高鐵電池電解液及常用的負(fù)極材料
在高鐵電池中，可作為電池負(fù)極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。
1、 鋅（Zn）
根據(jù)鋅的金屬特性，其平衡電位較負(fù)，電化當(dāng)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(jià)格便宜，來(lái)源豐富。在化學(xué)電源中得到廣泛的應(yīng)用。目前應(yīng)用形式主要有Zn-MnO2電池和Zn-空氣電池。
在堿性溶液中，鋅電極反應(yīng)除了形成鋅酸鹽外，最終產(chǎn)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(yīng)為：Zn + 2OH- →ZnO + H2O + 2e
對(duì)于鋅負(fù)極，在應(yīng)用于高鐵電池中有著一定的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇\電極作為負(fù)極材料在堿性溶液中有著較成熟的理論和工藝積累。研究Zn-MFeO4電池時(shí)，在緩蝕劑、導(dǎo)電劑、隔膜、集流體以及制造工藝等方面有許多可借鑒的技術(shù)。
2、 鋁
鋁作為高鐵電池的負(fù)極，會(huì)遇到兩個(gè)問題：一是鋁在堿性溶液中的自腐蝕問題，在強(qiáng)堿性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時(shí)產(chǎn)生大量的氫氣，對(duì)高鐵酸鹽來(lái)說(shuō)，穿過隔膜的氫氣會(huì)加速高鐵酸鹽的分解；二是鋁在陽(yáng)極過程中表面產(chǎn)生沉積物會(huì)阻止電極的反應(yīng)，使陽(yáng)極過電位升高，降低了陽(yáng)極的電壓效率?？梢酝ㄟ^合金化和電解液添加劑這兩個(gè)途徑來(lái)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(jié)構(gòu)，提高鋁的陽(yáng)極電位，同時(shí)增強(qiáng)鋁抗自腐蝕的能力。在電解液中添加其它物質(zhì)也可以改善電極反應(yīng)產(chǎn)物的晶型, 從而起到抑制腐蝕和提高陽(yáng)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(duì)活化電極起到有效的作用。
3、 鐵
鐵作為電池負(fù)極在堿性溶液中的電極反應(yīng)比較復(fù)雜，鐵失去電子形成穩(wěn)定的+2價(jià)和+3價(jià)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)
然后，2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O
在堿性溶液中，鐵最初形成+2價(jià)產(chǎn)物，二價(jià)鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n 絡(luò)合物，在繼續(xù)放電時(shí)生成+3價(jià)鐵，而且由+3價(jià)鐵與+2價(jià)鐵相互作用形成Fe3O4。
鐵與高鐵酸鹽組成電池時(shí)，電池的開路電壓為1.5V左右，隨著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(fù)極在放電時(shí)有兩個(gè)放電平臺(tái)，第一個(gè)放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是Fe向Fe(OH)2的轉(zhuǎn)化；第二個(gè)放電平臺(tái)對(duì)應(yīng)的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應(yīng)，第一個(gè)放電平臺(tái)到第二個(gè)放電平臺(tái)電壓會(huì)降低0.3V左右。實(shí)際上，第二個(gè)平臺(tái)的放電容易受到很多因素的影響。如第二次放電產(chǎn)物和高鐵酸鹽的反應(yīng)產(chǎn)物 Fe(OH)3會(huì)與Fe(OH)2形成Fe3O4，影響了Fe(OH)2的放電。鐵負(fù)極與高鐵酸鉀組成的單體電池在第一放電平臺(tái)的理論容量應(yīng)為285.3mAh/g。
4、 鎘
鎘與高鐵酸鹽組成電池時(shí)，單體電池開路電壓的理論值應(yīng)在1.4V左右。鎘的電化當(dāng)量為477mAh/g，與K2FeO4組成電池的理論容量為219mAh/g。