磺化聚醚醚酮膜的制备以及在钒电池和离子分离上的应用
发布时间：2020-10-17 19:11
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。膜的发展自从1950年出现至今直到今天还是一个热门研究课题,膜技术的不断开发也是离子交换膜不断发展的过程。到目前为止,离子交换膜在工业社会的方方面面都被应用到,其中能源方面是最受关注的领域之一。离子交换膜如今被广泛应用在各种燃料电池、储能电池系统中。本文制备了磺化度为61%的SPEEK(磺化聚醚醚酮)膜,并对其进行了一系列表征,证明其确实可以应用在钒电池储能系统中;通过实验筛选,发现厚度在50μm的SPEEK膜比Nafion117膜拥有低一个数量级的钒离子渗透率,而且在单电池的性能测试中,SPEEK膜具有更高的CE(库伦效率)和EE(能量效率);在单电池的自放电测试中,SPEEK膜组装的钒电池的自放电时间是Nafion117膜的2倍左右;在单电池循环性能测试中,SPEEK膜组装的钒电池在电流密度为60mA/cm~2时经过50次循环的充放电实验,库伦效率还维持在95%以上,能量效率维持在85%左右,电池效率基本没有衰减。另外我们还将SPEEK膜应用在扩散渗析实验中,通过制备不同厚度的SPEEK膜进行序批式的小膜堆扩散渗析实验,发现膜的厚度不同时表现出锂离子和镁离子的不同选择分离比。当SPEEK膜的厚度为20μm左右,它的锂离子和镁离子的选择性达到3.11,随着厚度的不断提升,当SPEEK膜的厚度为50μm时,锂离子和镁离子的选择性达到3.96。相应的锂离子通量分别从9.13%下降到4.59%,而镁离子通量从2.91%下降到1.17%。随后为了更适用于工业生产,我们进行了不同流量强度下连续性扩散渗析的实验:在最小为5.078L.h~(-1).m~(-2)的流量强度下,我们得到了最高的锂离子透过率;在最大为26.889L.h~(-1).m~(-2)的流量强度下,我们得到了最高的选择分离比。通过连续性扩散渗析实验的研究,可以得到合适的流量条件以适合实际工业的应用。
【学位单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM911;TB383.2
【部分图文】：
的大型储存能量的装置，由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）Kazacos M.和Sum E.等人于 1984 年率先提出的[16]。1986 年，该课题成功制造出世界上首台静止型全钒单电池[17]。制备出了可以在较宽温度范围内稳定储存而不会结晶的浓度为 2mol/L 的高浓度钒电解液，进一步完成了流动型钒电池的制作[18]。
同时阻隔钒离子的通过。离子交换膜既然是提供氢离子这样的质子的传道，那么它就不能对氢离子的传输有较大的阻碍，这就要求隔膜的电阻不大，质子容易通过才能获得较好的电池性能。集流体承受着钒电池中电解冲刷，因此要具有一定的机械强度和化学稳定性。我们在钒电池中采用的墨板，它是理想的集流体。2.2 钒电池的工作原理
图 1- 3 钒氧化还原液流电池的工作原理图[19]Figure 1- 3 Principle of vanadium redox flow battery[19]如图 1- 3所示是钒电池的工作原理图。在电池进行充电时，四价钒以（VO2+）存在形式失去电子生成五价钒离子以 VO2+形式存在和 H+，化学反应中离子价态的变化产生电子，其经由石墨毡电极被收集到石墨板这个集流板上，然后传输到外部电路上，此时负极电解液中的三价钒离子（以 V3+形式存在）通过正极传输过来的电子被还原为二价钒离子（是以 V2+的形式存在），其中浓度为 3mol/L的硫酸提供 H+在电池内部传输，从而形成一个闭合回路，完成整个充放电过程。在电池的充电过程中，正负极两边的电解液中钒离子增大的价态差距，形成了较高的电势，从而使电能转换成化学能。放电时，同样通过电化学反应的发生，使得储存的化学转化为电能输出[22]。通过文献[23, 24]得知钒电池运行时的标准电极电势为约1.26V ，但是在我们对电池进行实际充放电时发现，钒离子在不同价态之间转换会导 致电解液的浓度发生变化，所以钒电池的实际电极电势约为1.45V~1.7V。
【参考文献】
本文编号：2845208
【学位单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM911;TB383.2
【部分图文】：
的大型储存能量的装置，由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）Kazacos M.和Sum E.等人于 1984 年率先提出的[16]。1986 年，该课题成功制造出世界上首台静止型全钒单电池[17]。制备出了可以在较宽温度范围内稳定储存而不会结晶的浓度为 2mol/L 的高浓度钒电解液，进一步完成了流动型钒电池的制作[18]。
同时阻隔钒离子的通过。离子交换膜既然是提供氢离子这样的质子的传道，那么它就不能对氢离子的传输有较大的阻碍，这就要求隔膜的电阻不大，质子容易通过才能获得较好的电池性能。集流体承受着钒电池中电解冲刷，因此要具有一定的机械强度和化学稳定性。我们在钒电池中采用的墨板，它是理想的集流体。2.2 钒电池的工作原理
图 1- 3 钒氧化还原液流电池的工作原理图[19]Figure 1- 3 Principle of vanadium redox flow battery[19]如图 1- 3所示是钒电池的工作原理图。在电池进行充电时，四价钒以（VO2+）存在形式失去电子生成五价钒离子以 VO2+形式存在和 H+，化学反应中离子价态的变化产生电子，其经由石墨毡电极被收集到石墨板这个集流板上，然后传输到外部电路上，此时负极电解液中的三价钒离子（以 V3+形式存在）通过正极传输过来的电子被还原为二价钒离子（是以 V2+的形式存在），其中浓度为 3mol/L的硫酸提供 H+在电池内部传输，从而形成一个闭合回路，完成整个充放电过程。在电池的充电过程中，正负极两边的电解液中钒离子增大的价态差距，形成了较高的电势，从而使电能转换成化学能。放电时，同样通过电化学反应的发生，使得储存的化学转化为电能输出[22]。通过文献[23, 24]得知钒电池运行时的标准电极电势为约1.26V ，但是在我们对电池进行实际充放电时发现，钒离子在不同价态之间转换会导 致电解液的浓度发生变化，所以钒电池的实际电极电势约为1.45V~1.7V。
【参考文献】
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本文编号：2845208
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