CN103098299B - 一种铁-空气可再充电电池 - Google Patents

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Abstract

实施例包括一种具有一个复合电极的铁-空气可再充电电池，该复合电极包括一个铁电极以及一个与其整合的氢电极。将一个空气电极与该铁电极隔开并且提供了一种与该空气电极和该铁电极相接触的电解液。相对于该铁电极、空气电极、以及电解液公开了不同的添加剂以及催化剂来增加电池效率和循环寿命。

Description

一种铁-空气可再充电电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年7月22日提交的美国临时专利申请号61/366,696的权益，该申请的全部披露通过引用结合到本文中。
技术领域
本文实施例涉及一种铁-空气可再充电电池。
发明背景
在二十世纪七十年代中期以及八十年代早期西屋电器公司（WestinghouseCorporation）、瑞典国家发展公司（SwedishNationalDevelopmentCorporation）以及其它公司都在热心地追求在电动车辆中使用的铁-空气电池的研发。然而，这些电池的能量密度和功率密度达不到为电动车辆应用所设置的所希望的目标。
在电网规模的能量存储应用中潜在地使用铁-空气电池的优势是引人注目的。由于铁的成本只有每磅0.10美元，铁-空气电池比其它电池的花费更少。美国具有超过1,000亿吨的铁矿石资源，这些资源可以转变为超过10,000万亿（tera）瓦时的能量存储。铁是无毒的并且易于回收。铁-空气电池具有高的能量密度，其理论比能量为764Wh/kg。即使在这个值的20%（154Wh/kg），它也比得上锂离子电池的比能量。铁电极是稳健的，由镍-铁电池中的铁电极证明铁电极具有超过3000次循环。此外，铁电极对过量充电、过量放电、以及开路停止状态是非常有耐受性的。
当前的铁-空气电池具有中等的能量密度（50-75Wh/kg）、中等的循环寿命（2000次循环），这些电池是低成本的（<100美元/kWh），是环境友好的，是由丰富的原材料构造成的，并且是可以容易地扩展的。然而，铁-空气电池的双程能量效率和循环寿命需要改进。
发明概述
在一个实施例中，提供了一种铁-空气可再充电电池，该电池包括：一个复合电极，该复合电极包括一个铁电极以及一个与其整合的氢电极；一个与该复合电极隔开的空气电极；以及一种与该复合电极和该空气电极相接触的电解液。在一个优选的实施方式中，该铁电极和氢电极可以具有分离的电接触点并且与对应的充电/放电控制器相连通。在一个优选的实施方式中，该电池可以进一步包括一种纳米结构的晶须基底，该基底可以作为用于该空气电极的催化剂载体。在一个优选的实施方式中，该晶须基底可以是由羧酰亚胺颜料和酞菁中的至少一种制备的。在一个优选的实施方式中，该纳米结构的晶须基底可以涂覆有一个薄的具有催化活性的氧化物层。在一个优选的实施方式中，该氧化物层可以包括钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物、或尖晶石氧化物中的至少一种。在一个优选的实施方式中，该空气电极可以包括负载在一个气体扩散层上的一个薄膜纳米结构的催化剂层。在一个优选的实施方式中，该电池可以进一步包括一种二氧化碳管理***，该***可以从提供给该空气电极的空气中快速地吸附二氧化碳。在一个优选的实施方式中，该二氧化碳管理***可以包括一种二氧化碳吸收剂，该吸收剂在该电池的充电和放电操作之间可以再生。在一个优选的实施方式中，该吸收剂可以包括一种纳米结构的、二氧化硅负载的有机胺吸收剂，进入的空气可以穿过该吸收剂并且该吸收剂可以与二氧化碳弱结合。