實(shí)際上，愛迪生開發(fā)的這種電池，使其成為電動(dòng)汽車的首選電池，而電動(dòng)汽車在1900年代初是首選的運(yùn)輸方式（隨后是汽油和蒸汽動(dòng)力）。愛迪生的電池比當(dāng)時(shí)使用的鉛酸電池具有更高的能量密度，并且只有一半的充電時(shí)間，但是它在低環(huán)境溫度下表現(xiàn)不佳。該電池已廣泛用于鐵路信號(hào)，叉車和備用電源應(yīng)用中。通過(guò)簡(jiǎn)單地將電解質(zhì)更改為較高的KOH濃度，實(shí)現(xiàn)了低溫運(yùn)行，在鉛酸電池可能遭受冰凍損壞的情況下，鐵鎳電池根本不會(huì)受到損壞。

圖-鐵鎳電池將近100年后仍能正常工作

2、鐵鎳電池特點(diǎn)

鐵鎳電池不含有毒的鉛或鎘，這使得對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成的壓力較小。

鐵鎳電池一經(jīng)發(fā)明就被認(rèn)為是有競(jìng)爭(zhēng)力的化學(xué)電源之一，至今已有100多年的歷史。愛迪生關(guān)于鐵鎳電池的近百篇專利詳細(xì)介紹了鐵鎳電池的研發(fā)歷程。因此，人們習(xí)慣將鐵鎳電池稱為“愛迪生電池 (Edison Battery) ”。在1910~1960年間，鐵鎳電池曾經(jīng)風(fēng)靡一時(shí)，廣泛應(yīng)用于牽引機(jī)車電源等領(lǐng)域。之后，隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，以及鉛酸電池和鎳鎘電池大規(guī)模應(yīng)用的沖擊，鐵鎳電池從成本、功率密度及低溫性能等方面無(wú)法與其競(jìng)爭(zhēng)，市場(chǎng)份額逐漸減少，只部分應(yīng)用于鐵路和儲(chǔ)能等少數(shù)領(lǐng)域。

上世紀(jì)90年代后，具有高比功率的鎳氫和鋰離子電池的相繼開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)本來(lái)就不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的鐵鎳電池帶來(lái)更大的沖擊，人們幾乎遺忘了鐵鎳電池的存在。但是，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，以及光伏、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的大規(guī)模開發(fā)，鐵鎳電池的安全、綠色環(huán)保和廉價(jià)耐用的優(yōu)勢(shì)再次受到人們的關(guān)注，并在光伏儲(chǔ)能、鐵路或礦車照明等領(lǐng)域得到一定規(guī)模的應(yīng)用。

今天，主要在澳大利亞、美國(guó)及歐洲國(guó)家用于太陽(yáng)能房屋儲(chǔ)電使用。現(xiàn)在有美國(guó)，中國(guó)和俄羅斯的鐵鎳電池制造商尚在生產(chǎn)。目前制造的鐵鎳電池的容量為5 Ah至1000 Ah。許多原始制造商已不再生產(chǎn)鐵鎳電池，但是新一代制造商在過(guò)去20年中開始出現(xiàn)。

3、鐵鎳電池技術(shù)簡(jiǎn)介

鐵鎳電池屬于堿性二次電池，現(xiàn)今在堿性電池領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用的鎳鎘電池( Nickel-CadmiumBattery) 由于重金屬污染嚴(yán)重而逐漸被人們所摒棄。目前，鎳鎘電池留下的堿性電池市場(chǎng)空缺可以由以下三種環(huán)保電池代替，分別是鎳氫電池( Ni-MH Battery) 、鎳鋅電池( Nickel-Zinc Battery) 和鐵鎳電池。近年來(lái)，由于受到稀土漲價(jià)影響，鎳氫電池的市場(chǎng)價(jià)格較高; 而鎳鋅電池在可靠性和穩(wěn)定性方面尚未完全解決；相比于前兩種電池，鐵鎳電池在價(jià)格、穩(wěn)定性以及壽命等方面優(yōu)勢(shì)明顯。然而，鐵鎳電池荷電保持率低、低溫和倍率性能差是制約其廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。

