低成本超薄复合膜用于不同溶液体系钒电池的性能研究
发布时间：2021-01-02 02:33
采用廉价的聚烯烃微孔膜作为支撑体,全氟磺酸离子交换树脂作为复合相,设计并制备了成本低、机械强度高、性能优异的超薄液流电池复合膜.研究了在H2SO4和HCl不同体系下复合膜的氢离子传导、钒离子渗透、电池性能.结果表明,25μm复合膜具有较高的机械强度和较低的溶胀率;在混酸钒溶液体系（1.5 mol/L VOSO4+1.5 mol/LH2SO4+2.5 mol/L HCl）的电池性能优异,100 mA/cm2下能量效率（EE）为80%.同时,复合膜成本较低（40～60元/m2）,具有应用前景.
【文章来源】：膜科学与技术. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
复合膜制备工艺示意图及膜照片
成膜工艺直接影响复合膜的导电性能.本文在不同成膜时间(0.5、1、2、4、6 h、)、成膜温度(40、60、100、110、140 ℃)下进行复合成膜,并对制备的隔膜在3.0 mol/L的H2SO4溶液下进行电导率测试.从图3(a)可以看出,随着温度的升高,膜的面电阻呈现出先增加后略微降低再上升的趋势,100 ℃时具有较低的面电阻.该趋势是因为,PE在超过其玻璃化转变温度(110 ℃)后,会发生明显的热收缩而导致微孔坍塌[21],使PE多孔膜渗入的全氟磺酸树脂量减少,微孔及磺酸基团的减少共同作用使得复合膜的面电阻明显升高.对于全氟磺酸树脂溶液,随温度的升高和溶剂的挥发,溶液中逐渐形成全氟磺酸树脂聚集体[22],聚集体之间通过全氟磺酸树脂分子主链段之间的相互作用继续聚集、融合,形成物理交联的网络结构而成膜[23],该过程可在100～200 ℃发生[24].因此,综合考虑PE的热稳定性,本文选择100 ℃为最佳成膜温度.从图3(b)可看出,随着成膜时间的延长,树脂的交联程度提高,复合膜的面电阻升高,至2 h时达到最高,而后又呈降低趋势.综合考虑面电阻和耗能,选择1 h作为最优的成膜时间.因此获得最优的成膜工艺为100 ℃、1 h.图3 成膜工艺对复合膜面电阻的影响
图2 不同膜的表面与截面形貌以下的物化性能、导电性能、钒离子渗透性能及电池性能均采用温度100 ℃、时间1 h的成膜工艺所制备的复合膜进行测试,并与Nafion212膜进行对比.由表2可知,25 μm的复合膜机械强度为137 MPa,远高于Nafion212膜的18.7 MPa[25];线性溶胀率仅为Nafion212膜的1/40,但含水量高于Nafion212膜.分析原因为,复合膜属于非均相膜,作为基膜的PE为多孔膜,尽管全氟磺酸树脂渗入其内部,但仍具有一定的孔隙率,可以容纳较多水分子,导致复合膜的含水量较高;但PE树脂自身不具有溶胀特性,且具有明显溶胀特性的全氟磺酸树脂用量较少,则因树脂溶胀导致复合膜的体积变化量较小,即复合膜的溶胀性较小.而Nafion212膜属于均相质子交换膜,其全氟磺酸树脂的亲水性导致水分子容易渗入树脂内部,引起较大的体积变化,即溶胀性高;但Nafion212膜内部孔隙率低,可容纳水分子的绝对值较小,因此含水量较低.