在另一个实施例中，提供了一种铁-空气可再充电电池，该电池包括一个铁电极，一个与该铁电极隔开的空气电极，该空气电极包括负载在一个气体扩散层上的一个薄膜纳米结构的催化剂层，以及一种与该铁电极和该空气电极接触的电解液。在一个优选的实施方式中，该电池可以进一步包括一种纳米结构的晶须基底，该基底可以作为用于该空气电极的催化剂载体。在一个优选的实施方式中，该晶须基底可以是由羧酰亚胺颜料和酞菁中的至少一种制备的。在一个优选的实施方式中，该纳米结构的晶须基底可以涂覆有一个薄的具有催化活性的氧化物层。在一个优选的实施方式中，该氧化物层可以包括钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物、或尖晶石氧化物中的至少一种。在另一个实施例中，提供了一种用于对铁-空气电池进行充电的方法，包括一个复合电极的该电池包括一个铁电极以及一个与其整合的氢电极，一个与该铁电极隔开的空气电极，以及一种与该铁电极和该空气电极相接触的电解液。该方法包括对该铁电极进行充电，同时使该氢电极放电，以及在放电的过程中将该铁电极与该氢电极隔离，以致使在供电过程中只涉及该铁电极。
附图简要说明
图1是一种铁-空气电池的示意性图示，描绘了根据在此披露的多个实施例的该铁电极和空气电极的几个特点；
图2a和图2b对应地是根据一个实施例的一种铁电极的前正视图和侧面正视图；
图3是根据另一个实施例的一种铁电极的侧面正视图；以及
图4是根据一个实施例的一种用于铁-空气电池的充电***的示意性图示。
详细说明
如所要求，在此披露了本发明的详细实施例；然而，应当理解的是所披露的实施例仅例证了可以按照各种和替代性形式体现的本发明。附图不一定按比例；一些特征可以被放大或最小化，从而示出特定部件的细节。因此，在此披露的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅为用于让传授本领域的普通技术人员多方面地使用本发明的一个代表性基础。
在此披露的实施例针对一种高性能的铁-空气可再充电电池。由于铁的非常低的成本、铁和空气的环境友好性、以及丰富的原材料，这样的电池技术可能是变革性的。该铁-空气电池是一种用于电网规模能量存储的优异候选物，其中在此披露的实施例着手解决其效率和循环寿命问题，目标在于将双程能量效率从50%提升到80%，并且将循环寿命从2000提升到5000次循环。
由方程式1给出了导致电能产生的铁-空气电池中的总电池反应。
Fe+1/2O2+H2O→Fe(OH)2(1)
方程式1中的逆向反应在充电过程中发生。在放电过程中，负电极上的铁被氧化为氢氧化亚铁(II)并且在正电极处氧被还原以形成水。在电池的充电过程中这些过程将是反向的。在放电过程中的单独的电极反应通过下式给出：
(+)电极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-;(1a)
(-)电极：Fe+2OH-→Fe(OH)2+2e-(1b)
效率。铁-空气电池具有大约1.28V的开路电池电压以及764Wh/kg的理论能量密度。虽然这些电流密度比将要被用于电网规模电存储的电池放电的电流密度高至少一个数量级，但在充电电压与放电电压之间存在0.5V的差异。充电/放电电压之间的这个差异主要由空气电极的性能低下引起的。这样的电压损耗显著地导致了当前铁-空气电池的50%的低双程效率，在14天中容量损耗20%，以及法拉第充电效率损耗10%。尽管电网规模能量存储应用并不需要像在电动车辆电池中使用的那么高的电流密度，但是效率仍然是一个重要问题。
