高鐵電池電解液及常用的負極材料

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。

1、鋅（Zn）

根據(jù)鋅的金屬特性，其平衡電位較負，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，價格便宜，來源豐富。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

對于鋅負極，在應(yīng)用于高鐵電池中有著一定的優(yōu)勢，因為鋅電極作為負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，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極，會遇到兩個問題：一是鋁在堿性溶液中的自腐蝕問題，在強堿性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時產(chǎn)生大量的氫氣，對高鐵酸鹽來說，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(chǎn)生沉積物會阻止電極的反應(yīng)，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(jié)構(gòu)，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(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。

3、鐵

鐵作為電池負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+eE°=-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價產(chǎn)物，二價鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n絡(luò)合物，在繼續(xù)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，鐵負極在放電時有兩個放電平臺，第一個放電平臺對應(yīng)的是Fe向Fe(OH)2的轉(zhuǎn)化；第二個放電平臺對應(yīng)的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應(yīng)，第一個放電平臺到第二個放電平臺電壓會降低0.3V左右。實際上，第二個平臺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臺的理論容量應(yīng)為285.3mAh/g。

4、鎘

鎘與高鐵酸鹽組成電池時，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。