組成結(jié)構(gòu)

1902 年，美國(guó)專利局公開授權(quán)的愛迪生發(fā)明專利( US0700136)，介紹了一種可逆伽伐尼電池( Reversible Galvanic Battery) 。鐵作為負(fù)極，氧化鎳作為正極，電解液為氫氧化鉀溶液。愛迪生揭示：該電池在放電過(guò)程中，正極上的活性物質(zhì)被還原為氫氧化鎳，負(fù)極上的鐵失去電子后變?yōu)槎r(jià)鐵離子，二價(jià)鐵離子與溶液中的氫氧根結(jié)合生成氫氧化亞鐵沉淀。電極制作過(guò)程中添加25%左右的石墨粉，以增強(qiáng)活性物質(zhì)的導(dǎo)電性，以上是鐵鎳電池的雛形。在此后20 多年，愛迪生一直在對(duì)鐵鎳電池進(jìn)行深入的研究，包括對(duì)鐵鎳電池殼體、隔板、集流體、正負(fù)極活性物質(zhì)制備、添加劑和電解液等的改進(jìn)。

殼體

起初，愛迪生發(fā)明的鐵鎳電池殼體是用鐵或鋼材制作的。這種殼體內(nèi)壁經(jīng)過(guò)鍍鎳處理以防止由于堿液引起的容器壁的腐蝕，雖然成本較高，但其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)滿足惡劣環(huán)境中( 如礦車、火車和地鐵應(yīng)急電源等) 對(duì)電池耐震動(dòng)沖擊性能的需求，并且金屬導(dǎo)熱性良好，有利于電池的散熱。目前，在電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，由于其場(chǎng)所固定，對(duì)電池殼體的機(jī)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，以滿足輕便、耐腐蝕的效果。

隔膜

隔膜/隔板的作用是保證正負(fù)極之間的絕緣和隔離，防止電池內(nèi)部短路，同時(shí)保證電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的離子正常遷移，使電池內(nèi)離子導(dǎo)電暢通。愛迪生采用耐堿石棉纖維材料作為鐵鎳電池的隔膜，石棉纖維的兩面分別涂覆上一層薄薄的鎳層和鐵層，鎳層和鐵層分別與正負(fù)極板相連，以降低電池的內(nèi)阻。為了提高石棉板的氣孔率和承受壓力，愛迪生將石棉隔膜用水楊酸浸泡，收到了很好的效果。對(duì)于鐵鎳電池使用的隔膜，OH^-在隔膜之間的遷移能力、耐堿性能、機(jī)械強(qiáng)度和潤(rùn)濕性均是評(píng)價(jià)隔膜的重要指標(biāo)。相對(duì)于隔膜來(lái)說(shuō)，隔板強(qiáng)度高和絕緣性好，一般用于對(duì)功率密度要求不高的鐵鎳電池中。這種電池由于極板周圍電解液充足，因此隔板對(duì)極板周圍離子遷移影響較弱。常見的隔板有橡膠隔板、聚丙烯( PP) 隔板和聚乙烯( PE) 隔板等。然而，隔膜相對(duì)于隔板具有厚度小、離子遷移能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于電池能量密度和功率密度的提高均有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此，高性能的鐵鎳電池以使用隔膜為佳。

