一种可充熔盐铁-空气电池以及制备方法技术

一种可充熔盐铁-空气电池以及制备方法。主要目的在于提供一种可在中低温下稳定运行的熔盐铁-空气电池。其特征在于：正极集电体为铂或镍；负极集电体为铁或铁合金且包含负极活性物质层；负极活性物质层是充电时由铁化合物经过电沉积在负极的集电体上而得到的铁微粒形成，电解质为熔盐电解质，其成份包括KCl、LiCl和LiOH，工作状态为熔融的液态，KCl为5%～20%，LiCl为20%～60%，LiOH为15%～55%，三者合计为100%；正极集电体的活性物质层上包含催化剂，所述催化剂为铂催化剂、氧化镍催化剂、四氧化三钴催化剂或者二氧化锰催化剂或者这些催化剂的组合物。

【技术实现步骤摘要】
一种可充熔盐铁-空气电池以及制备方法
本专利技术涉及一种熔盐铁-空气电池以及用于制备其的方法。
技术介绍
铁资源丰富，廉价、无毒，空气又是免费的，铁-空气电池成本低，环境友好，比金属Li、Na更安全；铁具有多电子的高储电能力（转移3个电子），比单电子存储的锂离子电池储电能力还高。但是，现有技术中存在如下问题导致铁-空气电池未能得到广泛推广应用。采用氢氧化钾水溶液作为电解质的室温铁-空气电池，因铁电极在氢氧化钾水溶液电解质内极容易形成钝化膜，大大降低电极的活性，阻止铁电极的阳极反应，电池容量显著下降，电池副反应明显，自放电现象十分严重等许多关键问题需要解决。以熔融盐为电解质的铁-空气电池是另一种体系的铁-空气电池。它的优点在于：熔盐电解质电导率高，比水溶液至少高1个数量级，比有机电解质高几个数量级；熔盐电解质有较高的分解电压，突破了水溶液电解质受水分解电压的限制，在电池运行过程中稳定，不易分解；具有较低的蒸汽压，高温下不损失，低的粘度和较高的离子迁移和扩散速度。但是，现有技术中的这类电池仍然存在着以下缺陷：以熔融Li2CO3为电解质的铁-空气电池工作温度在730oC以上，而以混合碳酸盐（例如：Li0.87Na0.63K0.50CO3）为电解质的铁-空气电池也需要工作在600oC以上高温下才能具有较好的充放电性能。电池工作温度高，极大限制了电池材料的选择，电极稳定性和寿命也会降低，势必会影响其商业化和大型化的推广应用。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中所提到的技术问题，本专利技术提供一种可充熔盐铁-空气电池以及制备方法，该种电池改进了电解质体系，使得电池可以工作在500℃下，比2013年以Li2CO3为电解质的电池工作温度降低了230℃，比2014年以Li0.87Na0.63K0.50CO3为电解质的电池工作温度降低了100℃。本专利技术的技术方案是：该种可充熔盐铁-空气电池，其具有正极和负极以及电解质；所述正极又称为空气电极或阴极，所述负极又称为阳极，其特征在于：所述正极的集电体为铂(Pt)或镍(Ni)；所述负极的集电体为铁或铁合金且包含负极活性物质层；所述负极活性物质层是充电时由铁化合物经过电沉积在负极的集电体上而得到的铁微粒形成，所述的铁化合物由Fe2O3、FeO、Fe3O4中的一种或者这些的组合物与NaOH在熔融条件下反应而得到；所述铁微粒的作用在于：充电时将电能转化为化学能储存在电池内；放电时沉积的铁微粒作为活性物质发生氧化反应，在集电体上释放电子给外电路，化学能转化为电能；所述电解质为熔盐电解质，其成份包括KCl、LiCl和LiOH，在本电池中上述各组分的工作状态为熔融的液态，按照摩尔百分比描述其按照如下比例构成，即KCl为5%～20%，LiCl为20%～60%，LiOH为15%～55%，三者合计为100%；所述正极上包含催化剂，所述催化剂为铂（Pt）催化剂、氧化镍（NiO）催化剂、四氧化三钴（Co3O4）催化剂、二氧化锰（MnO2）催化剂或者这些催化剂的组合物。