新材料及其应用

本发明公开了一种基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池，由负极电解液、正极电解液、负极(阳极)金属板、离子半透膜、石墨电极、通气管、气泵组成。本发明公开的这种基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池电化学还原反应的平衡电位较高，放电电压及放电电流密度均高于传统催化剂型金属‑空气电池，解决了传统空气电池中氧气电化学还原反应速度慢的问题。电池的电解液及石墨电极均极其稳定，不存在中毒、分解、催化效率降低的问题，制备材料廉价易得，成本低廉，对环境友好。且电解液及电极能够再生，更换方便迅速，使用安全，具有良好的应用前景和使用价值。

1.高能量密度与长循环寿命：基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原对的金属空气电池利用铁元素丰富的价态变化，可实现高达500Wh/kg的理论能量密度，远超传统锂离子电池。其独特的电化学还原机制能有效抑制枝晶生长，使循环寿命突破1000次以上，为大规模储能提供可靠解决方案。

2.低成本与资源可持续性：铁作为地壳中第四丰富的元素，原料成本仅为锂的1/20，且无需依赖进口。Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原体系避免使用钴、镍等稀缺金属，电池报废后电极材料可完全回收利用，符合全球碳中和战略对储能技术的可持续发展要求。

3.安全性能的革命性提升：水系电解液设计彻底消除有机电解液的燃烧风险，Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)氧化还原反应在温和条件下进行，不会发生热失控。这一特性使电池特别适合电网储能、地下矿井等对安全性要求严苛的应用场景。

1.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池Fe3+离子电化学还原反应的平衡电位较高(氢标准电极电位0.771V)，组成电池后可以获得较高的正极电位和较大的电池电压。

2.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池Fe3+3+离子浓度远超空气中的氧气在水基电解液中的溶解浓度，且随着Fe 离子浓度的升高可以进一步提升金属空气电池的放电电压。

3.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池Fe3+离子扩散速度及电化学还原反应速度比氧气更快(放电速率更高)，组成电池后可以在较大放电电流的情况下保持较高的放电电压。因此本电池的开路电压，放电电压及放电电流密度均高于传统催化剂型金属‑空气电池。

4.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池Fe3+2+离子的电化学还原反应，及氧气对Fe 离子的化学氧化反应的速度很快，二者结合解决了传统空气电池中氧气电化学还原反应速度慢的问题。

5.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池可3+ 2+ 3+以利用空气中氧气对Fe 离子还原生成的Fe 离子进行化学氧化，使其再次快速生成Fe 离子，维持正极电解液体系的反应能力。

6.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池正3+极所用的Fe 离子电解液及石墨电极均极其稳定，不存在中毒、分解、催化效率降低的问题，可以长期稳定工作。

7.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池所选用的所有材料均为廉价易获得物质，成本极其低廉，对环境友好，负极电解液可直接排放，正极电解液经酸碱中和也可无害排放。

8.本发明所述的基于Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)化学氧化及电化学还原的金属空气电池正负极电解液及电极能够再生，且更换方便迅速，即使短路也不存在燃烧爆炸等危险。