根据下面的化学反应，铁电极通过与电解液反应也经历了自放电并且析出氢气：
Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2（方程式2）
如果析出的氢气未被利用，会发生效率以及电解液的相当大的损耗。用于析氢的电极电位接近于铁电极反应的电极电位，并且因此在充电过程中氢气同样在铁电极上析出。由于此氢气没有参与放电反应（方程式1b），所以双程效率进一步降低。
循环寿命。铁电极是对于电池电化学家已知的最稳健的电极之一。铁电极已经被证明在镍铁电池中没有显著的退化的情况下禁得起超过3000次循环（S.Falk和A.F.Salkind，碱性存储电池，1969，WileyInterscience，纽约；K.Vijayamohanan等人，J.ofPowerSources,1991,(34),269-285）。与锌电极不同，铁电极不会遭受在循环中的形状改变并且对过量充电和过量放电也是极其有耐受性的。
然而，由于反复的充电和放电造成电极的退化，空气电极被限制在大约1000-2000次循环。典型地，将碳做为一种用于在该空气电极中使用的催化剂的载体材料。在充电过程中，此碳载体经历了造成该电极的疏水性和机械完整性的损耗的电氧化，由此导致了溢流和性能的损耗。进一步地，由空气中存在的二氧化碳与电解液的反应形成的碳酸钾导致了孔的阻塞，并且增加了氧气传送的障碍以及随之发生的性能损耗。
为了着手解决这些缺陷，在此披露的实施例努力将铁-空气电池的双程能量效率提高到80%并且增加其循环寿命至5000次循环以用于电网规模的能量存储应用。图1说明了几个关于下面描述的铁-空气电池100的实施例。
在一个实施例中，在电解液10中使用了自组装的有机硫基的添加剂，这些添加剂例如在一个实现方式中大约10ppm到10,000ppm，以及在另一个实现方式中大约1,000ppm到5,000ppm，电解液10优先地吸附在铁电极12上以在停止状态期间排除水并且抑制析氢，因此着手解决了由自放电产生的能量损耗。
由于根据以下化学反应的铁与电解液10中的水进行的反应，发生铁电极12的自放电而产生氢气：
Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2(2)
通过把水从铁电极12的表面排除可以防止此反应。已知的是，长链烷烃硫醇类、烷基二硫化物类、未取代的和取代的芳基硫醇类、以及羟烷基硫醇类在电极上自组装成斥水的单层。适合的取代基实例包括但不限于NO2、C1-C6烷基、卤素（例如：Cl、Br、F、I）、SO3H、OH、C1-C6醇盐、苯基、以及类似物。这个实施例利用了这个特性来把水从铁电极12排除，从而抑制了自放电。
研究已经表明例如烷烃硫醇类的有机硫化合物类自组装为单层并且把水从电极表面排除。由1-十二烷硫醇形成的自组装单层（SAMs）已经被发现在保护铜和铁在充气溶液中不被腐蚀方面是有效的（Y.Yamamoto等人，J.ElectrochemSoc,1993,(140)436）。此自组装的另一个重要方面是其选择性。SAMs只在铁的裸露表面上形成并且不在由氧化物类或氢氧化物类覆盖的表面上形成（M.Volmer等人，Surf.InterfaceAnal.,1990,(16)278）。因此，在不影响这些氧化物或氢氧化物材料的情况下，可以优先地将防止自放电所需要的保护赋予这些铁颗粒。有机二硫化物类也形成类似于硫醇类的SAMs（M.Volmer等人，Surf.InterfaceAnal.,1990,(16)278）。通过调整烷烃链的长度以及这些烷烃硫醇和有机二硫化物的端基，可以改变这些自组装层的排水性质。例如，在下表中显示了由不同的硫醇覆盖的铜表面的变化的斥水性的结果。（Y.Yamamoto等人，J.Elec.ChemSoc,1993,(140)436）。
