镍铁电池：碱性二次电池领域的新选择，优势明显但存在技术瓶颈

镍铁电池：碱性二次电池领域的新选择，优势明显但存在技术瓶颈

广播基本介绍

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镍铁电池是碱性二次电池，而在碱性电池领域已广泛应用的镍镉电池（-）由于重金属污染严重，已逐渐被废弃。目前，镍镉电池在碱性电池市场上留下的空缺，可以被以下三种环保电池所取代，即镍氢电池（Ni-MH）、镍锌电池（-Zinc）和镍铁电池。近年来，由于稀土价格上涨的影响，镍氢电池市场价格居高不下;镍锌电池在可靠性和稳定性方面还没有完全解决;与前两种电池相比，镍铁电池在价格、稳定性和寿命方面具有明显的优势。然而，镍铁电池的低充电保持率、低温度和倍率性能是制约其广泛应用的主要技术瓶颈。

它通常用作备用，因为它可以连续充电，并且在存储大约 20 年后仍然可以工作。它的缺点是单位质量（体积）存储的电能量少，不能很好地存储电能，在低温下性能低下，与铅酸电池相比，制造成本高。这使得它的使用不那么广泛。

这些电池之所以能够承受频繁的充电和放电，是因为反应物在电解质中的溶解度低。在装料过程中，由于四氧化三铁的溶解度低，金属铁的形成非常缓慢。这既是一件好事，也是一件坏事。好消息是铁晶体的缓慢形成可以保护电极，但坏处是它限制了电池的性能，使其充电和释放缓慢[1]。

作曲结构广播

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1902年，美国专利局公开授予爱迪生的发明专利（），引入了一种可逆原电池（）。用铁做负极，用氧化镍做正极，电解质用氢氧化钾溶液。爱迪生透露：在电池放电过程中，正极上的活性物质被还原成氢氧化镍，负极上的铁失去电子而变成二价铁离子，二价铁离子立即与溶液中的氢氧化物结合形成沉淀。在电极制造过程中添加了约25%的石墨粉，以增强活性物质的导电性，这就是镍铁电池的原型。20多年来，爱迪生一直在对镍铁电池进行深入研究，包括镍铁电池外壳、隔膜、集电器的改进、正负极活性材料的制备、添加剂和电解质等。1910年，镍铁电池成功商业化，用于电动汽车的供电。

住房

最初，爱迪生发明的镍铁电池外壳是由铁或钢制成的。这种外壳的内壁是镀镍的，以防止由于碱液对容器壁的腐蚀，虽然成本较高，但其坚固的结构满足了电池在恶劣环境（如矿车、火车和地铁应急电源等）下的需要，并且金属具有良好的导热性，有利于电池的散热。目前，在电网储能领域，由于其位置固定，电池外壳的力学性能不高，因此普遍采用工程塑料，如聚丙烯（PP）、甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物（MBS）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等，以满足轻量化和耐腐蚀的效果。但是，随着未来动力镍铁电池的发展，对外壳在使用环境中的强度要求也越来越高，使用不锈钢外壳仍然是首选。

隔膜

隔膜/隔膜的作用是保证正负极之间的绝缘和隔离，防止电池内部短路，同时保证离子在电化学反应过程中的正常迁移，使电池中的离子能够顺利导电。爱迪生采用耐碱石棉纤维材料作为镍铁电池的隔膜，石棉纤维的两侧涂有一层薄薄的镍和铁层，镍层和铁层分别连接在正负极板上，以降低电池的内阻。为了提高石棉板的孔隙率和压力，爱迪生将石棉隔膜浸泡在水杨酸中，得到了很好的效果。对于镍铁电池中使用的隔膜来说，隔膜之间OH-的迁移能力、耐碱性、机械强度和润湿性都是评价隔膜的重要指标。与隔膜相比，隔膜强度高，绝缘性好，一般用于对功率密度要求不高的镍铁电池。由于极板周围电解质丰富，隔膜对极板周围的离子迁移影响较弱。常见的隔膜包括橡胶隔板、聚丙烯（PP）隔板和聚乙烯（PE）隔板。但与隔膜相比，隔膜具有厚度小、离子迁移能力强等优点，对于电池能量密度和功率密度的提高具有巨大的优势。因此，对于高性能镍铁电池，使用隔膜是可取的。

