绿色电池的阴极材料—高铁酸钡研究分析

[摘 要]本设计初步研究了新型绿色电池的阴极材料-高铁酸钡在液相中的快速合成（利用高铁酸钾与钡盐进行复分解反应），分析了此物质在制备过程中的影响因素，即溶剂、温度、杂质、及真空干燥过程等对BaFeO4纯度的影响，并根据实际情况提出解决问题的方案，得到了比较理想的预期结果。总结出温度是影响高铁酸钡稳定性的一个比较关键的因素。

[关键词]电池高铁酸钡；制备；分析；添加剂；稳定性

中图分类号：TM910.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0306-01

1 前言

近年来，各类微电子产品以及其它各种高端电子产品的相继出现，迫切要求电容量更大、放电性能更好、尤其是更适应重负荷放电的新电池的出现。传统的锌锰碱性电池具有放电容量较大、比能量较高、低温性能优良、性能可靠等优点，广泛地应用于人们日常生活，但锰资源有限且存在着电池的污染和难回收等问题，因此发展前景不容乐观。超铁电池是以Fe（Ⅵ）化合物取代碱性Zn-MnO2电池中的MnO2作为电池的正极材料，具有较平坦的放电平台，放电产物Fe2O3清洁无污染，因此用高铁酸盐作正极材料的新型超铁电池被称为新一代“绿色”环保电池。由于高铁酸盐的诸多优点，它是一种极有可能取代MnO2的新型电极材料。目前制约该电池工业化的主要障碍是高铁酸盐的稳定性问题。高铁酸钡作为电池的正极材料具有较好的放电性能，它的稳定性较差。本论文围绕提高高铁酸钡的稳定性以及进一步改进高铁酸钡作为阴极材料的电池性能而展开，以期为铁基电池的开发和工业化提供核心技术，使电池家族再添新成员。

2 BaFeO4的性质

BaFeO4的放电特性

在碱性溶液中，高铁酸钡放电时，+6价的铁（FeO42-）在正极还原生成+3价的Fe2O3，与二氧化锰（MnO2）及羟基氧化镍（NiOOH）碱性电池阴极材料相比，后者为单电子放电，因而高铁具有更高的放电容量，其主要电极还原方程式如下：

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 碱性电池中，其负极的反应与Zn-MnO2碱性电池相同，即：

Zn+2OH-+2e-=Zn（OH）2

FeO42-阴极还原过程中生成的OH-离子在阳极氧化过程中与Zn2+相结合生成Zn（OH）2，起着离子导电的作用，所以在高铁电池中无需添加其它的电解质。传统的（Zn︱NH4Cl︱MnO2）电池因为需要添加入非放电物质NH4Cl生成放电产物ZnCl2，从而降低了电池的容量。

3 BaFeO4的分析

3.1 BaFeO4的配制

（1）三氯化铬储备液：用蒸馏水溶解16.66gCrCl3·6H2O，定容于100ml容量瓶中；

（2）饱和氢氧化钠溶液：500ml饱和氢氧化钠溶液中加入0.05g左右的Fe（Ⅵ）化合物，去除还原性物质，煮沸以除去剩余的过量Fe（Ⅵ）化合物；

（3）硫酸溶液：将一定量的浓硫酸溶于其五倍体积的水中；

（4）硫酸-磷酸混合溶液：240ml蒸馏水中加入60ml浓硫酸和150ml85%的磷酸；

（5）重铬酸盐标准溶液：将1.042g K2Cr2O7溶解并定容于250ml容量瓶中，浓度约约为0.085M；

（6）二价铁滴定液：将16.66～16.70g Fe（NH4）2（SO4）2溶解并定容于500ml容量瓶中，浓度约为0.08M；

（7）二苯胺磺酸钠溶液：0.5g二苯胺磺酸钠溶解定容于100ml容量瓶中；

（8）亚铬酸盐碱液的配制：向20ml饱和氢氧化钠溶液中加入5ml三氯化铬溶液与5ml去离子水混合液，冷却至室温，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标定

取20ml K2Cr2O7（0.085M）混合于50ml去离子水中，65ml H2SO4（体积比为1：5）+15ml混酸（H2SO4+H3PO4），再向溶液中滴20滴二苯胺磺酸钠进行滴定。

（2）称取0.12～0.15g的高铁酸钡固体，加入到事先配制好的碱性三氯化铬溶液中，在冰浴中冷却到室温后搅拌30分钟左右。

（3）加入50ml去离子水，放入温度为92℃左右的磁力加热搅拌器中加热搅拌，使其充分反应1个小时。

（4）在常温下冷却，依次加入100ml去离子水、65ml硫酸溶液、15ml硫酸-磷酸混合溶液、20滴二苯胺磺酸钠指示剂，冷却到室温。

（5）用标准Fe（NH4）2（SO4）2溶液进行滴定，溶液的颜色由暗绿色变为淡绿色即为滴定终点。值得注意的是由于未被还原的溶液颜色呈暗绿色，到滴定终点没有鲜明的颜色突越，滴定时一定要注意观察其颜色变化，及时捕捉颜色变化。

（6）间隔一段时间测量一次纯度，直到测量若干个数据并记录。

（7）总结、画图。

3.3 BaFeO4的计算方法

BaFeO4纯度：P%=V·N·FW×100/（3000×M）

式中符号表示的量分别为：

V= Fe（NH4）2（SO4）2体积

N= Fe（NH4）2（SO4）2浓度

FW= BaFeO4分子量=257.11

度。

4 电池的组装

（1）.称量一定量的高铁酸钡、石墨、氢氧化钡、添加剂于研钵当中，滴加一定浓度的电解液均匀混合。

（2）用自制模具将混后的材料压制成正极环，并压入AAA型电池壳中。

插入隔膜、注入锌膏而后插入探针，机械封盖，组装成Zn-超铁电池。

5 电池的放电性能测定

在恒定负载下测量电池放电性能，终止电压为0.8V，放电的温度环境是25℃，电脑每隔10秒自动读取放电电压值并记录。

6 结论

本设计基于液相合成的方法对添加了不同比例Na2SiO3的高铁酸钡进行纯度分析，并将其作为电池阴极材料测定超铁电池的放电性能，得到了以下结论：

（1）在制备高铁酸钡过程中，温度控制、分析滴定、溶液配制、溶剂中二氧化碳含量、除杂效果、真空干燥等都会影响产物的纯度。

（2）通过对Zn-BaFeO4与Zn-K2FeO4电池的放电性能比较，前者以它的高电容、高放电效率、平稳的放电平台而明显优于后者。

参考文献

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作者简介

曲佳东，男，助理工程师，目前从事化工装置的安全技术和管理工作。