目前國內外研究的鐵電池有高鐵和鋰鐵兩種，還沒有廠家宣稱其產品可以大規模實用化。 高鐵電池是以合成穩定的高鐵酸鹽（K2FeO4、BaFeO4等），可作為高鐵電池的正極材料來製作能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新型化學電池鐵電池。
基本介紹
電池介紹,安全問題,歷史,早期套用,後期套用,優點,高能高容量,原料豐富,原理,高鐵電池,原料套用,高鐵中的含量,負極材料,電解液,水溶液體系,非水體系,特點,優缺點,特性壽命,前景,研發現狀,套用前景,
電池介紹
1.ironcell
安全問題
單純的鐵電池，安全性相對強一些；但也不如另一種 形式的 儲存電能的裝置 -- 超級電容器 ，又叫法拉電容。因為充電電池是化學電池，充電過程就是一個可逆的過程，都有危險性。
而鋰鐵電池，因為有鋰離子，電壓過高容易產生鋰枝晶，也即是生成了單質鋰，容易發生短路，造成危險。
所以，大家在使用鋰鐵電池時候，尤其是充電的時候，要注意安全，不要超過許可電壓。
歷史
早期套用
鎳鐵電池由愛迪生在1901年發明，當時被用作電動汽車的能源，比如底特律電動車(Detroit Electric）。鎳鐵電池與鎳鎘電池相比，最大的優勢是價格低廉，但由於這類電池充電效率低，以及後來制氫技術的大發展，鎳鐵電池技術逐漸衰落。
後期套用
愛迪生在1903到1940年間製造這些電池，為公司帶來了可觀的利潤。使愛迪生失望的是，沒有人接受用他的電池來啟動內燃機，而上述的電動汽車在引進這些電池的幾年後就停產了。最後，這種電池只是在鐵路信號傳送及備用電源方面得到廣泛的套用。
優點
高能高容量
市場上的民用電池比功率只有60- 135w,而高鐵電池可以達到1000w以上，放電電流是普通電池的3－10倍。特別適合需要大功率、大電流的場合。高鐵電池性價比高。
高鐵電池放電曲線平坦。 如Zn-K2FeO4 ， 70%以上的放電時間在1.2-1.5V。
原料豐富
地殼中最為豐富的金屬元素為鋁和鐵，鐵在地殼中的含量為4.75%,錳的含量為0.088%。同時每mol+6價鐵能產生3mol電子，而每mol+ 4價錳僅能產生1mol電子，鐵的用量在自身非常豐富的情況下，僅是錳的1/3，大大節約了社會資源，降低了原料的成本。市面上MnO2大約9000元/ 每噸，Fe(NO3)3大約7500元/每噸。
綠色無污染。高鐵酸鹽放電後的產物為FeOOH或Fe2O3-H2O，無毒無污染，對環境友好。不需要回收。
原理
鐵電池套用
進一步降低汽車尾氣對環境帶來的污染，採取著不同措施，一些新能源不斷被利用到現代的汽車中，比如天然氣，氫能源，電動能源，燃料電池等，而燃料電池就是各個汽車廠家和科研機構著力研究的一個方向。
國內外研究狀況
高鐵電池
原料套用
高鐵作為電池的正極材料時, 該電極反應為三電子反應, 電池的電勢以及能量都比傳統的鋅錳電池高。而且這種材料價格低廉對環境無污染, 因此受到電化學界的廣泛注意。
高鐵中的含量
高鐵酸鹽物質在電池反應中可以得到3 個電子, 所以有相對較高的容量。從表1 可以看出, 高鐵酸鋰的理論容量高達601Ah/kg。高鐵酸鋇的理論容量也有313Ah/kg。而MnO2的容量為308Ah/kg。
高鐵電池
高鐵電池以高鐵酸鹽為正極材料取代商業鋅錳電池中的MnO2即可組成高鐵一次電池。
其電池反應為:
MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MznO2
圖1 是高鐵酸鉀—鋅電池和鋅—錳電池放電曲線比較。7號電池在0.5mA/cm2 的電流密度下恆電流放電, K2FeO4 正極材料對Zn 的平均放電電壓是1.58V。該電壓高出鋅錳電池平均放電電壓( 1.27V) 24% , 前者的放電容量比後者高32% 。在以上條件下其放電效率為85%。與傳統的鋅錳電池相比, 高鐵一次電池具有高電壓( OPV: 1.9V) 、高能量( 1.55Wh, AAA) 、不消耗電解液和不污染環境等優點。
負極材料
在高鐵電池中，可作為電池負極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。
鋅
根據鋅的金屬特性，其平衡電位較負，電化當量較高，因而比能量和比功率都比較高。而且鋅具有較好的放電性能，價格便宜，來源豐富。在化學電源中得到廣泛的套用。
在鹼性溶液中，鋅電極反應除了形成鋅酸鹽外，最終產物主要為固相的氧化鋅：
Zn + 2OH-→Zn(OH)2+ 2e
Zn(OH)2 + 2OH-→Zn(OH)42-
Zn(OH)42-→ZnO + H2O + 2OH-
總反應為：Zn + 2OH- →ZnO + H2O + 2e
對於鋅負極，在套用於高鐵電池中有著一定的優勢，因為鋅電極作為負極材料在鹼性溶液中有著較成熟的理論和工藝積累。研究Zn-MFeO4電池時，在緩蝕劑、導電劑、隔膜、集流體以及製造工藝等方面有許多可借鑑的技術。
