水相铁离子电池由于其极低的材料成本，仍然在很大程度上未被探索，尽管它们的循环寿命较短。此外，它们的工作机制大多未公开，仅有少数实验研究可用。在本研究中，作者制造了铁离子电池，其在相对较低的 5C 速率下提供了令人印象深刻的 225 mA h g
−1 的比容量，并在 15C 下展现出高达 27,000 次循环的极长循环寿命，容量保持率为 82%。此外，整体设置包括一个碳钢箔阳极（中等纯度的铁源），以及可扩展的阴极和低成本的 FeSO
4 电解液，提供了具有成本效益的解决方案。该理论研究表明，阴极中铁的掺入过程以及循环过程中相应的电压曲线，主要受铁在聚苯胺空置 N 位点上的形成能和铁附着引起的结构变形的影响。值得注意的是，该电池被证明没有火灾危险和短路故障。 随着制造友好的三明治型或 3D 圆柱形阴极消除了多堆电极，该电池在固定能源存储系统中具有成本效益、持久耐用和安全的特点。
Fig 1. (a) 通过切割圆柱形海绵状 CNT 并夹入 PANI 粉末来制造阴极。SEM 图像显示了 CNT 层之间的 PANI 浸渍层。(b) 放电和充电过程的示意图以及相应的 Fe 离子和电子的流动。
Fig 2. (a) PANI 嵌入 CNT 电极在 10 mV s
−1 扫描速率下前五个循环的 CV 曲线。 (b) 在 CV 过程中可以生成的稳定中间体中空 N 位点（即没有 H 的 N）的电荷密度差异图。所有结构的等值面水平为 0.004 e Å
−3 。青色和黄色分别代表孔和电子。 (c) PANI 嵌入 CNT 电极在不同扫描速率下的 CV 曲线。 (d) 红氧峰的对应 log（峰值电流）和 log（扫描速率）。峰 1 和峰 2 的斜率的 R 平方值分别为 0.995 和 0.998。
Fig 3. (a) 在全电池放电过程中，Fe 附着在 PANI 上时的形成能的凸包图。所有考虑的相用黑色符号表示，稳定相用红色符号突出显示。(b) 在全电池放电过程中，无氢的 PANI 结构（C
6 H
4 N）和含 Fe 的 PANI 结构（C
6 H
4 Fe
x N，x = 0.25, 0.375, 0.625, 0.875 和 1.0）。(c) 两种不同 PANI 结构的形成能，其中氮位点仅被 Fe 或 Fe + H（混合 Fe 和 H）占据。(d) 当 PANI 中 Fe 浓度为 0.25、0.375、0.625、0.875 和 1.0 时的理论电压曲线，以及 5C 时的实验电压曲线。(e) 对应于 Fe 浓度的 PANI 结构的平均二面角。
Fig 4. (a) 在不同 C 速率下，8%活性材料负载的 PANI 夹层 CNT 阴极的全电池的比容量（1C = 每克 300 mA）。(b) 在不同 C 速率下的相应充放电电压曲线。(c) 在 15C 下，8 wt%活性材料负载电池的放电比容量和库仑效率随循环次数的变化。
Fig 5. (a) 原始碳钢的 X 射线衍射数据，14 天未循环的碳钢阳极在硬币电池中的数据，以及经过 500 和 5000 次循环后的阳极。 (b) 原始碳钢表面的 SEM 图像，(c) 经过 5000 次循环后的碳钢阳极表面，(d) 原始碳钢的横截面，以及(e) 经过 5000 次循环后的阳极的横截面。
Fig 6. 测试设置，电解质中有一个阴极和一个阳极（约 590 μL），具有三种不同的电极配置（a）短路前，（b）短路中，以及（c）短路后，以及（d）相应的电压随时间变化的曲线。
Fig 7. (a) 圆柱形电池的示意图，包含涂有 PANI 的 CNT 海绵阴极、碳钢丝阳极、编织聚酯套管隔膜和 1 M FeSO
4 水溶液电解质。由于使用了透明玻璃容器进行监测，因此使用石墨箔作为集流体（如果使用金属容器，则不需要集流体）。(b) 圆柱形电池的照片，旁边是一个干电池（AA 尺寸）以作比较。插图是用于阴极的 CNT 海绵的照片。(c) 圆柱形电池在 1C（1C = 每克 300 mA）下的比放电容量和库仑效率。插图中的雷达图比较了我们的 FIB 与铅酸电池和锂离子电池的关键电池特性。
相关研究工作由德州农工大学Choongho Yu和Joseph Sang-Il Kwon团队于2024年共同在线发表在《
Energy Environ. Sci.》期刊上，Low-cost, resilient, and non-flammable rechargeable Fe-ion batteries with scalable fabrication and long cycle life，原文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE03350G
转自《石墨烯研究》公众号
