最低容量(mAh) 最高容量(mAh)AAA 210 6301/2AAA 90 270AA 66019804/3AA90027004/5AA45013502/3AA36010801/2AA270 810A 96028804/5A 72021604/3A168050402/3A 60018001/2A 4501350SC 132039601/2SC5401620D 4800 144005/4D5400 162003/2D6000 180002D 7200 21600
全文摘要
一種高能高鐵－鐵電池,包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液及電池殼,其特征在于電池的正極以六價(jià)鐵為活性物質(zhì),負(fù)極以零價(jià)鐵為活性物質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)越性在于:1.比能量高,價(jià)格低,使用安全,有環(huán)保意義;2.開拓了高鐵－鐵電池研究的先河,預(yù)期今后十年高鐵－鐵電池研究將取得突破性的發(fā)展,具有強(qiáng)大的商業(yè)開發(fā)前景。
文檔編號(hào)H01M4/36GK1271186SQ0010756
公開日2000年10月25日 申請(qǐng)日期2000年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月19日
發(fā)明者林東風(fēng), 高學(xué)平, 閆德意, 吳鋒, 宮維林, 張文虎, 宋德瑛, 袁華堂, 申泮文 申請(qǐng)人:南開大學(xué), 天津和平海灣電源集團(tuán)有限公司