鋁
鋁作為高鐵電池的負極，會遇到兩個問題：一是鋁在鹼性溶液中的自腐蝕問題，在強鹼性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時產生大量的氫氣，對高鐵酸鹽來說，穿過隔膜的氫氣會加速高鐵酸鹽的分解；二是鋁在陽極過程中表面產生沉積物會阻止電極的反應，使陽極過電位升高，降低了陽極的電壓效率。可以通過合金化和電解液添加劑這兩個途徑來克服上述問題。通過添加一些元素形成二元或多元鋁合金，如添加Ga、Sn、In等金屬可以改變鋁表面沉積物的組成結構，提高鋁的陽極電位，同時增強鋁抗自腐蝕的能力。在電解液中添加其它物質也可以改善電極反應產物的晶型, 從而起到抑制腐蝕和提高陽極電位的作用。如添加In(OH)3可以有效減小腐蝕，而添加Ga2O3、Na2SnO3或檸檬酸鈉等都可以對活化電極起到有效的作用。
鐵
鐵作為電池負極在鹼性溶液中的電極反應比較複雜，鐵失去電子形成穩定的+2價和+3價氫氧化物，即，
Fe + nOH- → Fe(OH)n2-n +2e
Fe(OH)n2-n →Fe(OH)2+ (n-2)OH- E°= -0.877V (vs. SHE)
Fe(OH)2 + OH- →Fe(OH)3+ e E°= -0.56V (vs. SHE)
然後，2Fe(OH)3 + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 4H2O
在鹼性溶液中，鐵最初形成+2價產物，二價鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n 絡合物，在繼續放電時生成+3價鐵，而且由+3價鐵與+2價鐵相互作用形成Fe3O4。
鐵與高鐵酸鹽組成電池時，電池的開路電壓為1.5V左右，隨著高鐵酸鹽的類型而有少許變化。由鐵電極的放電曲線可知，鐵負極在放電時有兩個放電平台，第一個放電平台對應的是Fe向Fe(OH)2的轉化；第二個放電平台對應的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應，第一個放電平台到第二個放電平台電壓會降低0.3V左右。實際上，第二個平台的放電容易受到很多因素的影響。如第二次放電產物和高鐵酸鹽的反應產物 Fe(OH)3會與Fe(OH)2形成Fe3O4，影響了Fe(OH)2的放電。鐵負極與高鐵酸鉀組成的單體電池在第一放電平台的理論容量應為285.3mAh/g。
鎘
鎘與高鐵酸鹽組成電池時，單體電池開路電壓的理論值應在1.4V左右。鎘的電化當量為477mAh/g，與K2FeO4組成電池的理論容量為219mAh/g。
電解液
水溶液體系
高鐵電池的正極材料為高鐵酸鹽，而高鐵酸鹽的可溶性比較差，即使在在中性及至弱鹼性水溶液中也很不穩定。因此，以高鐵酸鹽為正極材料的化學電源的水溶液體系只能是濃的強鹼水溶液。在鹼性水溶液中，可作為電池負極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。
非水體系
高鐵酸鹽在一些非水性有機介質如乙腈、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、乙二醇二甲醚（DEM）和四氫呋喃（THF）中也非常穩定，而且幾乎是不溶的。這使得高鐵酸鹽可以作為非水性電解液電池的正極材料。使得鋰電池具有高電壓、高比能量的特點，在醫藥、軍事、航海和電子等領域得到廣泛套用。
特點
鋰鐵電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由於其性能特別適合於動力方面的套用，因而也有人叫它“鋰鐵動力電池”。（以下簡稱“鋰鐵電池”）
鋰鐵電池的工作原理（LiFePO4）
LiFePO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連線，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連線。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。
LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。
LiFePO4電池主要性能
LiFePO4電池的標稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由於各個生產廠家採用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝的標準電池），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。
磷酸鐵鋰電池的特點
效率輸出
標準放電為2～5C、連續高電流放電可達10C，瞬間脈衝放電（10S）可達20C；
溫時性能良好
