綠色電池的陰極材料—高鐵酸鋇研究分析

[摘 要]本設(shè)計(jì)初步研究了新型綠色電池的陰極材料-高鐵酸鋇在液相中的快速合成（利用高鐵酸鉀與鋇鹽進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)），分析了此物質(zhì)在制備過程中的影響因素，即溶劑、溫度、雜質(zhì)、及真空干燥過程等對(duì)BaFeO4純度的影響，并根據(jù)實(shí)際情況提出解決問題的方案，得到了比較理想的預(yù)期結(jié)果。總結(jié)出溫度是影響高鐵酸鋇穩(wěn)定性的一個(gè)比較關(guān)鍵的因素。

[關(guān)鍵詞]電池高鐵酸鋇；制備；分析；添加劑；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM910.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）12-0306-01

1 前言

近年來，各類微電子產(chǎn)品以及其它各種高端電子產(chǎn)品的相繼出現(xiàn)，迫切要求電容量更大、放電性能更好、尤其是更適應(yīng)重負(fù)荷放電的新電池的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的鋅錳堿性電池具有放電容量較大、比能量較高、低溫性能優(yōu)良、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ?，但錳資源有限且存在著電池的污染和難回收等問題，因此發(fā)展前景不容樂觀。超鐵電池是以Fe（Ⅵ）化合物取代堿性Zn-MnO2電池中的MnO2作為電池的正極材料，具有較平坦的放電平臺(tái)，放電產(chǎn)物Fe2O3清潔無污染，因此用高鐵酸鹽作正極材料的新型超鐵電池被稱為新一代“綠色”環(huán)保電池。由于高鐵酸鹽的諸多優(yōu)點(diǎn)，它是一種極有可能取代MnO2的新型電極材料。目前制約該電池工業(yè)化的主要障礙是高鐵酸鹽的穩(wěn)定性問題。高鐵酸鋇作為電池的正極材料具有較好的放電性能，它的穩(wěn)定性較差。本論文圍繞提高高鐵酸鋇的穩(wěn)定性以及進(jìn)一步改進(jìn)高鐵酸鋇作為陰極材料的電池性能而展開，以期為鐵基電池的開發(fā)和工業(yè)化提供核心技術(shù)，使電池家族再添新成員。

2 BaFeO4的性質(zhì)

BaFeO4的放電特性

在堿性溶液中，高鐵酸鋇放電時(shí)，+6價(jià)的鐵（FeO42-）在正極還原生成+3價(jià)的Fe2O3，與二氧化錳（MnO2）及羥基氧化鎳（NiOOH）堿性電池陰極材料相比，后者為單電子放電，因而高鐵具有更高的放電容量，其主要電極還原方程式如下：

MnO2+ H2O+e-MnOOH+OH-

FeO42-+2.5 H2O+3 e-0.5 Fe 2O3+5OH-

NiOOH +H2O+ e-Ni（OH）2+OH-

在Zn-BaFeO4 堿性電池中，其負(fù)極的反應(yīng)與Zn-MnO2堿性電池相同，即：

Zn+2OH-+2e-=Zn（OH）2

FeO42-陰極還原過程中生成的OH-離子在陽極氧化過程中與Zn2+相結(jié)合生成Zn（OH）2，起著離子導(dǎo)電的作用，所以在高鐵電池中無需添加其它的電解質(zhì)。傳統(tǒng)的（Zn︱NH4Cl︱MnO2）電池因?yàn)樾枰砑尤敕欠烹娢镔|(zhì)NH4Cl生成放電產(chǎn)物ZnCl2，從而降低了電池的容量。

3 BaFeO4的分析

3.1 BaFeO4的配制

（1）三氯化鉻儲(chǔ)備液：用蒸餾水溶解16.66gCrCl3·6H2O，定容于100ml容量瓶中；

（2）飽和氫氧化鈉溶液：500ml飽和氫氧化鈉溶液中加入0.05g左右的Fe（Ⅵ）化合物，去除還原性物質(zhì)，煮沸以除去剩余的過量Fe（Ⅵ）化合物；

（3）硫酸溶液：將一定量的濃硫酸溶于其五倍體積的水中；

（4）硫酸-磷酸混合溶液：240ml蒸餾水中加入60ml濃硫酸和150ml85%的磷酸；

（5）重鉻酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液：將1.042g K2Cr2O7溶解并定容于250ml容量瓶中，濃度約約為0.085M；

