Improved batteries are needed for various applications such as consumer electronics, communications devices, medical implants, and transportation needs. In addition, an environmental problem is very important issue to mankind.
In 1999, A team led by Stuart Licht at the Technion-Israel Institute of Technology in Haifa has reported a new class of batteries, referred to as super-iron batteries, which contain a cathode that uses a common material(Fe) but in an unusual (greater than 3) valence state. Although they contain the same Zn anode and electrolyte as conventional alkaline batteries, the super-iron batteries provide ＞50% more energy capacity. In addition, the Fe(VI) chemistry is rechargeable, is based on abundant starting materials, and has a relatively environmentally benign discharge product.
Potassium ferrate $(K_2FeO_4)$ is the best known member among the family of Fe(VI) compounds. It is made and purified more easily, and it is also used in making other ferrates.
Three types of preparation have been known for potassium ferrate: a dry method, heating to red various potassium and iron containing minerals; an electrochemical method, electrolyzing a potash solution with an iron anode; and a wet method, oxidizing a basic solution of Fe(III) salt by an hypochlorite. Among these three approaches, the 20th century has privileged the third. But the method is not the optimum way because of complex processes and the dangerousness of raw materials.
To synthesize the $K_2FeO_4$ powder simply, a dry method was used. The optimum conditions is that the 5 to 1 mixture of $KNO_3$ and $Fe_2O_3$ was treated with heat for 75minute at 950℃ in Ar atmosphere. The purity was about 46% by weight. This method can`t offer a high purity sample, but the process is easy to control. Moreover, the fabrication cost is relatively low. To purify the $K_2FeO_4$, it was dissolved in an alkaline aqueous solution and then precipitated the $K_2FeO_4$ out of the solution. Also, a wet method was used to compare the synthesis.
To look into an KOH concentration effect on particle size, additional volume of saturated KOH solution was changed under precipitation. Each sample was tested by constant current discharge method. In conclusion, the more the volume of additional saturated KOH solution increased, the smaller the particle size became. And the smaller powder had more capacity.
최근 휴대기기의 전력 사용량이 증가하면서 좀더 작고 가벼우며 오랫동안 사용할 수 있는 전지의 필요성은 나날이 증가하고 있다. 한편 환경오염이 인류의 생존을 위한 문제로 부각되면서 기존에 사용하던 오염물질들을 환경 친화적인 물질들로 대체하기 위한 연구도 활발히 진행 중에 있다.
1999년 Stuart Licht 연구진의 발표에 따르면, 기존 이산화망간보다 더 가볍고 친환경적인 물질인 철(Fe)화합물을 사용하여 현재 상용화되어있는 알칼리 전지 보다 50%이상의 에너지를 더 가진 전지를 개발하였고, 이 전지를 슈퍼-철 전지로 명명하였다고 한다. 특이한 점이 있다면 이들이 사용한 철 화합물은 K2FeO4, BaFeO4와 같이 Fe(VI)를 포함한다는 것이다. 철은 대부분 +3의 원자가를 갖는데, +6의 원자가는 매우 드문 경우이다. 따라서 이 물질들이 18세기 초반에 발견되었지만 불안정한 물질일 것이라는 편견 때문에 많은 연구가 진행되지 않았다.
Fe(VI)를 포함하는 철 화합물 중에서 가장 널리 알려져 있는 물질은 K2FeO4이다. 합성이 비교적 쉽고, 이온 교환법에 의해 다른 화합들을 만드는데 사용할 수 있기 때문이다. K2FeO4를 합성하는 방법은 건식법, 습식법, 전기화학법 이렇게 세 가지가 알려져 있다. 이들 중 고순도의 분말을 얻을 수 있는 습식법이 현재 가장 널리 쓰이고 있지만 이 방법은 여러 단계의 길고 복잡한 화학 공정을 거쳐야 하며, 합성에 필요한 원료물질 또한 다루기 위험한 물질들이기 때문에 결코 최적의 방법이라고는 할 수 없다.
본 논문에서는 저렴한 원료물질을 사용하여 비교적 간단한 방법으로 K2FeO4의 합성을 시도하였으며, 이렇게 얻은 불순물이 포함된 K2FeO4를 염기성 수용액에 녹여 거른 후 침전시키는 방법으로 고순도의 분말을 얻을 수 있었다. 또한 기존에 널리 쓰이고 있는 습식법으로도 K2FeO4를 제조하여 XRD, UV/VIS, SEM, 화학 적정, 반쪽전지 방전실험 등으로 각각의 특성을 비교, 분석하여 보았다.
그리고, 침전과정에서 첨가해주는 KOH의 양이 최종적으로 얻어지는 K2FeO4의 입자 크기에 미치는 영향을 알기 위해 KOH의 첨가량을 조절해가면서 입자 크기의 분포를 조사해 보았다. 또한 이들을 각각 같은 조건에서 방전 실험을 하여 방전 용량과 입자 크기와의 상관관계를 분석하였다.