集电器

为了提高电池的性能，镍铁电池极板中使用的集流体多为穿孔钢带，钢带表面多镀有“镍层”。这不仅可以抑制钢带中铁对正极的中毒作用，而且可以提高集流体在碱液中的耐腐蚀性，增加电池的使用寿命。然而，使用钢带作为集流体极大地限制了电池的容量和倍率性能。除镀镍钢带外， 使用镀锡铜网作为镍铁电池负极的集流体可以有效提高电极片的导电性， 铜网表面的镀锡层可以帮助增加负极材料的析氢过电位，提高电池的充电效率和充电保持率.近年来，随着发泡镍基板和纤维状镍衬底的问世，特别是以轻质、高孔隙率为基体的泡沫镍膏电极生产工艺的发展，对铁镍电池高倍率放电、低自放电率等性能的研究达到了一个新的高度。泡沫镍在镍氢、镍锌等碱性二次电池中的成功应用，也为镍铁电池提供了新的发展方向：采用泡沫镍作为集流体和粘贴法制成的铁负极，可以提高镍铁电池的性能。

电解质

镍铁电池使用的电解液一般是氢氧化钠或氢氧化钾溶液，有研究表明，在电解液中加入少量氢氧化锂可以使电池容量增加10%左右。爱迪生指出，电解液中氢氧化锂的质量分数为2%，氢氧化钠的质量分数为15%或氢氧化钾的质量分数为21%，以溶液作为电解液制备的镍铁电池性能良好。用氢氧化钾电解液制成的镍铁电池具有更好的高温性能，但价格比氢氧化钠高，因此在工业生产中往往根据电池使用环境和成本来考虑电解液。

广播的优点和缺点

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它的使用寿命很长，可达20-30年，存放85年后仍然可以使用。在15,000次循环后，容量也可以保持在80%。镍铁电池还具有出色的抗过冲和过放电能力。但它也有很多缺点，与2V铅酸电池相比，镍铁电池只有1.2V，能量质量比也比铅酸电池差，放电容量更差，只有铅酸电池的一半多一点（约100W/Kg）。此外，镍铁电池每月的自放电率高达20%-40%[2]。

发展与前景

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镍铁电池为人类提供了一种廉价、清洁、安全的选择，大功率镍铁电池的探索和开发是当前的主流发展方向，然而，由于镍铁电池本身的局限性，电池的一些性能并不理想，在许多领域仍有相当大的发展空间， 这也促使相关科研人员不断总结和创新，以促进镍铁电池的不断发展。

然而，镍铁电池阳极率性能差、自放电严重、充电效率低下、析气问题等是制约密封镍铁电池乃至动力镍铁电池发展和应用的主要因素。因此，改进铁负极值的科学问题，拓宽镍铁电池的种类和应用领域具有重要意义。今后，应主要围绕以下几个问题进一步深入开展研究。1）提高负极材料比容量，改善密封圆柱形镍铁电池的气体逸出和电池内压过大的问题，发展贫液圆柱形镍铁电池，替代市场上广泛使用的圆柱形镍镉、镍氢等二次电池;2）加强石墨烯、碳纳米管等材料在高性能，特别是大功率镍铁电池中的开发与应用，使电池在未来能够应用于电动汽车领域;3）探索深度放电对镍铁电池寿命的影响，开发循环次数超过10000次的长寿命镍铁电池，并将其应用于对电池寿命要求较高的并网储能领域;4）提高电池的充电保持率，提高电池的高低温性能，致力于高纬度地区镍铁二次电池应用的开发;5）镍铁电池作为通信基站、火车、地铁等的备用电源也具有一定的应用前景，针对这一应用，电池的可靠性和稳定性应进一步提高[3]。