外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好；
安全性
使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好；
使用壽命
好的循環壽命，經500次循環，其放電容量仍大於95%；
放電情況
放電到零伏也無損壞；
充電情況
可正常充電、快速充電；
成本
材料可循環利用，故成本不高；
環保
環境無污染。
優缺點
優點：壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素無害、成本低。
缺點：能量密度低、振實密度低（體積密度）。
未來的電動汽車應該以小里程、快充電的電動汽車為主。而目前家用車需要長續航的雙模混合動力，以及公交市場的大續航純電汽車。那么這樣的車需要什麼樣的電池？
一、安全
首先安全是汽車必備的前提。汽車不同於手機和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預知因素，比如車禍造成的電池擠壓和撞擊。而任何一個不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續著火事件，雖然得利於特斯拉的安全設計並沒有出現人員傷亡。但同時也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對車和人並無傷害，而電池卻著火了，那么如果是更嚴重的事故呢？
二、高倍率放電壽命
普通汽車使用壽命長達數十年，一輛電動汽車的電池，10年至少需要3000次的循環壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利於市場的推動。目前世界各車企的電動汽車，只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質保。
三、溫度適應性
極寒對電池的影響，主要表現在充放電倍率低和電容量減少；極熱對電池的影響，主要表現為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。
極寒對於電池的影響相對較輕，因為一般鋰電池都可以在零下20度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會產生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。
四、能量密度
能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優略的重要指標，但是在筆者的分析體系里，能量密度在電池性能指標中不是很重要。
五、成本
成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優勢，這在本系列第一篇也已經計算過。小里程純電或者混動電動車，一方面需要減少車載電池量節約電芯成本，另一方面需要降低電池包+保護設備的成本。因此我們發現，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。
特性壽命
磷酸鐵鋰動力電池（以下簡稱鋰鐵電池）作為鐵電池的一種，一直受到業界朋友的廣泛關注（也有人說鋰鐵電池其實就是鋰離子電池的一種）。就鐵電池而言，它可以分為高鐵電池和鋰鐵電池，今天我們以型號為STL18650的鋰鐵電池為例，來具體說明一下鋰鐵的電池的放電特性及壽命。
STL18650的鋰鐵電池（容量為1100mAh）在不同的放電率時其放電特性如圖2所示。最小的放電率為0.5C，最大的放電率為10C，五種不同的放電率形成一組放電曲線。由圖1中可看出，不管哪一种放電率，其放電過程中電壓是很平坦的（即放電電壓平穩，基本保持不變），只有快到終止放電電壓時，曲線才向下彎曲（放電量達到800mAh以後才出現向下彎曲）。在0.5～10C的放電率範圍內，輸出電壓大部分在2.7～3.2V範圍內變化。這說明該電池有很好的放電特性。
圖1 STL18650的放電特性
容量為1000mAh的STL18650在不同的溫度條件下（從-20～+40℃）的放電曲線如圖2所示。如果在23℃時放電容量為100%，則在0℃時的放電容量降為78%，而在-20℃時降到65%，在+40℃放電時其放電容量略大於100%。
從圖3中可看出，STL18650鋰鐵電池可以在-20℃下工作，但輸出能量要降低35%左右。
圖2 STL18650在多溫度條件下的放電曲線
STL18650的充放電循環壽命曲線如圖4所示。其充放電循環的條件是：以1C充電率充電，以2C放電率放電，歷經570次充放電循環。從圖3的特性曲線可看出，在經過570次充放電循環，其放電容量未變，說明該電池有很高的壽命。
圖3 STL18650的充放電循環壽命曲線
過放電到零電壓試驗
