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        綠色電池的陰極材料—高鐵酸鋇研究分析

        2016-05-09 02:58:32曲佳東
        中國(guó)科技博覽 2016年12期
        關(guān)鍵詞:制備添加劑穩(wěn)定性

        [摘 要]本設(shè)計(jì)初步研究了新型綠色電池的陰極材料-高鐵酸鋇在液相中的快速合成(利用高鐵酸鉀與鋇鹽進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)),分析了此物質(zhì)在制備過(guò)程中的影響因素,即溶劑、溫度、雜質(zhì)、及真空干燥過(guò)程等對(duì)BaFeO4純度的影響,并根據(jù)實(shí)際情況提出解決問(wèn)題的方案,得到了比較理想的預(yù)期結(jié)果??偨Y(jié)出溫度是影響高鐵酸鋇穩(wěn)定性的一個(gè)比較關(guān)鍵的因素。

        [關(guān)鍵詞]電池高鐵酸鋇;制備;分析;添加劑;穩(wěn)定性

        中圖分類(lèi)號(hào):TM910.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-914X(2016)12-0306-01

        1 前言

        近年來(lái),各類(lèi)微電子產(chǎn)品以及其它各種高端電子產(chǎn)品的相繼出現(xiàn),迫切要求電容量更大、放電性能更好、尤其是更適應(yīng)重負(fù)荷放電的新電池的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的鋅錳堿性電池具有放電容量較大、比能量較高、低溫性能優(yōu)良、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于人們?nèi)粘I?,但錳資源有限且存在著電池的污染和難回收等問(wèn)題,因此發(fā)展前景不容樂(lè)觀(guān)。超鐵電池是以Fe(Ⅵ)化合物取代堿性Zn-MnO2電池中的MnO2作為電池的正極材料,具有較平坦的放電平臺(tái),放電產(chǎn)物Fe2O3清潔無(wú)污染,因此用高鐵酸鹽作正極材料的新型超鐵電池被稱(chēng)為新一代“綠色”環(huán)保電池。由于高鐵酸鹽的諸多優(yōu)點(diǎn),它是一種極有可能取代MnO2的新型電極材料。目前制約該電池工業(yè)化的主要障礙是高鐵酸鹽的穩(wěn)定性問(wèn)題。高鐵酸鋇作為電池的正極材料具有較好的放電性能,它的穩(wěn)定性較差。本論文圍繞提高高鐵酸鋇的穩(wěn)定性以及進(jìn)一步改進(jìn)高鐵酸鋇作為陰極材料的電池性能而展開(kāi),以期為鐵基電池的開(kāi)發(fā)和工業(yè)化提供核心技術(shù),使電池家族再添新成員。

        2 BaFeO4的性質(zhì)

        BaFeO4的放電特性

        在堿性溶液中,高鐵酸鋇放電時(shí),+6價(jià)的鐵(FeO42-)在正極還原生成+3價(jià)的Fe2O3,與二氧化錳(MnO2)及羥基氧化鎳(NiOOH)堿性電池陰極材料相比,后者為單電子放電,因而高鐵具有更高的放電容量,其主要電極還原方程式如下:

        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 堿性電池中,其負(fù)極的反應(yīng)與Zn-MnO2堿性電池相同,即:

        Zn+2OH-+2e-=Zn(OH)2

        FeO42-陰極還原過(guò)程中生成的OH-離子在陽(yáng)極氧化過(guò)程中與Zn2+相結(jié)合生成Zn(OH)2,起著離子導(dǎo)電的作用,所以在高鐵電池中無(wú)需添加其它的電解質(zhì)。傳統(tǒng)的(Zn︱NH4Cl︱MnO2)電池因?yàn)樾枰砑尤敕欠烹娢镔|(zhì)NH4Cl生成放電產(chǎn)物ZnCl2,從而降低了電池的容量。

        3 BaFeO4的分析

        3.1 BaFeO4的配制

        (1)三氯化鉻儲(chǔ)備液:用蒸餾水溶解16.66gCrCl3·6H2O,定容于100ml容量瓶中;

        (2)飽和氫氧化鈉溶液:500ml飽和氫氧化鈉溶液中加入0.05g左右的Fe(Ⅵ)化合物,去除還原性物質(zhì),煮沸以除去剩余的過(guò)量Fe(Ⅵ)化合物;

        (3)硫酸溶液:將一定量的濃硫酸溶于其五倍體積的水中;

        (4)硫酸-磷酸混合溶液:240ml蒸餾水中加入60ml濃硫酸和150ml85%的磷酸;

        (5)重鉻酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液:將1.042g K2Cr2O7溶解并定容于250ml容量瓶中,濃度約約為0.085M;