（6）二價(jià)鐵滴定液：將16.66～16.70g Fe（NH4）2（SO4）2溶解并定容于500ml容量瓶中，濃度約為0.08M；

（7）二苯胺磺酸鈉溶液：0.5g二苯胺磺酸鈉溶解定容于100ml容量瓶中；

（8）亞鉻酸鹽堿液的配制：向20ml飽和氫氧化鈉溶液中加入5ml三氯化鉻溶液與5ml去離子水混合液，冷卻至室溫，每次分析前要新制，然后使用。

3.2 BaFeO4的分析方法

（1）Fe（NH4）2（SO4）2標(biāo)定

取20ml K2Cr2O7（0.085M）混合于50ml去離子水中，65ml H2SO4（體積比為1：5）+15ml混酸（H2SO4+H3PO4），再向溶液中滴20滴二苯胺磺酸鈉進(jìn)行滴定。

（2）稱取0.12～0.15g的高鐵酸鋇固體，加入到事先配制好的堿性三氯化鉻溶液中，在冰浴中冷卻到室溫后攪拌30分鐘左右。

（3）加入50ml去離子水，放入溫度為92℃左右的磁力加熱攪拌器中加熱攪拌，使其充分反應(yīng)1個(gè)小時(shí)。

（4）在常溫下冷卻，依次加入100ml去離子水、65ml硫酸溶液、15ml硫酸-磷酸混合溶液、20滴二苯胺磺酸鈉指示劑，冷卻到室溫。

（5）用標(biāo)準(zhǔn)Fe（NH4）2（SO4）2溶液進(jìn)行滴定，溶液的顏色由暗綠色變?yōu)榈G色即為滴定終點(diǎn)。值得注意的是由于未被還原的溶液顏色呈暗綠色，到滴定終點(diǎn)沒有鮮明的顏色突越，滴定時(shí)一定要注意觀察其顏色變化，及時(shí)捕捉顏色變化。

（6）間隔一段時(shí)間測(cè)量一次純度，直到測(cè)量若干個(gè)數(shù)據(jù)并記錄。

（7）總結(jié)、畫圖。

3.3 BaFeO4的計(jì)算方法

BaFeO4純度：P%=V·N·FW×100/（3000×M）

式中符號(hào)表示的量分別為：

V= Fe（NH4）2（SO4）2體積

N= Fe（NH4）2（SO4）2濃度

FW= BaFeO4分子量=257.11

度。

4 電池的組裝

（1）.稱量一定量的高鐵酸鋇、石墨、氫氧化鋇、添加劑于研缽當(dāng)中，滴加一定濃度的電解液均勻混合。

（2）用自制模具將混后的材料壓制成正極環(huán)，并壓入AAA型電池殼中。

插入隔膜、注入鋅膏而后插入探針，機(jī)械封蓋，組裝成Zn-超鐵電池。

5 電池的放電性能測(cè)定

在恒定負(fù)載下測(cè)量電池放電性能，終止電壓為0.8V，放電的溫度環(huán)境是25℃，電腦每隔10秒自動(dòng)讀取放電電壓值并記錄。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于液相合成的方法對(duì)添加了不同比例Na2SiO3的高鐵酸鋇進(jìn)行純度分析，并將其作為電池陰極材料測(cè)定超鐵電池的放電性能，得到了以下結(jié)論：

（1）在制備高鐵酸鋇過程中，溫度控制、分析滴定、溶液配制、溶劑中二氧化碳含量、除雜效果、真空干燥等都會(huì)影響產(chǎn)物的純度。

（2）通過對(duì)Zn-BaFeO4與Zn-K2FeO4電池的放電性能比較，前者以它的高電容、高放電效率、平穩(wěn)的放電平臺(tái)而明顯優(yōu)于后者。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈紅光.超鐵電池的研究及展望.化學(xué)研究與應(yīng)用，2005，14（3）：251-254.

[2] 譚繼承，何中華.高價(jià)態(tài)鐵酸鹽的合成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究進(jìn)展.臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，25（3）：48-50.

[3] 李志遠(yuǎn)，趙建國，韋麗紅.過氧化鈉法高鐵酸鹽轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究.無機(jī)鹽工業(yè)，1995，18（5）：10-12.

[4] 叢文博，張寶宏，楊紅.新型電極材料高鐵酸鹽的合成研究.應(yīng)用科技，2002，29（3）：56-58.

[5] 董全峰，金明鋼，尤金跨.高鐵酸鹽電池材料與應(yīng)用進(jìn)展.電池，2002，32（S1）：11-13.

作者簡介

曲佳東，男，助理工程師，目前從事化工裝置的安全技術(shù)和管理工作。