论文标题：Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode(以嵌铁碳氮复合物为铁电极的铁－空气电池的性能研究)

期刊：Frontiers in Energy

作者：Can FANG, Xiangmei TANG, Jiaoyan WANG, Qingfeng YI

发表时间：01 Oct 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0913-5

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文章亮点

本文通过简单的热解方法以硝酸铁和聚苯胺为原料合成了铁纳米粒子嵌入的C-N复合材料 (NanoFe@CN)。研究了NanoFe@CN在不同电解质中的氧化还原过程，结果表明0.5 M K₂SO₄电解质可以优化反应步骤并抑制含铁催化剂的钝化。以 NanoFe@CN 作为阳极组装了可充电 IAB。其合理的氮掺杂碳层封装结构固定并保护了铁纳米颗粒，使其无论在碱性还是中性电解质中都具有高稳定性。特别是在0.5 M K₂SO₄电解液中，NanoFe@CN经过180次充放电循环后仍保持稳定的电压效率，进一步证明0.5 M K₂SO₄电解液可以降低析氢反应的影响，抑制铁电极的钝化。结果表明，C-N复合材料包覆的纳米铁颗粒是一种较为合适的铁电极材料。

研究背景及意义

金属-空气电池 (MABs) 具有比锂离子电池高3至30倍的，且阴极活性物质氧气可从空气中获取，不仅成本降低，而且也使电池轻量化，是一类具有广泛应用前景的电化学新能源。在MABs中，铁-空气电池（IAB）由于铁资源更加丰富且成本低廉，显示出更广阔的应用前景。此外，IAB还具有以下显着特点：(1) 铁负极充电过程中不会形成铁枝晶；(2) 铁负极能够释放出高达高达1200 Wh/kg的理论比能量密度；(3) IAB更安全和环保。但是铁阳极在氧化过程中生成的紧凑型铁氧化物（或羟基氧化物）会导致铁阳极易于钝化。另外，碱性电解液腐蚀性较强，吸附的CO₂很容易在空气电极上形成碳酸盐并沉积，导致空气电极性能严重下降。因此对IAB落后的研究相对滞后。通常，含有Bi₂S₃、Bi₂O₃、FeS和Na₂S等添加剂的电解液可以提高铁电极在碱性介质中的稳定性。此外，将氧化铁颗粒负载在导电碳材料上以制造铁电极，表现出更高的比容量和更高的循环稳定性。铁基复合材料的开发和不同电解质溶液的探索是提高IAB性能的有效手段。在这项工作中，我们以聚苯胺为碳源和氮源合成了C、N复合铁电极（NanoFe@CN）。循环伏安法测试发现氮掺杂碳网络结构可以固定金属催化位点并降低析氢反应电位。采用NanoFe@CN作为铁电极组装IAB，研究其在不同电流密度和不同电解质溶液中的充放电性能。结果表明，所制备的NanoFe@CN是一种高效的IAB铁电极，且相应的电池能够进行稳定的充放电循环。

主要研究内容及结论

本文使用循环伏安法观察铁电极在不同电解质溶液中的电化学行为。0.5 M K₂SO₄ 溶液中氧化峰的峰值电流大于 6 M KOH 中的峰值电流。电流的增大与还原过程中生成的Fe(OH)₂及时完全转化为Fe有关，同时0.5 M K₂SO₄ 溶液中还原峰电流更大，这说明Fe(Ⅲ)更多地转化为Fe(Ⅱ)。通过以上现象可以发现0.5 M K₂SO₄电解液相比较碱性电解液能在一定程度上抑制铁电极的钝化。

研究了电池在不同电流密度和不同电解质溶液中的充放电性能：NanoFe@CN在6 M KOH中的表现出较差的性能，但优于普通铁电极NanoFe，表明C-N包裹铁纳米颗粒的结构可以在一定程度上抑制负极铁的钝化，有利于提高电池稳定性。在中性0.5 M K₂SO₄电解质中，NanoFe@CN可以在0.2、1和2 mA/cm²下持续超过180次充放电循环。此外，它还具有稳定且更高的放电电压。有趣的是，在电流密度为0.2 mA/cm²时，电池的放电电压在120次循环后开始增加，并且整体性能随着循环次数的增加而提高。这可能是由于制备的铁电极暴露了更多的Fe，导致充放电电压增加。这表明中性0.5 M K₂SO₄电解液可以有效抑制铁电极的钝化和析氢反应。

图1 不同电解液下的循环伏安曲线。

图2 不同电解液中，在不同的电流密度下恒流循环充放电曲线。

原文信息

Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode

Can FANG¹, Xiangmei TANG¹, Jiaoyan WANG¹, Qingfeng YI^2*

Author information：

1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; Hunan Provincial Key Laboratory of Advanced Materials for New Energy Storage and Conversion, Xiangtan 411201, China

Abstract：

Highly efficient and stable iron electrodes are of great significant to the development of iron-air battery (IAB). In this paper, iron nanoparticle-encapsulated C–N composite (NanoFe@CN) was synthesized by pyrolysis using polyaniline as the C–N source. Electrochemical performance of the NanoFe@CN in different electrolytes (alkaline, neutral, and quasi-neutral) was investigated via cyclic voltammetry (CV). The IAB was assembled with NanoFe@CN as the anode and IrO₂ + Pt/C as the cathode. The effects of different discharging/charging current densities and electrolytes on the battery performance were also studied. Neutral K₂SO₄ electrolyte can effectively suppress the passivation of iron electrode, and the battery showed a good cycling stability during 180 charging/discharging cycles. Compared to the pure nano-iron (NanoFe) battery, the NanoFe@CN battery has a more stable cycling stability either in KOH or NH4Cl + KCl electrolyte.

Keywords：

energy storage and conversion, metallic composites, nanocomposites, iron-air battery, iron anode

Cite this article

Can FANG, Xiangmei TANG, Jiaoyan WANG, Qingfeng YI. Performance of iron-air battery with iron nanoparticle-encapsulated C–N composite electrode. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-023-0913-5

通讯作者简介

易清风，湖南科技大学教授（二级），博士生导师。中国有机电化学工业联合会常务理事，湖南省新材料产业协会氢能专业委员会副主任委员，湖南省普通高校学科带头人，湖南省新世纪121人才工程人选。主要研究方向为燃料电池和金属－空气电池等新型电化学能源、电催化及炭基纳米材料的制备与应用。

详情：

http://faculty.hnust.edu.cn/pubtphp/hxhgxy/3150007/chinese/index.html

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