镍铁电池

电池类型

爱迪生发明的镍铁电池是众多充电电池中的一种，它的正极是氧化镍，负极是铁，电解质（电解液）是氢氧化钾。它是一种主要用于长时间、中等电流情况下的可充电式电池。其内阻较铅酸电池高。使用时要小心地控制定值电流充电，与铅酸电池相比，其成本较高。这种电池的电压通常是1.2V。它很耐用，能够经受一定程度的使用事故（包括过度充电、过度放电、短路、过热），而且经受上述损害后仍能保持很长的寿命。

发展历程

镍铁电池是由Edison T和Jungner W共同发明的，镍铁电池一经发明就被认为是有竞争力的化学电源之一，至今已有100多年的历史。爱迪生关于镍铁电池的近百篇专利详细介绍了镍铁电池的研发历程。因此，人们习惯将镍铁电池称为“爱迪生电池 (Edison Battery) ”。在1910~1960年间，镍铁电池曾经风靡一时，广泛应用于牵引机车电源等领域。之后，随着内燃机的不断发展与应用，以及铅酸电池和镍镉电池大规模应用的冲击，镍铁电池从成本、功率密度及低温性能等方面无法与其竞争，市场份额逐渐减少，只部分应用于铁路和储能等少数领域。

上世纪90年代后，具有高比功率的镍氢和锂离子电池的相继开发和应用，对本来就不具有竞争优势的镍铁电池带来更大的冲击，人们几乎遗忘了镍铁电池的存在。但是，进入21世纪后，随着人们对环境保护意识的加强，以及光伏、风力发电等领域的大规模开发，镍铁电池的安全、绿色环保和廉价耐用的优势再次受到人们的关注，并在光伏储能、铁路或矿车照明等领域得到一定规模的应用。

镍铁电池简介

镍铁电池属于碱性二次电池，现今在碱性电池领域已广泛应用的镍镉电池( Nickel-CadmiumBattery) 由于重金属污染严重而逐渐被人们所摒弃。目前，镍镉电池留下的碱性电池市场空缺可以由以下3 种环保电池代替，分别是镍氢电池( Ni-MH Battery) 、镍锌电池( Nickel-Zinc Battery) 和镍铁电池。近年来，由于受到稀土涨价影响，镍氢电池的市场价格较高; 而镍锌电池在可靠性和稳定性方面尚未完全解决；相比于前2 种电池，镍铁电池在价格、稳定性以及寿命等方面优势明显。然而，镍铁电池荷电保持率低、低温和倍率性能差是制约其广泛应用的主要技术瓶颈。

它一般作为后备使用，因为它能够被持续充电而且储存大概20年后仍能工作。而它的缺点则是单位质量(体积)储存的电能少、不能很好的储存电能、在低温时性能低下以及与铅酸电池相比时所突显的高制造成本。这使得它已不怎么被人使用了。

这类电池之所以能够经受频繁充放电，是由于电解液中的反应物溶解度很低。在充电过程中，由于四氧化三铁的低溶解度造成金属铁的形成十分缓慢。这既是好事，也是坏事。好是因为铁晶体缓慢地形成可以很好地保护电极，坏处则是它限制了电池的性能，使得这类电池充得慢，放得也慢。

组成结构

1902 年，美国专利局公开授权的爱迪生发明专利( US0700136)，介绍了一种可逆伽伐尼电池( Reversible Galvanic Battery) 。铁作为负极，氧化镍作为正极，电解液为氢氧化钾溶液。爱迪生揭示：该电池在放电过程中，正极上的活性物质被还原为氢氧化镍，负极上的铁失去电子后变为二价铁离子，二价铁离子与溶液中的氢氧根立即结合生成沉淀。电极制作过程中添加25%左右的石墨粉，以增强活性物质的导电性，以上是镍铁电池的雏形。在此后20 多年，爱迪生一直在对镍铁电池进行深入的研究，包括对镍铁电池壳体、隔板、集流体、正负极活性物质制备、添加剂和电解液等的改进。在1910 年，镍铁电池成功进行商业化生产，并在当时应用于电动汽车的动力电源。