在一个实施例中，例如在一个实现方式中大约0.1%到10%、以及在另一个实现方式中大约1%到5%的无毒的铋添加剂被用来在充电过程中抑制析氢并且改善充电效率。
通过以下方程式给出了充电过程中在铁电极12处发生的反应，
Fe+2OH-→Fe(OH)2+2e-(1b)
但是在充电过程中，以下的反应（方程式3）也在铁表面上发生，并且这个反应与该主反应（方程式1b）竞争，造成充电效率的损耗。
2H2O+2e-→H2+2OH-(3)
通过将铋添加剂用于铁电极12，抑制了这个寄生副反应（方程式3）并且因此增加了充电效率。铋具有高的析氢过电位（非常慢的动力学）并且因此可以被用于抑制析氢反应（方程式3）。展现出高的氢过电位的其它元素包括汞和铅。但是不像铅和汞，铋是完全无毒的并且因此保持了铁-空气电池的环境友好性。铋做为汞的替代物已经成功地被使用在锌电池中（M.Yano等人，J.PowerSources,1998,(74),129）。硫化铋添加剂已经被证明对铁电极的充电特性具有有益的效果（T.S.Balasubramanian;A.K.Shukla,J.PowerSources,1993,(41),99）。
除抑制析氢的这些方法之外，在此披露的实施例还利用了在充电过程中析出的氢气。在一个实施例中，一种特别设计的双层复合电极结构被整合进了铁电极12以用于由在充电和自放电过程中析出的氢气产生电，从而将由于自放电和无效充电造成的双程能量效率中的损耗最小化。
通过电化学地氧化氢气可以产生能量。这将会弥补由析氢产生的能量损耗的至少60%。为此，在图2a、图2b、以及图3中展示了一种复合铁电极，该电极允许以下两个过程同时发生，即：铁电极12的充电过程以及氢气的氧化。
在这个实施例中，铁电极12的结构可以通过烧结铁粉而制备，但是此结构还可以具有如图2a和图2b中所显示的遍及表面上分布的孔14。如在图3中所描绘的，在一种覆盖或包围铁电极12的多孔传导结构18中也提供了多个孔或其它的开口16以允许液体电解质10的进入。任一种结构都可以与一种燃料电池式的气体扩散电极20整合，该电极允许发生氢气的氧化作用。高表面积的镍22可以被用作为用于氧化氢气的一种催化表面。可以将铁电极12和氢电极20用电极12与电极20之间的一个绝缘层24电绝缘并且夹在一起作为一个双层。给铁电极12和氢电极20提供了分离的电接触点25。如在下面的电化学反应中所示，氢/氧对的总反应与碱性燃料电池中的反应是相似的。
总反应：H2+1/2O2→H2O
阳极：H2+2OH-→2H2O+2e-
阴极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-
在图4中展示了用如上面描述的一个复合电极12，20实现的一个充电***26的示意图。可以设计一个或多个充电/放电控制器28来为铁电极12充电但是同时也可以使氢电极20放电。可以将由氢电极20产生的电力馈送到充电***26以抵消一些为铁电极12充电所需的电力，从而增强了该充电过程的效率。在铁-空气电池100的放电过程中，可以将铁电极12和氢电极20隔离以致使在供电过程中只涉及铁电极12。在非操作期间产生的氢气可以被用来对铁-空气电池100进行涓流（trickle）充电。
在一个实施例中，将一种纳米结构的抗腐蚀酰亚胺晶须基底用作为双功能的空气电极30的一种催化剂载体，以减少用于空气电极30的碳负载催化剂的氧化性退化并且增加了该空气电极的循环寿命。
