專利名稱：活化型鐵電極的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于一種電極，特別涉及一種活化型鐵電極。
背景技術(shù)：
鐵作為電池負(fù)極材料具有很長(zhǎng)的充放電壽命，充電時(shí)不產(chǎn)生晶枝；電化當(dāng)量為0.6947/g·(Ah)-1，具有制作高能電池的潛在條件；原料廣泛，價(jià)格低廉。但是，目前應(yīng)用的鐵電極材料具以下缺點(diǎn)1、電極充電效率低。在堿性溶液中，由于鐵的氫超電勢(shì)低，在Fe2+-Fe階段，將有約50％的充電電流消耗于H2的發(fā)生，庫(kù)侖效率低，其充電效率低。2、自放電高。鐵電極在擱置時(shí)H2在鐵電極上發(fā)生，形成腐蝕電池而使鐵電極自放電。未填加緩蝕劑的普通鐵電極擱置30天容量損失超過60％。3、電極容易鈍化。由于鐵電極表面形成致密的氧化膜，阻止了鐵電極的放電，尤其在大電流放電時(shí)更容易發(fā)生。4、活性物質(zhì)利用率低。普通鐵電極活性物質(zhì)利用一般在10％-15％之間，極大地限制了電池比能量的提高。5、電極工作電壓低。普通鐵電極的第一放電平臺(tái)為-0.879V，第二放電平臺(tái)為-0.651V，電極電位較低。
由于上述缺點(diǎn)的制約，鐵往往與鎘、汞等重金屬混合，制成鎳鐵電池或其它電池。這些電池不僅難以滿足環(huán)境保護(hù)要求，而且應(yīng)用領(lǐng)域受到極大的限制。目前，以鐵電極制成的商品化電池已逐步退出市場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在不添加有害重金屬(如Hg、Cd、Pb等)的活化型Fe-Al-Sn-Ga電極，這種電極充電效率高、可抑制自放電且使用壽命長(zhǎng)，并可與儲(chǔ)氫材料共混制成密封電池。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種活化型鐵電極，其特征在于在鐵電極中摻入Al-Sn-Ga合金。
上述合金中可以添加微量提高析氫過電位的元素，也可以添加微量抑制析氫的低溫合金元素。
上述Al的含量為鐵電極重量的0-10％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-5％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.75％。
上述鐵電極可以采用羰基鐵粉、水霧化鐵粉、還原鐵粉中的任意一種，也可以采用上述鐵粉的混合物。
上述鐵電極可以采用鐵的氧化物、可以采用鐵的氫氧化物，也可以采用它們的混合物。
上述鐵電極可以采用鐵粉和鐵的氧化物、氫氧化物按任意比例混合的混合物。
上述活化型鐵電極的制作工藝為將鐵粉放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出進(jìn)行，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為鐵電極重量的0-2％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％為最佳；若不考慮成本問題，上述三種元素含量可分別增至10％、5％和0.75％。
上述活化型鐵電極電極的制作工藝為鐵電極也可用鐵氧體、化學(xué)法制出的FeO、Fe3O4、Fe2O3、Fe(OH)2和傳統(tǒng)鐵電極中的任意一種為原料，也可以是上述材料的混合物，放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為小于5％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％；若不考慮成本問題，上述三種元素含量可分別增至10％、5％和0.75％。
上述活化型鐵電極電極的制作工藝為將鐵粉和鐵的氧化物、氫氧化物按任意比例混合，放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為小于5％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％；若不考慮成本問題，上述三種元素含量可分別增至5％、5％和0.75％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、無(wú)須添加有害重金屬(如Hg、Cd、Pb等)即可活化，并具有較高的循環(huán)壽命。2、能大電流放電，電極不鈍化。當(dāng)放電電流達(dá)到40mA/cm2時(shí)鐵電極仍可正常工作。3、電極電位高，第一放電平臺(tái)電位在-0.94V至-0.98V之間，比普通鐵電極第一放電平臺(tái)(-0.879V)負(fù)0.07至0.1V。4、活性物質(zhì)利用率高，可制成高能電池。實(shí)驗(yàn)中在15℃放電條件下鐵電極比能量可達(dá)180mAh/g。5、抑制自放電，電池?cái)R置壽命延長(zhǎng)。該電極自放電率為每月降低30％，比傳統(tǒng)鐵電極低一倍。6、制造工藝簡(jiǎn)單，成本低。活化元素直接通過鋁合金加入，無(wú)須采用復(fù)雜的電沉積工藝添加Sn、Ga元素；鋁的加入不僅提高鐵電極比表面積，而且抑制鐵的自放電。
本發(fā)明的原理為從鐵電極溶解—沉淀機(jī)理及低溫共溶合金形成條件入手，通過直接加入Al-Sn-Ga合金元素，該合金可以是商品化的鋁犧牲陽(yáng)極，也可以是根據(jù)元素最佳配比自行煉制的鋁合金。上述合金除添加Sn、Ga元素外，也可以添加微量提高析氫過電位的元素，如Pb等，也可以添加微量抑制析氫的低溫合金元素，如In、Sb等。上述元素通過充放電過程沉積在其表面形成共溶合金點(diǎn)，以該活化點(diǎn)破壞鐵電極表面致密的氧化膜，使反應(yīng)得以進(jìn)行，從而抑制了鐵電極鈍化，提高氫超電勢(shì)，大大改善了電極性能；同時(shí)Al與KOH反應(yīng)溶解，一方面Al溶出后在鐵電極內(nèi)形成大量孔隙，擴(kuò)大了鐵電極比表面積，另一方面Al與KOH反應(yīng)后生成KAlO2充當(dāng)鐵電極自放電抑制劑。若添加少量高分子緩蝕劑，效果更佳。


