表3LiAl/Fes、Li4si/FeS2電池的性能
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城市小汽車、載貨車和公共汽車需要50—180W/kg的能源,而私人小汽車還需要更高的比功率,以便提供適當的加速度和爬山能力。目前使用的鉛酸蓄電池的比能量為22—30Wh/kg,滿足不了上述動力的要求。從表3數據看來,熔鹽鋰電池有較高的比能量、比功率,可望作為電動車輛的電源。
AlCl3-RCl(R+為有機芳香化合物或雜環化合物的陽離子)室溫熔鹽的發現,為鋰電池提供了令人感興趣的電解質,這類電池正在開發中。例如Al/PAn二次電池,所用的電解質為AlCl3-正丁基吡啶氯化物或AlCl3-1-甲基-3-乙基咪唑氯化物,PAn是聚苯胺。電池電壓為1.6V,比容量為150Ah/kg,充放效率接近100%,循環周期為500次。
熱電池是短時間應急電源。該電池的電解質常溫下為固體,如LiCl(60mol%)-KCl,使用時點火後變成液體。陰極物質可用CaCrO4、WO3、V2O5、Fe2O3、CuO,陽極物質可用Ca、Mg、Li或它們的合金。發熱劑為Fe2O3與Al的混合物,進行鋁熱反應放熱。電池的活化時間短,1s之內可輸出大電流。熱電池保持壽命在5年以上,不必保養。
三、化學反應的熔鹽介質
用熔鹽做化學反應的介質,可進行鹵化、氧化、催化、裂解、縮合、異構化、有機-金屬化、脫水等,特別有用的是熔鹽氟化與氫化。
1.熔鹽氟化
氟化物廣泛應用於工業材料和家庭用品的製造,最近在新材料、新技術中大量使用含氟化物的氣體。例如在半導體器件製造中,NF3,SF6,SiF4,HF,F2,CF4,C2F6,C3F8等發揮了很大的作用。作為電子材料用的氣體、化學氣相沉積和調製金屬超微粒子用的物質,WF6,MoF6,VF5,NbF5,TaF5等也很引人注目。熔鹽電解氟化是製取上述氟化物的有效方法。
NF3的新應用很多,可作火箭燃料的氧化劑、氟化劑、金屬焊接用氣體、電燈泡填充氣體、合成(NPF2)n、NSF、N2F4、NOF的原料、高輸出功率激光用氣體、幹刻蝕用氣體、等離子體容器及化學氣相沉積容器的清洗氣體、矽係光纖維表麵處理用氣體、有機和無機材料表麵處理用氣體、氟化物脫水用氣體。采用化學法或熔鹽電解法可製備NF3,後者的收率高於前者。用鎳陽極電解120℃的NH4F-HF,產物經精製可得99.9-99.99%NF3,電流功率為65%—70%,但鎳陽極溶解損失較大並有陽極泥產生,氣體管道會被冷凝的NH4F堵塞。現正在試驗用碳陽極在120—150℃的NH4F-KF-HF中進行電解,該熔鹽體係的優點在於電導率較高,電流效率高(>80%);但用碳陽極會產生陽極效應,電極會損壞,產品受CF4汙染,這些問題正在解決中。
SF6非常穩定,作為電絕緣性氣體大量用於各種電工、電子裝置,例如斷流器、蓄電器、變壓器。用碳陽極在KF-2HF熔體中電解製取F2,由F2與S反應製取SF6。電解製取氟要防止碳電極崩壞,待開發臨界電流密度大的碳陽極,抗氟化物熔體腐蝕的金屬電極以及隔膜材料。
2.熔鹽氫化
矽烷可在熔鹽中合成,例如製造SiH4。在LiCl-KCl熔體中通電,陰極析出的鋰與通入熔體的氫生成LiH,再與通入的SiCl4反應生成SiH4。陽極析出的Cl2離開電解槽後,與Si作用生成SiCl4又可循環使用。此法省資源,省能量,成本較低。SiH4是製造半導體矽的原料,半導體器件、非晶態太陽能電池等化學氣相沉積用的氣體。
3.熔鹽氯化
在稀有金屬冶金中,廣泛使用氯化法處理礦石。與豎爐(固定床)氯化相比,熔鹽氯化流程短,設備生產率高,過程的連續化自動化程度高;與沸騰氯化相比,熔鹽氯化的原料適應性強,氣相產物中稀有金屬氯化物分壓高,雜質量少。熔鹽氯化工藝在世界上已取得了較大進展,在鈦、鎂冶金中國外已在工業上采用,在釩、鋯冶金中也正在進行試驗。
我國攀枝花地區的鈦鐵礦經過電爐還原熔煉的高鈦渣中主要成分為TiO2,750—850℃下,在熔融堿金屬氯化物(或含堿土金屬氯化物)的介質中,熔鹽氯化過程的主要反應為:
TiO2+C+2Cl2=TiCl4+CO2
國內使用稀釋氯氣(電解製鎂所產生的氯氣、氣相氧化法製取鈦白所產生的尾氣)進行熔鹽氯化,對於利用氯氣資源、保護環境都有重要意義。
研究熔鹽介質中化學反應的規律,尤其是利用熔鹽中的電位-pO2-圖可以預示複合氧化物如鈦鐵礦及銅鎳礦選擇性熔鹽氯化的條件,從而優化選擇性熔鹽氯化工藝。
153 新時代化學概況(一)