壳体

起初，爱迪生发明的镍铁电池壳体是用铁或钢材制作的。这种壳体内壁经过镀镍处理以防止由于碱液引起的容器壁的腐蚀，虽然成本较高，但其坚固的结构满足恶劣环境中( 如矿车、火车和地铁应急电源等) 对电池耐震动冲击性能的需求，并且金属导热性良好，有利于电池的散热。目前，在电网储能等领域，由于其场所固定，对电池壳体的机械性能要求不高，所以一般采用工程塑料，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，以满足轻便、耐腐蚀的效果。但是，随着今后动力型镍铁电池的发展，使用环境对壳体的强度要求也在提高，采用不锈钢壳体仍为首选。

隔膜

隔膜/隔板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，同时保证电化学反应时的离子正常迁移，使电池内离子导电畅通。爱迪生采用耐碱石棉纤维材料作为镍铁电池的隔膜，石棉纤维的两面分别涂覆上一层薄薄的镍层和铁层，镍层和铁层分别与正负极板相连，以降低电池的内阻。为了提高石棉板的气孔率和承受压力，爱迪生将石棉隔膜用水杨酸浸泡，收到了很好的效果。对于镍铁电池使用的隔膜，OH- 在隔膜之间的迁移能力、耐碱性能、机械强度和润湿性均是评价隔膜的重要指标。相对于隔膜来说，隔板强度高和绝缘性好，一般用于对功率密度要求不高的镍铁电池中。这种电池由于极板周围电解液充足，因此隔板对极板周围离子迁移影响较弱。常见的隔板有橡胶隔板、聚丙烯( PP) 隔板和聚乙烯( PE) 隔板等。然而，隔膜相对于隔板具有厚度小、离子迁移能力强的优点，这对于电池能量密度和功率密度的提高均有巨大的优势。因此，高性能的镍铁电池以使用隔膜为佳。

集流体

目前，镍铁电池极板所用的集流体多为穿孔钢带，为了提高电池的性能，多在钢带表面镀上“镍层”。这样不仅可以抑制钢带中铁对正极的毒化作用，还能提高集流体在碱液中的耐蚀性，增加电池使用寿命。然而采用钢带作为集流体，大大限制了电池的容量和倍率性能。除了镀镍钢带以外，采用表面镀锡的铜网作为镍铁电池负极的集流体能够有效提高极片的导电性，并且，铜网表面的镀锡层有助于增加负极材料的析氢过电位，提高电池的充电效率和荷电保持率。近年来，随着发泡式和纤维式镍基板的问世，尤其是质轻、孔率高的泡沫镍为基体的泡沫镍涂膏式电极的生产工艺的发展，使铁镍电池的高倍率放电、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，也为镍铁电池提供一个新的发展方向: 以泡沫镍为集流体，采用涂膏方法制作的铁负极可以提高镍铁电池的性能。

电解液

镍铁电池中使用的电解液一般为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，经研究，在电解液中添加少量氢氧化锂可以让电池容量增加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%，以该比例配制的溶液为电解液的镍铁电池具有良好的性能。氢氧化钾电解液制作的镍铁电池高温性能较好，但价格较氢氧化钠高，因此，工业生产中常常会按照电池使用环境和成本等方面考虑调配电解液。

优缺点

寿命长，可达20-30年，保存85年后依然可以使用。15000次循环后容量还可以保持80%。镍铁电池还有非常优秀的抗过冲电，过放电能力。但是它的缺点也很多，相比于2v的铅酸电池，镍铁电池只有1.2v，能量质量比也要比铅酸电池差，放电能力更差，只有铅酸电池的一半多一点（约100W/Kg）。另外镍铁电池的自放电高达20%-40%每月。

开发与应用

从1901 年开始， Jungner W 与Edison T 合作发表了多项有关镍铁电池的专利。1910年～1960 年之间，为满足工业上牵引动力的需要，镍铁电池在美国、苏联、瑞士、西德和日本等国家普遍有了商业化应用。如今，国内外仍然有许多厂家致力于镍铁电池的开发与生产。