        (6)二價(jià)鐵滴定液:將16.66~16.70g Fe(NH4)2(SO4)2溶解并定容于500ml容量瓶中,濃度約為0.08M;

        (7)二苯胺磺酸鈉溶液:0.5g二苯胺磺酸鈉溶解定容于100ml容量瓶中;

        (8)亞鉻酸鹽堿液的配制:向20ml飽和氫氧化鈉溶液中加入5ml三氯化鉻溶液與5ml去離子水混合液,冷卻至室溫,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標(biāo)定

        取20ml K2Cr2O7(0.085M)混合于50ml去離子水中,65ml H2SO4(體積比為1:5)+15ml混酸(H2SO4+H3PO4),再向溶液中滴20滴二苯胺磺酸鈉進(jìn)行滴定。

        (2)稱(chēng)取0.12~0.15g的高鐵酸鋇固體,加入到事先配制好的堿性三氯化鉻溶液中,在冰浴中冷卻到室溫后攪拌30分鐘左右。

        (3)加入50ml去離子水,放入溫度為92℃左右的磁力加熱攪拌器中加熱攪拌,使其充分反應(yīng)1個(gè)小時(shí)。

        (4)在常溫下冷卻,依次加入100ml去離子水、65ml硫酸溶液、15ml硫酸-磷酸混合溶液、20滴二苯胺磺酸鈉指示劑,冷卻到室溫。

        (5)用標(biāo)準(zhǔn)Fe(NH4)2(SO4)2溶液進(jìn)行滴定,溶液的顏色由暗綠色變?yōu)榈G色即為滴定終點(diǎn)。值得注意的是由于未被還原的溶液顏色呈暗綠色,到滴定終點(diǎn)沒(méi)有鮮明的顏色突越,滴定時(shí)一定要注意觀(guān)察其顏色變化,及時(shí)捕捉顏色變化。

        (6)間隔一段時(shí)間測(cè)量一次純度,直到測(cè)量若干個(gè)數(shù)據(jù)并記錄。

        (7)總結(jié)、畫(huà)圖。

        3.3 BaFeO4的計(jì)算方法

        BaFeO4純度:P%=V·N·FW×100/(3000×M)

        式中符號(hào)表示的量分別為:

        V= Fe(NH4)2(SO4)2體積

        N= Fe(NH4)2(SO4)2濃度

        FW= BaFeO4分子量=257.11

        度。

        4 電池的組裝

        (1).稱(chēng)量一定量的高鐵酸鋇、石墨、氫氧化鋇、添加劑于研缽當(dāng)中,滴加一定濃度的電解液均勻混合。

        (2)用自制模具將混后的材料壓制成正極環(huán),并壓入AAA型電池殼中。

        插入隔膜、注入鋅膏而后插入探針,機(jī)械封蓋,組裝成Zn-超鐵電池。

        5 電池的放電性能測(cè)定

        在恒定負(fù)載下測(cè)量電池放電性能,終止電壓為0.8V,放電的溫度環(huán)境是25℃,電腦每隔10秒自動(dòng)讀取放電電壓值并記錄。

        6 結(jié)論

        本設(shè)計(jì)基于液相合成的方法對(duì)添加了不同比例Na2SiO3的高鐵酸鋇進(jìn)行純度分析,并將其作為電池陰極材料測(cè)定超鐵電池的放電性能,得到了以下結(jié)論:

        (1)在制備高鐵酸鋇過(guò)程中,溫度控制、分析滴定、溶液配制、溶劑中二氧化碳含量、除雜效果、真空干燥等都會(huì)影響產(chǎn)物的純度。

        (2)通過(guò)對(duì)Zn-BaFeO4與Zn-K2FeO4電池的放電性能比較,前者以它的高電容、高放電效率、平穩(wěn)的放電平臺(tái)而明顯優(yōu)于后者。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 賈紅光.超鐵電池的研究及展望.化學(xué)研究與應(yīng)用,2005,14(3):251-254.

        [2] 譚繼承,何中華.高價(jià)態(tài)鐵酸鹽的合成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究進(jìn)展.臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(3):48-50.

        [3] 李志遠(yuǎn),趙建國(guó),韋麗紅.過(guò)氧化鈉法高鐵酸鹽轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究.無(wú)機(jī)鹽工業(yè),1995,18(5):10-12.

        [4] 叢文博,張寶宏,楊紅.新型電極材料高鐵酸鹽的合成研究.應(yīng)用科技,2002,29(3):56-58.

        [5] 董全峰,金明鋼,尤金跨.高鐵酸鹽電池材料與應(yīng)用進(jìn)展.電池,2002,32(S1):11-13.

        作者簡(jiǎn)介

        曲佳東,男,助理工程師,目前從事化工裝置的安全技術(shù)和管理工作。

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