科学家研发氧化铁电池 有望取代锂电池

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來源:大纪元


美国伍斯特理工学院利用氯离子强化氢氧化铁电池，有望代替锂电池成为主要的电力储存电池。图为法国一间公司生产的航空用锂电池。(Olivier Chassignole/AFP)


【大纪元2023年08月21日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）随着风能、太阳能的不断发展，人们对于储能电池的需求也在增加，但常见的锂电池制造成本过高，人们希望寻找更好的替代品。近期，美国一所大学利用氯离子强化了氢氧化铁电池的性能，这种电池有望取代锂电池的地位。
锂电池成本高昂的主要原因，在于制造时需要用钴、镍金属作为电极材料，而这些材料又产于特定国家地区，因此对一些企业和国家来说是件坏事。
过去科学家开发的“镍铁碱性电池”，拥有高存储容量和长寿命循环。其正极材料为镍氧化物和氢氧化物，但含铁的负极在经过长时间充放电后，会被氧化成为四氧化三铁（Fe3O4）影响电池性能，导致该电池的固定储能出现障碍和下降。
因此，解决该问题成为科学家们的主要研究目标。这次拥有近160年历史的美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute，WPI）、阿拉巴马大学（University of Alabama）和布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）等组成了团队来研究开发铁电池。
他们最终用氯离子强化氢氧化铁，做出高效的新型铁电池，让其有望成为高存储容量和长寿命的可循环电池。这项新发现写成报告，于8月初发表至《美国化学会材料科学》杂志。
该团队经过分析发现，使用这种方法做出来的绿锈在电极中的Fe(OH)2/FeOOH单电荷转移反应高达64.7%，比过往一些类似的单电荷转移反应高出许多，同时也提高电池的循环稳定性。
他们透过多种设备和方法去分析和观察电池中的电解液中的氢氧化钠和氯化钾与氢氧化铁之间的反应结果，看到氢氧化铁在氢氧根离子（OH-）的作用下会转变成四氧化三铁和铁氧化物（FeOOH），而氢氧化铁和氯离子则形成绿锈，但绿锈再次经过氢氧根离子被还原成铁氧化物。
研究团队发现，这种化学反应体现出电极具有高度的可逆性，能让电池中的化学物质达到有效的循环利用。此外，他们还发现，添加氯化钾能让放电容量提高30%和增强循环稳定性。
实验发现，氧化铁电池在含有氢氧化钠和氯化钾的电解质中，即使全电池在经过400次的充放电循环，还依然有90%的蓄电能力。这远比只有氢氧化钠电解质的氧化铁电池在循环400次后的电池容量高。
报告最后表示，这种容量的提高得益于氯离子插入氢氧化铁中，使得铁氧化物的转化反应变得更加有效率。这次的研究成果可能会为“铁锈”能够用于电网中的碱性储存电池找到一条全新的途径。
不过，研究团队提到，目前尚未计算做出该种电池所需要花费的成本，但这种电池使用地球上丰富的材料铁和盐，能够在投入大规模生产时有效降低生产成本。
他们解释，美国每年产生超过1,500万吨未回收的废铁，其中废铁以铁锈的形式存在，因此可充电碱性铁电池有助于将铁锈废料重新利用，有利于代替锂电池成为储能电池。该研究由美国国家科学基金会和能源部（DOE）资助。