[科普中国]-氧化镍-铁电池

氧化镍-铁电池是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，与铅酸忘池相比，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。

概述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1。

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2。

发展与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3。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学