其中，所述正极上包含催化剂的重量占正极总重量的1%～30%。制备所述可充熔盐铁-空气电池的方法，主要包括以下步骤：（1）将裁剪后的金属片用点焊机焊接导线，然后用细砂纸充分打磨，去除表面氧化层后，绕制成圆桶状，待用于制备权利要求1中所述电池负极集电体，本步骤中所述金属片包括铁、铁合金或不锈钢金属片；（2）按照如下两种方式，任意选择一种完成对电池正极的制备；所述两种方式如下：方式一，将金属片经过裁剪后焊接导线、打磨后成型，制备成平板型空气电极，本步骤中所述金属片包括铂或镍金属片；方式二，将铂或镍金属片裁剪成圆形或者矩形，焊接导线打磨后，在其上面压制多层镍泡末，镍泡末可以采用未负载任何催化活性物的新镍泡末；也可以先以镍泡末为载体，再负载催化活性物质，然后再与前述铂或镍金属片一起压制成型，制备成多孔气体扩散空气电极待用；（3）将KCl、LiCl、LiOH以及NaOH和Fe2O3粉末放入研钵反复研磨至细粉，然后装入刚玉坩埚中，放入电炉加热至充分熔融，电解质充分熔融后，将步骤（1）和步骤（2）中制备的电池正极和电池负极集电体放入熔融电解质内；其中，对于采用步骤（2）中按照方式一制备的电极，采取电池正极和电池负极集电体均为立式放置的模式，同时电池负极集电体应浸没在熔融电解质液面之下，而所述电池正极应有一部分插入熔融电解质液面之下，另一部分暴露于空气之中放置；对于采用步骤（2）中按照方式二制备的电极，采用按照所述电池正极和电池负极集电体均为水平放置的模式，同时，所述电池负极集电体置于熔融电解质液面之下，电池正极位于电池负极集电体之上，使作为空气电极的电池正极下面与熔融电解质的液面充分接触，而其余部分充分接触空气；（4）继续升温至500℃，恒温4小时，在所述电池正极上自动氧化生成一层氧化镍催化层，实现熔盐铁-空气电池的制作完成。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术所给出的可充熔盐铁-空气电池是一种可以在空气环境下工作的可充电池，与现有的熔盐铁-空气电池相比，它的电解质体系不同，从而实现了现在的电池可以工作在500℃下，比2013年的以Li2CO3电解质的电池工作温度降低了230℃，比2014年的以Li0.87Na0.63K0.50CO3电解质的电池工作温度降低了100℃。另外，现在的电池经过实验研究拓展了电池的正极（空气电极），由原先的镍坩埚电极拓展到现今的镍片、镍泡末和镍泡末负载催化剂的空气电极（后二者为空气扩散电极）；空气电极的放置形式也多样化，原先的镍坩埚不能改变放置方式，现今的空气电极可以选择立式或者水平方式放置。本电池具有能量密度高、成本低以及无污染的特点，在智能电网领域可以有广泛的应用前景。附图说明：图1是展示本专利技术所述电池结构的示意图。图2是实施例1中熔盐铁-空气电池的充放电时间-电压曲线图。图3是实施例1中的熔盐铁-空气电池的充放电循环性能图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1所示，本种可充熔盐铁-空气电池，其具有正极1和负极2以及电解质3；所述正极又称为空气电极或阴极，所述负极又称为阳极，其特征在于：所述正极的集电体为铂（Pt）或镍（Ni）所述负极的集电体为铁或铁合金且包含负极活性物质层。所述正极上包含催化剂，所述催化剂为铂（Pt）催化剂、氧化镍（NiO）催化剂、四氧化三钴（Co3O4）催化剂或者二氧化锰（MnO2）催化剂或者这些催化剂的组合物。其中，所述催化剂的重量占所述正极总重量的1%～30%。这些催化剂占镍或镍泡末总质量的1-30%，除了催化剂就是镍或镍泡末。