堿性高鐵酸鹽電池中高鐵酸鉀的合成及穩(wěn)定性能和放電性能的改善.pdf

1、高鐵酸鹽電池也即超鐵電池，因?yàn)槠渚哂休^高的氧化還原電位、較高的電化學(xué)理論容量、平穩(wěn)的放電平臺(tái)、放電產(chǎn)物無(wú)污染、合成原料來(lái)源豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)成為電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前高鐵酸鹽電池向工業(yè)化發(fā)展受到了一定的阻礙，其原因主要有:高鐵酸鹽材料合成過(guò)程復(fù)雜且成本過(guò)高、高鐵酸鹽材料穩(wěn)定性差，自放電分解現(xiàn)象比較嚴(yán)重，電池放電效率較低等。針對(duì)高鐵酸鹽存在的合成困難和不穩(wěn)定性，本文作了如下研究:
　　 (1)概述高鐵酸鹽的合成方

2、法、分析方法、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用，并提出了本論文的研究目的和意義。
　　 (2)改進(jìn)高鐵酸鉀(K2FeO4)的合成方法，并研究影響K2FeO4合成反應(yīng)的因素，如氯氣吸收溫度、堿度，反應(yīng)物的濃度和質(zhì)量，反應(yīng)溫度和時(shí)間，分離和純化工藝等。合成出來(lái)的產(chǎn)品純度用亞鉻酸鹽法測(cè)定，并用X-射線(xiàn)衍射(XRD)，紅外光譜(FT-IR)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征。亞鉻酸鹽法測(cè)定表明K2FeO4的純度為90％-99.8％，XR

3、D和FT-IR光譜表明K2FeO4屬正交晶系，空間群為D2h(Pnma)，而且表明本實(shí)驗(yàn)所合成的K2FeO4純度高于95％，SEM研究表明K2FeO4呈長(zhǎng)方體片狀，結(jié)晶良好，表面光滑。
　　 (3)本論文系統(tǒng)地研究了K2FeO4的電化學(xué)性能，如循環(huán)伏安性能，放電性能。研究并討論了電解液濃度、放電倍率、導(dǎo)電劑種類(lèi)及含量，放電溫度、K2FeO4純度等對(duì)其放電性能的影響。研究結(jié)果表明，K2FeO4與乙炔黑按9∶1的質(zhì)量比混合，在10

4、mol·L-1 KOH溶液中，放電溫度在25℃-30℃之間，以0.25 C的倍率放電時(shí)放電性能最好。且其放電性能隨K2FeO4純度增加而改善。
　　 (4)為了提高K2FeO4的穩(wěn)定性，使用有機(jī)化合物四苯基卟啉在有機(jī)溶劑二氯甲烷中包覆K2FeO4，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)、光電子能譜(EDS)、傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜(FT-IR)對(duì)包覆后的材料進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，K2FeO4成功被卟啉包覆。本章同時(shí)研究包覆前后K2FeO4的循

5、環(huán)伏安曲線(xiàn)(CV)，比較包覆前后K2FeO4分別在空氣中和在電解液中的穩(wěn)定性能，研究包覆前后K2FeO4的交流阻抗性能和開(kāi)路電位性能。循環(huán)伏安圖顯示包覆后的K2FeO4峰電流減小并且峰電位向正方向偏移。潮濕空氣中的穩(wěn)定性測(cè)試表明未包覆的K2FeO4暴露在空氣中純度迅速下降，包覆后的K2FeO4比未包覆的更穩(wěn)定，且包覆比例越高，K2FeO4純度下降越慢。恒流放電測(cè)試表明K2FeO4電池在KOH溶液中不穩(wěn)定，在10 mol·L-1 KOH溶

6、液中浸泡6h后放電容量下降了75％，而用卟啉包覆后穩(wěn)定性有很大提高，其中8％卟啉包覆的K2FeO4在10 mol·L-1 KOH溶液中浸泡6h后放電容量比未包覆的K2FeO4增加了89 mAh g-1。交流阻抗研究表明，K2FeO4電極在溶液中浸泡后電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，用卟啉包覆后電荷轉(zhuǎn)移電阻也變大，表明四苯基卟啉包覆在K2FeO4表面，對(duì)K2FeO4電極起到保護(hù)作用，減慢了K2FeO4的分解。開(kāi)路電位曲線(xiàn)顯示K2FeO4的穩(wěn)定性隨浸泡時(shí)

7、間的增加而減弱，隨四苯基卟啉包覆含量的增加而增強(qiáng)。
　　 (5)用四苯基卟啉包覆K2FeO4后，當(dāng)其立即放電時(shí)，放電性能減弱，為了克服這一缺點(diǎn)，選擇添加無(wú)機(jī)物質(zhì):KIO4，KClO3，NaBiO3和K2S2O8來(lái)改善四苯基卟啉包覆后K2FeO4的放電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NaBiO3和K2S2O8能增加四苯基卟啉包覆的K2FeO4的放電容量。同時(shí)還通過(guò)對(duì)添加NaBiO3后電極物質(zhì)的XRD物相分析來(lái)探討NaBiO3的作用機(jī)理。