当前的铁-空气电池的主要局限性之一是它们的耐用性限制在2000次循环。循环寿命低的主要原因是该空气电极中使用的常规的碳基催化剂的腐蚀引致的退化。通过使用由羧二酰亚胺（carboxidimide）颜料类（例如苝红149）制备的纳米结构的晶须载体，这个实施例消除了此现象。这些载体不具有单质碳，并且已经被证明是稳健的，作为空气电极在高达1.5V的电位下持续7500小时。这种基底可以通过一种辊对辊干热蒸发工艺相对低成本地生产。苝红149是从BASF可商购的并且是一种相对低成本的起始材料。例如，见授予Debe的专利号为5,039,561的美国专利。此外，其它的大环化合物类（例如，但不限于酞菁类）可以被用来制备该晶须基底。
在一个实施例中，采用了具有一个纳米结构的催化剂层的一种薄膜空气电极30，以保证一种简单的两层电极设计用于有效的水管理和稳定的操作。这样一种结构在增加了循环寿命的同时防止了溢流并且降低了电极设计的复杂性。
用于该双功能空气阴极的常规使用的电极结构由多层经疏水处理的高表面积的碳负载催化剂组成。在这些电极中，这些三相区域（气-电极-电解液边界）是不稳定的并且随着时间它们易于溢流。此外，即使在不存在溢流的情况下，或者通过不合适的三相平衡或者仅仅通过一个过长的扩散路径长度，空气的进入能够轻易变成受扩散限制的。该披露的实施例包括一个空气电极30，该空气电极具有负载在一个气体扩散背衬层34上的一个薄膜纳米结构的催化剂层32以克服这些问题。这可能致使空气电极30在多于5000次循环中是稳定的。这种结构的好处产生于其优于常规的碳电极的至少三个明显的优势。
防止溢流：一种纳米结构的抗氧化载体的使用消除了伴随常规碳电极的循环工作发生的电接触的损耗以及孔径的增加。这允许使用一种单一气体扩散层，例如防湿的TORAYTM纸这类结构的防湿性已经被证明在燃料电池中是固有地非常稳健的。
短的空气扩散长度：与常规电极中用于空气进入的孔的迷宫路径相比较，纳米结构的催化剂层32的扩散通道长度是非常短的。实际上，电极30被设计用来在一种溢流模式下稳定工作。
去除充电过程中产生的气体：在充电过程中，被电解液润湿的该薄膜电极本质上有利于将气体输送到外界。常规的催化剂层被具体地设计成具有一个表面张力梯度以通过这些通道以及孔输送氧气。在根据该披露的实施例的电极设计中，因为该疏水表面更有利于收集气泡，所析出的气体将只移动到该防湿的碳纸。由与气体析出位置相邻的气体扩散层34来辅助此输送过程。
在一个实施例中，具有烧绿石、钙钛矿、和/或尖晶石的结构的多个催化氧化物层被溅射沉积到一种稳健的载体上（例如：上面描述的酰亚胺晶须基底）用于双功能工作，以减少充电和放电过程中的电压损耗，提供一种用于空气电极30的低成本的制造工艺，并且增加双程效率。
双功能空气电极30应该用最小的电压损耗来支持析氧和还原氧气。上面描述的这些纳米结构的抗氧化基底可以被涂覆一个具有催化活性的钙钛矿、烧绿石、和/或尖晶石氧化物的薄层，以形成能够在双功能模式中有效工作的一种催化剂表面。这个实施例使用溅射沉积工艺来制备一种催化氧化物类的单层。由于此电化学反应在该催化剂和该电解液的界面处发生，对于此功能将只需要一个催化氧化物的薄层。溅射沉积对于薄膜的均匀沉积是理想地适用的，并且能够沉积该氧化物的任何组成。溅射沉积是一种广泛使用的用于制备功能性表面的制造技术并且相比湿化学处理方法在经济上是非常有吸引力的。采用反应溅射沉积，简单地通过改变施加到这些靶上的溅射功率的比率以及通过改变沉积室内氧气的压力可以制备一系列的组合物。在这些钙钛矿氧化物中，考虑了一些低成本的材料例如像镍酸铁镧（LaFexNi(1-X)O3）以及LaCa0.4CoO3，因为在早期研究中这些氧化物在碱性介质中已经显示了非常有前景的循环性能以及双功能活性（L.Jorissen,J.PowerSources,2000,(155),23）。该钙钛矿催化剂的性能强烈地依赖于其组成，尤其对于析氧反应。因此，也考虑用锶替代镧来增加析氧活性。一篇最近的报道也已经显示铋铱氧化物烧绿石氧化物对于析氧和还原氧气是非常有活性的（K.Koga等人，ECSTrans.,2008,(11)Iss.32,101）。溅射沉积的Bi2Ir2O7-x也可以是这些钙钛矿氧化物的一种合适的替代物。也可以使用一种尖晶石氧化物例如具有NiCo2O4的镍钴氧化物来代替烧绿石或钙钛矿氧化物。