圖1為本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)記錄
具體實(shí)施例方式本發(fā)明鐵電極實(shí)施例采用還原鐵粉、鐵氧體(燒結(jié)后)、Al-Sn-Ga合金粉按65∶34∶1比例混合，加入升華硫、石墨粉，以NMP(N-甲基吡啶)溶解PVDF(聚偏二氟乙烯)為粘結(jié)劑，以涂膏法制成鐵電極，烘干，壓制成面積為4cm2的鐵電極1，采用維尼綸無(wú)紡布作為電池隔膜2，以6M的KOH為電解液3，加入少量有機(jī)緩蝕劑如NBL-16(0.1-0.2g/L)或聚氧乙烯十二烷酯(0.3-3g/L)等，也可以加少許水玻璃或磷酸鈉等無(wú)機(jī)抑制劑等；將鐵電極與鎳氫電池中鎳電極4組成電池，對(duì)電池進(jìn)行充、放電測(cè)試。該實(shí)施例制成電池，在10mA/cm2電流密度下放電，鐵電極比能量達(dá)180mAh/g，在5-30℃溫度變化下容量變化小，電池經(jīng)20個(gè)充放周期電池容量無(wú)衰減。經(jīng)充放5個(gè)周期后，用參比電極5(氧化汞電極)對(duì)鐵電極進(jìn)行測(cè)試，取其中一組實(shí)驗(yàn)記錄作為驗(yàn)證。
本發(fā)明可與儲(chǔ)氫材料共混制成密封電池。
權(quán)利要求
1.一種活化型鐵電極，其特征在于在鐵電極中摻入Al-Sn-Ga合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述活化型鐵電極，其特征在于上述合金中可以添加微量提高析氫過電位的元素，也可以添加微量抑制析氫的低溫合金元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化型鐵電極，其特征在于上述Al的含量為鐵電極重量的0-10％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-5％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.75％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化型鐵電極，其特征在于上述鐵電極可以是羰基鐵粉、水霧化鐵粉、還原鐵粉中的任意一種，也可以是上述鐵粉的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化型鐵電極，其特征在于上述鐵電極可以是鐵的氧化物，可以是鐵的氫氧化物，也可以是它們的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活化型鐵電極，其特征在于上述鐵電極可以是鐵粉和鐵的氧化物、氫氧化物按任意比例混合的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3或4所述的活化型鐵電極的制作方法，其特征在于將鐵粉放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出進(jìn)行，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為鐵電極重量的0-2％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％為最佳。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3或5所述的活化型鐵電極的制作方法，其特征在于上述活化型Fe-Al-Sn-Ga電極電極的制作工藝為鐵電極也可用鐵氧體、化學(xué)法制出的FeO、Fe3O4、Fe2O3、Fe(OH)2和傳統(tǒng)鐵電極中的任意一種為原料，也可以是上述材料的混合物，放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為小于5％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3或6所述的活化型鐵電極的制作方法，其特征在于上述活化型Fe-Al-Sn-Ga電極電極的制作工藝為將鐵粉和鐵的氧化物、氫氧化物按任意比例混合，放在燒結(jié)爐中以600℃-750℃燒結(jié)3-5小時(shí)，待燒結(jié)爐冷卻后將鐵電極取出，用氫氣還原為鐵粉或直接將燒結(jié)后的鐵氧化物摻入Al-Sn-Ga合金粉，Al的含量為小于5％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％-1％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％-0.03％。
全文摘要
一種活化型鐵電極，其特征在于在鐵電極中摻入Al－Sn－Ga合金。其中Al的含量為鐵電極重量的0－10％，Sn的含量為鐵電極重量的0.2％－5％，Ga的含量為鐵電極重量的0.01％－0.75％。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.無(wú)須添加有害重金屬(如Hg、Cd、Pb等)即可活化，并具有較高的循環(huán)壽命。2.能大電流放電，電極不鈍化。3.電極電位高。4.活性物質(zhì)利用率高，可制成高能電池。5.抑制自放電，電池?cái)R置壽命延長(zhǎng)。該電極自放電率為每月降低30％，比傳統(tǒng)鐵電極低一倍。6.制造工藝簡(jiǎn)單，成本低?；罨刂苯油ㄟ^鋁合金加入，無(wú)須采用復(fù)雜的電沉積工藝添加Sn、Ga元素；鋁的加入不僅提高鐵電極比表面積，而且抑制鐵的自放電。
文檔編號(hào)H01M4/36GK1532965SQ0312091
公開日2004年9月29日 申請(qǐng)日期2003年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月25日
發(fā)明者張勇, 勇 張 申請(qǐng)人:張勇, 勇 張