[發(fā)明專利]高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料及其制備方法與制備的鐵電極

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710023046.9
• 申請日: 2017-01-12
• 公開（公告）號: CN107068991A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱丁;劉平;陳云貴;楊軍
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/24;H01M10/30
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司51202
• 代理人: 呂建平,周敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鐵鎳電池領(lǐng)域，特別是涉及一種高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料及其制備方法和由其制備的鐵電極。

背景技術(shù)

鐵鎳電池又稱“愛迪生電池”，自1901年來，廣泛應(yīng)用于車輛牽引、礦采電源及應(yīng)急照明等領(lǐng)域。但由于鐵電極在堿性電解液中存在易鈍化、自放電嚴(yán)重及充電效率低等缺點(diǎn)，逐漸被具有更好性能的鎳鎘電池替代。近年來隨著社會(huì)的進(jìn)步，能源危機(jī)及環(huán)境污染問題的出現(xiàn)，人們開始致力于環(huán)保型電池研究，鐵鎳電池逐漸重新受到關(guān)注，進(jìn)軍光伏、風(fēng)能應(yīng)用領(lǐng)域，與鉛酸競爭。鐵鎳電池屬于可重復(fù)充電的二次電池，被認(rèn)為是未來極具競爭力的儲(chǔ)能電源，電池的性能由其中含鐵基化合物材料的鐵負(fù)極決定。與傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳鎘電池相比，鐵鎳電池具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)袋式鐵鎳電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固，耐過充放程度極高，具有很好的安全性，不僅單體容量可做到1000Ah(超過目前鋰離子電池的20倍)，而且電池組運(yùn)行時(shí)無需像鉛酸、鋰電模塊要求每個(gè)電池均一化，因此可大規(guī)模使用，管理方便；(2)經(jīng)久耐用，故障率極低，穩(wěn)定性非常好。85年前生產(chǎn)的鐵鎳電池如今注液活化后仍可迅速恢復(fù)容量。采用鐵鎳電池作為動(dòng)力源的底特律純電動(dòng)汽車可從1912年一直正常運(yùn)行到1997年；(3)循環(huán)壽命長，深度充放時(shí)壽命能達(dá)到3000次，使用年限大多超過20年。這使得電池長期使用成本甚至低于鉛酸電池。(4)鐵鎳電池環(huán)境友好、資源豐富。

雖然鐵鎳電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域表現(xiàn)出了可觀的應(yīng)用潛力，但鐵負(fù)極本身的缺點(diǎn)卻制約其在儲(chǔ)能市場的進(jìn)一步發(fā)展。鐵負(fù)極材料不足的問題包括：(1)電池自放電大；(2)電池充電效率低；(3)鐵負(fù)極活性物質(zhì)利用率低；(4)倍率性能及低溫性能較差。針對上述問題，Encell公司采用先進(jìn)鐵負(fù)極材料生產(chǎn)鐵鎳電池，通過對電解液進(jìn)行改性(如添加有機(jī)表面活性劑)，使電池的容量、循環(huán)壽命及能量密度等有所改善，但其倍率性能差，6C(庫倫)放電容量維持率僅有13.9％，低溫性能差，253K及243K放電容量維持率接近30％和10％。南加州大學(xué)研究結(jié)果表明，在活性物質(zhì)中加入5wt.％的Bi₂S₃以及在電解液中加入有機(jī)硫化合物，能使充電效率高達(dá)96％，容量提升至300mAh g^-1，但倍率性能依然很差，1C容量維持率不到70％，低溫性能仍然有待提高。斯坦福大學(xué)的研究表明，在活性材料中復(fù)合石墨烯，能使電池比功率高達(dá)15kW kg^-1，大電流放電能力提升。但在活性物質(zhì)中添加Bi₂S₃或者復(fù)合石墨烯，成本增加太多，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對目前鐵鎳電池存在的問題，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料，且能同時(shí)提高鐵鎳電池的充電效率、倍率性能和低溫性能，解決其充電效率低、低溫大電流性能差的問題；本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料的制備方法，以簡化生產(chǎn)工藝，降低成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供由上述鐵負(fù)極材料制備的鐵電極，以用于鐵鎳電池。

針對本發(fā)明的第一個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明提供的高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料，包括選自Fe、FeO、Fe₃O₄中至少一種的基體組分和選自改性元素La、Ce、Nd、Sm、Y、Zn、Cu、Co、Ni中至少一種的氧化物或鹽的改性組分。

上述高庫倫效率低溫倍率型鐵負(fù)極材料，所述改性組分中改性元素在負(fù)極材料金屬元素中的摩爾百分含量為0.1％～25％。

針對本發(fā)明的第二個(gè)發(fā)明目的，本發(fā)明提供上述鐵負(fù)極材料的制備方法，包括如下工藝步驟：