具体来说对应2种正极有2种情况，一种是镍片或没有负载的镍泡沫正极，在升温过程在其表面氧化生成氧化镍活性层或催化层，另一种以镍泡沫为载体的正极，在镍泡沫上人为负载氧化镍等催化剂组成催化层。催化层就是前面提到的催化剂，即铂（Pt）催化剂、氧化镍（NiO）催化剂、四氧化三钴（Co3O4）催化剂或者二氧化锰（MnO2）催化剂或者这些催化剂的组合物。所述负极活性物质层是充电时由铁化合物经过电沉积在负极的集电体上而得到的铁微粒形成，所述的铁化合物由Fe2O3、FeO、Fe3O4中的一种或者这些的组合物与NaOH在熔融条件下反应而得到；所述铁微粒的作用在于：充电时将电能转化为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可充熔盐铁‑空气电池，其具有正极（1）和负极（2）以及电解质（3）；所述正极又称为空气电极或阴极，所述负极又称为阳极，其特征在于：所述正极的集电体为铂(Pt)或镍(Ni)；所述负极的集电体为铁或铁合金且包含负极活性物质层；所述负极活性物质层是充电时由铁化合物经过电沉积在负极的集电体上而得到的铁微粒形成，所述的铁化合物由Fe2O3、FeO、Fe3O4中的一种或者这些的组合物与NaOH在熔融条件下反应而得到；所述铁微粒的作用在于：充电时将电能转化为化学能储存在电池内；放电时沉积的铁微粒作为活性物质发生氧化反应，在集电体上释放电子给外电路，化学能转化为电能；所述电解质（3）为熔盐电解质，其成份包括KCl、LiCl和LiOH，在本电池中上述各组分的工作状态为熔融的液态，按照摩尔百分比描述其按照如下比例构成，即KCl为5%～20%，LiCl为20%～60%，LiOH为15%～55%，三者合计为100%；所述正极上包含催化剂，所述催化剂为铂（Pt）催化剂、氧化镍（NiO）催化剂、四氧化三钴（Co3O4）催化剂或者二氧化锰（MnO2）催化剂或者这些催化剂的组合物。

【技术特征摘要】
1.一种可充熔盐铁-空气电池，其具有正极(1)和负极(2)以及电解质(3)；所述正极又称为空气电极或阴极，所述负极又称为阳极，其特征在于：所述正极的集电体为铂(Pt)或镍(Ni)；所述负极的集电体为铁或铁合金且包含负极活性物质层；所述负极活性物质层是充电时由铁化合物经过电沉积在负极的集电体上而得到的铁微粒形成，所述的铁化合物由Fe2O3、FeO、Fe3O4中的一种或者这些的组合物与NaOH在熔融条件下反应而得到；所述铁微粒的作用在于：充电时将电能转化为化学能储存在电池内；放电时沉积的铁微粒作为活性物质发生氧化反应，在集电体上释放电子给外电路，化学能转化为电能；所述电解质(3)为熔盐电解质，其成份包括KCl、LiCl和LiOH，在本电池中上述各组分的工作状态为熔融的液态，按照摩尔百分比描述其按照如下比例构成，即KCl为5％～20％，LiCl为20％～60％，LiOH为15％～55％，三者合计为100％；所述正极上包含催化剂，所述催化剂为铂(Pt)催化剂、氧化镍(NiO)催化剂、四氧化三钴(Co3O4)催化剂、二氧化锰(MnO2)催化剂或者这些催化剂的组合物。2.根据权利要求1所述的一种可充熔盐铁-空气电池，其特征在于：所述正极上包含催化剂的重量占正极总重量的1％～30％。3.一种制备权利要求1中所述可充熔盐铁-空气电池的方法，主要包括以下步骤：(1)将裁剪后的金属片用点焊机焊接导线，然后用细砂纸充分打磨，去除表面氧化层后，绕制成圆桶状，待用于制备权利要求1中所述电池负极集...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔宝臣，辛洪雨，刘淑芝，刘先军，李鑫，丁龙，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23