在一个实施例中，利用了一种二氧化碳管理***36，该***使用在充电中产生的氧气用来再生，从而消除了电解液10的快速碳酸化以及能量有效的再生。二氧化碳管理***36快速地从供应给空气电极30的空气中吸附二氧化碳，该***利用了一种在电池100的充电和放电操作之间再生的二氧化碳吸收剂。
铁-空气电池使用一种氢氧化钾浓缩溶液作为电解液。这种电解液对空气流中的CO2相当敏感并且在电解液中碳酸盐的逐渐形成是不可避免的。随着时间的推移此过程使电解液退化同时额外地形成了不希望的沉淀物。为了具有长的循环寿命，一种CO2去除***是必需的，并且一种使用最小能量的简单的可再生装置当前并不存在。
为了避免电解液的碳酸化，此实施例使进入的空气穿过一种与CO2弱结合的吸收剂。以此方式，在放电过程中将无二氧化碳的空气输送到该铁/空气电池。然后在充电过程中由该电池产生的热量被用来提供使CO2从该吸收剂解吸所需要的少量热能。此外，来自另一种可再生能源（像太阳能）的热量可以用来使该吸收剂床再生。并且，在充电过程中产生的氧气可以用于将CO2从该吸收剂上清除。
虽然水是一种容易获得的二氧化碳吸收剂，但此实施例利用了纳米结构二氧化硅负载的有机胺类（例如聚乙烯亚胺和聚乙二醇）作为一种可逆的二氧化碳吸收剂，该吸收剂的吸收容量是水的吸收容量的100倍。二氧化碳在纳米结构二氧化硅负载的高分子量的聚乙烯亚胺上的吸收作用最近已经被研究（A.Goeppert等人，EnergyEnviron.Sci.,2010,3,1949-1960）并且吸收容量高达140mgCO2/g吸收剂。由于二氧化碳与这些高分子量的聚乙烯亚胺的弱相互作用，从这种吸收剂中吸收和再生二氧化碳比需要大量能量的热再生***更加地有效。在这个实施例中，聚（离子的）液体类也可以被用于吸收二氧化碳。
尽管上文描绘了示例性实施例，但无意使得这些实施例描述出本发明的所有可能的形式。而是，在本说明书中使用的语言是描述性而非限制性的语言，并且应理解的是可以在不背离本发明的精神和范围的情况下做出不同改变。另外，不同实施的实施例的特征可以被组合而形成本发明的另外实施例。

Claims (28)

1.一种铁-空气可再充电电池，包括：
一个复合电极，该复合电极包括一个铁电极、一个与该铁电极整合的氢电极以及在该铁电极和该氢电极之间的绝缘层；
一个与该复合电极隔开的空气电极；以及
一种与该复合电极和该空气电极相接触的电解液。
2.根据权利要求1所述的电池，进一步包括该电解液中的自组装的有机硫基的添加剂。
3.根据权利要求2所述的电池，其中这些有机硫基的添加剂选自下组，该组由烷烃硫醇、烷基二硫化物、未取代的和取代的芳基硫醇、以及羟烷基硫醇组成。
4.根据权利要求1所述的电池，其中该铁电极包括一种铋添加剂。
5.根据权利要求1所述的电池，其中该铁电极由一种多孔传导结构覆盖，该结构具有用于该电解液的进入的多个孔。
6.根据权利要求1所述的电池，其中该复合电极进一步包括一种催化表面，该表面包括用于氧化氢气的镍。
7.根据权利要求1所述的电池，其中该铁电极和氢电极具有分离的电接触点并且与对应的充电/放电控制器相连通。
8.根据权利要求1所述的电池，其中该铁电极和该氢电极在放电过程中被隔离，以致使在供电过程中只涉及该铁电极。
