掺杂FeSi2作为金属-空气电池高性能合金阳极燃料的研究

Silicon, as an anode material for metal-air battery, has a very high energy density of 8470Wh/kg, even higher than Al. However, because of its low conductivity, Si did not display satisfying performance in metal-air battery tests. This proposal aim to study a potentially excellent silicon based alloy anode - FeSi2, which has good conductivity, high theoretical energy density, and low cost, but with shortcoming of inability to resist corrosion in basic electrolyte. The applicant has made Ti doped FeSi2 materials using melt spin quenching method and found they showed good anti-corrosion performance in KOH electrolyte and displayed a very high energy density of 2128Wh/kg, and a metal-air battery based on this anode will have 6 times the energy density of lithium ion batteries. This proposal plans to synthesize a series of metals such as Ti, Cr, Mo, and W doped FeSi2 as high energy anodes and realize the controlled synthesis of crystal type and amorphous type FeSi2 alloys. This proposal will study the anti-corrosion performance of various doped FeSi2 and elucidate their electrochemical properties and reaction mechanism in metal-air batteries, the goal being to search for the best silicon based alloy anodes.

硅作为金属-空气电池的阳极燃料理论比能量高达8470Wh/kg，比铝还要高，然而由于纯硅导电率低，作为阳极材料性能并不理想。本项目旨在研究一种硅合金阳极材料FeSi2，它的导电性好、理论容量高、成本低廉，是一种潜在的优秀阳极燃料，但是在碱性电解液中存在自腐蚀的缺点。申请人在前期的实验中用熔融旋淬法制备了Ti掺杂的FeSi2阳极材料，它表现出了优异的抗KOH电解液腐蚀能力，在金属-空气电池中初步测出的阳极能量密度达到2128Wh/kg，电池能量密度能达到锂电池的5倍以上。本项目计划合成一系列金属如Ti、Cr、Mo、W等掺杂的FeSi2合金阳极，并力争实现晶态和非晶合金材料的可控制备，深入研究它们在碱性电解液中的抗腐蚀特性和在金属-空气电池中的电化学特性与反应机理，目的是筛选出性能最佳的硅基合金阳极材料。

硅化铁（FeSi2）是一种廉价的合金材料，广泛应用于钢铁、冶金等行业，在酸性溶液中具有良好的抗腐蚀性能。我们课题组首次在酸性盐水电解液中组装了以FeSi2为阳极的金属-空气电池。我们发现在酸性电解液中使用FeSi2阳极可以克服金属基阳极在文献中常用的碱性电解液中的自腐蚀问题，在酸性电解液中FeSi2阳极表面可形成SiO2钝化层，大大降低自腐蚀率。我们在酸性盐水电解液中系统测试了FeSi2-空气电池，结果表明，在含有少量F离子的0.5 M H2SO4盐水溶液中，其比容量高达1.90Ah/g，接近理论容量的80%。我们通过对照实验解释了酸性盐水电解液中FeSi2阳极持续放电的机理。在酸性盐水溶液中，且有少量氟离子存在时，放电过程才可以持续，直到FeSi2阳极中的活性物质消耗殆尽，这是因为F离子能破坏SiO2钝化层，使得反应得以持续进行。与其他金属阳极相比，该金属-空气电池表现出了非常好的阳极利用率，质量比容量和体积比容量都非常高。FeSi2-空气电池将是一种具有超高比容量的金属-空气电池，且FeSi2廉价易得，对环境影响小，具有潜在应用价值。随着研究的进一步加深，我们发现空气（氧气）电极对金属-空气电池性能的影响也很大，所以我们还进行了深入的针对金属-空气电池氧还原电极的研究，我们对镍、铁、钴等过渡金属的氧化物、碳化物、氮化物进行了精细的纳米结构设计，用于氧还原电极得的了良好效果，大大提高了金属-空气的电池的电化学性能。