集流體

目前，鐵鎳電池極板所用的集流體多為穿孔鋼帶，為了提高電池的性能，多在鋼帶表面鍍上“鎳層”。這樣不僅可以抑制鋼帶中鐵對(duì)正極的毒化作用，還能提高集流體在堿液中的耐蝕性，增加電池使用壽命。然而采用鋼帶作為集流體，大大限制了電池的容量和倍率性能。近年來(lái)，隨著發(fā)泡式和纖維式鎳基板的問世，尤其是質(zhì)輕、孔率高的泡沫鎳為基體的泡沫鎳涂膏式電極的生產(chǎn)工藝的發(fā)展，使鐵鎳電池的高倍率放電、低自放電率等性能的研究達(dá)到了一個(gè)新的高度。泡沫鎳在鎳氫、鎳鋅等堿性二次電池中的成功應(yīng)用，也為鐵鎳電池提供一個(gè)新的發(fā)展方向: 以泡沫鎳為集流體，采用涂膏方法制作的鐵負(fù)極可以提高鐵鎳電池的性能。

電解液

鐵鎳電池中使用的電解液一般為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，經(jīng)研究，在電解液中添加少量氫氧化鋰可以讓電池容量增加10%左右。愛迪生指出：電解液中氫氧化鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，氫氧化鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%或氫氧化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，以該比例配制的溶液為電解液的鐵鎳電池具有良好的性能。氫氧化鉀電解液制作的鐵鎳電池高溫性能較好，但價(jià)格較氫氧化鈉高，因此，工業(yè)生產(chǎn)中常常會(huì)按照電池使用環(huán)境和成本等方面考慮調(diào)配電解液。

圖-早期鐵鎳電池

優(yōu)缺點(diǎn)

壽命長(zhǎng)，可達(dá)20-30年，保存85年后依然可以使用。15000次循環(huán)后容量還可以保持80%。 鐵鎳電池還有非常優(yōu)秀的抗過(guò)充電、過(guò)放電能力。但是它的缺點(diǎn)也很多，相比于2v的鉛酸電池，鐵鎳電池只有1.2v，能量質(zhì)量比也要比鉛酸電池差，放電能力更差，只有鉛酸電池的一半多一點(diǎn)（約100W/Kg）。另外鐵鎳電池的自放電高達(dá)40%每月。

電化學(xué)機(jī)理

在正極板的半電池反應(yīng)是：

以及在負(fù)極板：

(放電從左向右閱讀，充電是從右到左閱讀。)開路電壓為1.4伏特，放電時(shí)為1.2伏特。

開發(fā)與應(yīng)用

從1901 年開始， Jungner W 與Edison T 合作發(fā)表了多項(xiàng)有關(guān)鐵鎳電池的專利。1910年～1960 年之間，為滿足工業(yè)上牽引動(dòng)力的需要，鐵鎳電池在美國(guó)、蘇聯(lián)、瑞士、西德和日本等國(guó)家普遍有了商業(yè)化應(yīng)用。如今，國(guó)內(nèi)外仍然有許多廠家致力于鐵鎳電池的開發(fā)與生產(chǎn)。

早在1977 年德國(guó)就開始將鐵鎳蓄電池用于電動(dòng)汽車，并開始大力研發(fā)、生產(chǎn)新型的鐵鎳蓄電池。他們研制的新型含有纖維鎳電極的鐵鎳蓄電池，比能量可以達(dá)到60Wh/kg。1978 年，美國(guó)EPI公司致力于研究以燒結(jié)鎳正極和燒結(jié)鐵電極組成的鐵鎳電池，在性能和壽命方面取得了較大進(jìn)步的同時(shí)還降低了電池成本。他們所生產(chǎn)的鐵鎳電池可以讓汽車行駛28000多英里，大大超過(guò)了預(yù)期容量值。1981年，瑞典SAB-NIFE研發(fā)出的鐵鎳蓄電池在C/5 放電時(shí)能量密度可以達(dá)55Wh/kg。不但如此，該公司還致力于動(dòng)力牽引用鐵鎳蓄電池的研發(fā)，取得了很大成就。日本采用先進(jìn)的燒結(jié)方法制作鐵鎳蓄電池，1C、C/2 倍率放電時(shí)能量密度分別可以達(dá)到50和60 Wh/kg，循環(huán)壽命在1000次以上。