9.根据权利要求1所述的电池，进一步包括一种纳米结构的晶须基底，该基底作为用于该空气电极的催化剂载体。
10.根据权利要求9所述的电池，其中该晶须基底是由羧酰亚胺颜料和酞菁中的至少一种制备的。
11.根据权利要求9所述的电池，其中该纳米结构的晶须基底涂覆有一个薄的具有催化活性的氧化物层。
12.根据权利要求11所述的电池，其中该氧化物层包括钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物、或尖晶石氧化物中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的电池，其中该空气电极包括负载在一个气体扩散层上的一个薄膜纳米结构的催化剂层。
14.根据权利要求1所述的电池，进一步包括一种二氧化碳管理***，该***从提供给该空气电极的空气中吸附二氧化碳。
15.根据权利要求14所述的电池，其中该二氧化碳管理***包括一种二氧化碳吸收剂，该二氧化碳吸收剂在该电池的充电和放电操作之间再生。
16.根据权利要求15所述的电池，其中该二氧化碳吸收剂包括一种纳米结构的、二氧化硅负载的有机胺吸收剂，进入的空气穿过该有机胺吸收剂并且该有机胺吸收剂与二氧化碳弱结合。
17.根据权利要求16所述的电池，其中该二氧化碳吸收剂选自于下组，该组由聚乙烯亚胺以及聚乙二醇组成。
18.根据权利要求15所述的电池，其中在充电过程中由该电池产生的热量被用来为二氧化碳从该二氧化碳吸收剂上解吸提供热能。
19.一种铁-空气可再充电电池，包括：
一个复合电极，该复合电极包括一个铁电极、一个与该铁电极整合的氢电极以及在该铁电极和该氢电极之间的绝缘层；
一个与该复合电极隔开的空气电极，该空气电极包括负载在一个气体扩散层上的一个薄膜纳米结构的催化剂层和一种用作该空气电极的催化剂载体的纳米结构晶须基底；以及
一种与该复合电极和该空气电极接触的电解液；
其中该铁电极由一种多孔传导结构覆盖，所述多孔传导结构具有用于所述电解液进入的多个孔。
20.根据权利要求19所述的电池，其中该晶须基底是由羧酰亚胺颜料和酞菁中的至少一种制备的。
21.根据权利要求19所述的电池，其中该纳米结构的晶须基底涂覆有一个薄的具有催化活性的氧化物层。
22.根据权利要求21所述的电池，其中该氧化物层包括钙钛矿氧化物、烧绿石氧化物、或尖晶石氧化物中的至少一种。
23.根据权利要求19所述的电池，进一步包括该电解液中的自组装的有机硫基的添加剂。
24.根据权利要求19所述的电池，其中该铁电极包括一种铋添加剂。
25.根据权利要求19所述的电池，进一步包括一种二氧化碳管理***，该***从提供给该空气电极的空气中快速地吸附二氧化碳。
26.一种用于对铁-空气电池进行充电的方法，该电池包括一个复合电极，该复合电极包括一个铁电极、一个与该铁电极整合的氢电极以及在该铁电极和该氢电极之间的绝缘层；一个与该铁电极隔开的空气电极；以及一种与该铁电极和该空气电极相接触的电解液；该方法包括：
对该铁电极进行充电，同时使该氢电极放电；以及
在放电的过程中将该铁电极和该氢电极隔离，以致使在供电过程中只涉及该铁电极。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括将由该氢电极产生的电力馈送到一个充电***以抵消为该铁电极充电所需的电力的至少一部分。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使用在非操作期间产生的氢气对该铁-空气电池进行涓流充电。
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