採用STL18650（1100mAh）的鋰鐵動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然後用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天；存放到期後再用0.5C充電率充滿，然後用1.0C放電。最後比較兩種零電壓存放期不同的差別。
試驗的結果是，零電壓存放7天后電池無泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天后的電池再做3次充放電循環，容量又恢復到100%。
這試驗說明該電池即使出現過放電（甚至到0V），並存放一定時間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。
前景
鐵電池是在鋰電池基礎上的最佳化、更新。從成本上講，鐵比鋰更低。而且，鐵是地球上含量第二豐富的金屬元素，到處可以取得，所以具有先天的優勢。相對比原來的鋰電池造價更低的成本優勢，由於鐵電池的定價跟原材料選用有直接關係，因而造價自然會低很多。
鋰鐵電池具有眾多的優點，從材料的原理上講，磷酸鐵鋰也是一種嵌入/脫嵌過程，這一原理與鈷酸鋰，錳酸鋰完全相同。磷酸鐵鋰電池的優點在於，安全、價格便宜、環保。
首先，磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中最好的。它和其他磷酸鹽的安全性能也基本一樣，用磷酸鐵鋰做電池，不用擔心爆炸問題。
其次，穩定性高，高溫充電的容量穩定性好，儲存性能好。這點是最大的優點，在所有知道的材料中也是最好的。
此外，整個生產過程清潔無毒。所有原料都無毒。並且磷酸鹽採用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料，這些材料都十分便宜。
研發現狀
根據鋰鐵電池的眾多優點，並且伴隨著磷酸鐵鋰做電池技術的成熟，該技術正在被企業推向市場。
07年3月，北京大學與北大先行科技產業有限公司聯合申報的“磷酸鐵鋰產業化技術”經北京市政府批准進入“北京新材料工程中心”首批入選項目。10月25日，北京趙鳳桐副市長親自為“磷酸鐵鋰產業化基地”授牌。項目由政府資助金額180萬元，將形成具自主智慧財產權的“能量型”和“功率型”兩大產品規格系列及300噸/年的生產線，建設周期為2007年1月至2008年12月。
事實上，幾年前美國Valence(威能)公司和A123(高博)公司，就已在國內(江蘇)有材料生產企業生產磷酸鐵鋰正極材料，然後採用委託其他電池公司代工生產電池出口。
而高鐵電池作為電池中的一種新興技術，但是，作為能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新型化學電池，將來一定會有更好的套用前景。
套用前景
雖然要想完全市場化仍存在一些現實問題，如政府的支持力度、消費者的認同、充電設備的建設等，但是隨著技術的成熟，鋰鐵電池將會有更好的發展。
在國外，有很多生產廠家都在研究動力電池，而在國內，但這畢竟是大膽地嘗試了將技術轉化為產品，這種商業化運作模式為其他致力於生產電動汽車及混合動力汽車的企業帶來了很大的啟示，也為電池製造企業指了條明路。相信，隨著燃料電池技術在汽車上的套用的不斷成熟，“鐵電池”技術將會擁有更大的用武之地。
缺點：“鐵電池”生產過程中對工藝要求非常高，如果把握不好，電池肯定會出現很多小問題。並且鐵電池的價格也不菲，國內生產的40Ah容量磷酸鐵鋰電池組成本在3萬元到4萬元之間，如果是120Ah的磷酸鐵鋰電池組，市場價大約要12萬元。而比亞迪在早些時候發布的資料顯示F3DM所用鐵電池組容量為60Ah，這顯然會造成生產成本居高不下。另外關於比亞迪的雙模技術，電池是其企業的優勢所在，無疑多年的經驗讓其在“鐵電池”套用上占有一定的優勢，但比亞迪在油電切換這一塊的技術，比豐田通用等等落後很多，根本達不到像豐田普銳斯那樣地切換自然，相信在這一塊的技術，比亞迪至少還要研究三五年。這些都是制約F3DM銷售的原因。
關於套用前景，充電站是關鍵。在全國範圍內，電動車的充電站少得可憐，這也是導致包括亞迪F3DM在內的電動車沒有零售的直接原因。雖然比亞迪曾經在F3DM上市時表示，快速充電站正在建設當中，但卻未給出充電站建設的具體時間表。筆者去過比亞迪工廠幾次，在其廠房門口看到了F3DM專用充電站，發現這種充電站並不是很容易建成的。要建造一個電動車的充電站，成本投入是非常巨大的。而在一個城市中，至少需要幾百個充電站才能滿足需求。充電站建設地址、占地面積都很成問題，並且還有一個關鍵的問題是充電時間的問題，如果一輛車動輒要充上幾個小時，那么一個與加油站同等面積的充電站，每天才能充幾十輛車而已。號稱純電動可以續航400KM的比亞迪E6，實際套用中，只能到200多KM，充電時間需要8小時以上（甚至更長），如果沒有私人車庫，如何在晚上充電時保障車輛和充電器的安全？