早在1977 年德国就开始将镍铁蓄电池用于电动汽车，并开始大力研发、生产新型的镍铁蓄电池。他们研制的新型含有纤维镍电极的镍铁蓄电池，比能量可以达到60Wh/kg。1978 年，美国EPI公司致力于研究以烧结镍阳极和烧结铁电极组成的镍铁电池，在性能和寿命方面取得了较大进步的同时还降低了电池成本。他们所生产的镍铁电池可以让汽车行驶28000多英里，大大超过了预期容量值。1981年，瑞典SAB-NIFE研发出的镍铁蓄电池在C/5 放电时能量密度可以达55Wh/kg。不但如此，该公司还致力于动力牵引用镍铁蓄电池的研发，取得了很大成就。日本采用先进的烧结方法制作镍铁蓄电池，1C、C/2 倍率放电时能量密度分别可以达到50和60 Wh/kg，循环寿命在1000次以上。

现今，美国BeUtilityFree公司生产的镍铁蓄电池容量范围在100～1000 Ah，平均使用寿命超过20年，主要应用于发电站的电能储备和家庭供电系统，生产的电池销往北美和南美的很多国家和地区。与BeUtilityFree公司相比， Iron Edison Battery Company公司生产的镍铁蓄电池使用寿命更长，达到25年以上，电池在750～1000次充放电循环后容量仍保持90%，主要用于偏远或严酷环境下的太阳能光电存储和可再生能源的存储等方面。

俄罗斯KURSK BATTERIES公司生产两种类型的镍铁电池，一种容量在250～400Ah范围，工作温度范围为 -40～40 ℃; 另一种容量为550Ah，工作温度范围为-20～45 ℃，分别应用于机车照明和有轨电车的控制电路、照明等辅助功能。

近年来，中国四川长虹电源有限责任公司开发的袋式镍铁蓄电池具有成本低、循环使用寿命长、环保、维护少( 3年以上) 、机械强度高、耐电气误操作能力强和耐过充过放等优点，非常适于恶劣环境下的光电应用和可再生能源方面的应用。长虹袋式镍铁蓄电池分为TNZ 和TN 两种类型。TNZ 型具有中倍率的放电特性，用于应急电站、开关和控制系统、建筑应急灯和列车控制系统等; TN 型具有低倍率放电特性，用于应急灯、铁路信号灯、警报系统、船舶和光伏储能等，适用温度范围在-20～60 ℃。该公司在电极活性物质中加入了少量钴和铜，有效地增加了电极材料的导电性。另外，钴和铜价格低廉，能够有效控制电池的成本。由于该型号镍铁电池一般用于太阳能发电的储能电源，相比于动力电池而言，对电池壳体的机械性能要求较低，因此壳体采用PA、ABS 等低成本的高分子聚合物材料。

发展展望

镍铁电池为人类提供了一种廉价、清洁、安全的选择，探索开发利用大功率镍铁电池是目前主流的发展方向，然而，由于镍铁电池自身问题的局限，电池的某些性能还不理想，在许多领域的应用仍有相当大的发展空间，这也促使相关科研工作者不断总结、创新，以利于镍铁电池的不断发展。

然而，镍铁电池负极倍率性能差、自放电严重、充电效率低以及析气问题是限制密封镍铁电池甚至动力型镍铁电池开发应用的主要因素。因此，改善铁负极端这一科学问题的研究，对于拓广镍铁电池的类型以及应用领域意义重大。今后应主要围绕下述问题进一步深入研究。1) 提高负极材料比容量与改善密封圆柱镍铁电池析气及电池内压过大问题，开发贫液圆柱镍铁电池，替代目前市场上广泛使用的圆柱镍镉、镍氢等二次电池; 2) 加强石墨烯、碳纳米管等材料在高性能尤其是大功率型镍铁电池中的开发与应用，使电池将来能够应用到电动汽车领域; 3) 探索深度放电对镍铁电池寿命的影响，开发长寿命镍铁电池，循环次数达到10000 次以上，应用到对电池寿命要求较高的电网储能领域; 4) 提高电池的荷电保持率，改善电池的高低温性能，致力于对高纬度地区镍铁二次电池应用的开发; 5) 镍铁电池作为通讯基站、列车、地铁等的备用电源也有一定的应用前景，针对此方面的应用，应进一步提升电池的可靠性与稳定性。

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