【参考文献】：
期刊论文
[1]电化学能源转化膜与膜过程研究进展[J]. 王保国. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]基于细菌纤维素的阳离子交换膜在水系有机液流电池中的应用研究[J]. 丁亮,侯剑秋,杨正金,吴亮,徐铜文. 膜科学与技术. 2019(06)
[3]全钒液流电池用致密皮层非对称AEM结构优化[J]. 张代双,彭桑珊,肖武,焉晓明,贺高红. 膜科学与技术. 2019(03)
[4]全钒液流电池的质子传导膜研究进展[J]. 陆地,聂峰,薛立新. 膜科学与技术. 2014(06)
[5]全钒液流电池碳电极材料的研究进展[J]. 吴雄伟,刘俊,谢浩,熊远福,吴宇平,周清明. 中国科学:化学. 2014(08)
[6]全钒液流电池荷电状态的分析与监测[J]. 王文红,王新东. 浙江工业大学学报. 2006(02)
[7]全钒液流电池隔膜在钒溶液中的性能[J]. 谭宁,黄可龙,刘素琴. 电源技术. 2004(12)
[8]锂离子电池隔膜的研究与开发[J]. 胡继文,许凯,沈家瑞. 高分子材料科学与工程. 2003(01)
硕士论文
[1]燃料电池用全氟磺酸质子交换膜制备与性能研究[D]. 尚方剑.上海交通大学 2010
本文编号：2952478
【文章来源】：膜科学与技术. 2020年04期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
复合膜制备工艺示意图及膜照片
成膜工艺直接影响复合膜的导电性能.本文在不同成膜时间(0.5、1、2、4、6 h、)、成膜温度(40、60、100、110、140 ℃)下进行复合成膜,并对制备的隔膜在3.0 mol/L的H2SO4溶液下进行电导率测试.从图3(a)可以看出,随着温度的升高,膜的面电阻呈现出先增加后略微降低再上升的趋势,100 ℃时具有较低的面电阻.该趋势是因为,PE在超过其玻璃化转变温度(110 ℃)后,会发生明显的热收缩而导致微孔坍塌[21],使PE多孔膜渗入的全氟磺酸树脂量减少,微孔及磺酸基团的减少共同作用使得复合膜的面电阻明显升高.对于全氟磺酸树脂溶液,随温度的升高和溶剂的挥发,溶液中逐渐形成全氟磺酸树脂聚集体[22],聚集体之间通过全氟磺酸树脂分子主链段之间的相互作用继续聚集、融合,形成物理交联的网络结构而成膜[23],该过程可在100～200 ℃发生[24].因此,综合考虑PE的热稳定性,本文选择100 ℃为最佳成膜温度.从图3(b)可看出,随着成膜时间的延长,树脂的交联程度提高,复合膜的面电阻升高,至2 h时达到最高,而后又呈降低趋势.综合考虑面电阻和耗能,选择1 h作为最优的成膜时间.因此获得最优的成膜工艺为100 ℃、1 h.图3 成膜工艺对复合膜面电阻的影响
图2 不同膜的表面与截面形貌以下的物化性能、导电性能、钒离子渗透性能及电池性能均采用温度100 ℃、时间1 h的成膜工艺所制备的复合膜进行测试,并与Nafion212膜进行对比.由表2可知,25 μm的复合膜机械强度为137 MPa,远高于Nafion212膜的18.7 MPa[25];线性溶胀率仅为Nafion212膜的1/40,但含水量高于Nafion212膜.分析原因为,复合膜属于非均相膜,作为基膜的PE为多孔膜,尽管全氟磺酸树脂渗入其内部,但仍具有一定的孔隙率,可以容纳较多水分子,导致复合膜的含水量较高;但PE树脂自身不具有溶胀特性,且具有明显溶胀特性的全氟磺酸树脂用量较少,则因树脂溶胀导致复合膜的体积变化量较小,即复合膜的溶胀性较小.而Nafion212膜属于均相质子交换膜,其全氟磺酸树脂的亲水性导致水分子容易渗入树脂内部,引起较大的体积变化,即溶胀性高;但Nafion212膜内部孔隙率低,可容纳水分子的绝对值较小,因此含水量较低.
【参考文献】：
期刊论文
[1]电化学能源转化膜与膜过程研究进展[J]. 王保国. 膜科学与技术. 2020(01)
[2]基于细菌纤维素的阳离子交换膜在水系有机液流电池中的应用研究[J]. 丁亮,侯剑秋,杨正金,吴亮,徐铜文. 膜科学与技术. 2019(06)
[3]全钒液流电池用致密皮层非对称AEM结构优化[J]. 张代双,彭桑珊,肖武,焉晓明,贺高红. 膜科学与技术. 2019(03)
[4]全钒液流电池的质子传导膜研究进展[J]. 陆地,聂峰,薛立新. 膜科学与技术. 2014(06)
[5]全钒液流电池碳电极材料的研究进展[J]. 吴雄伟,刘俊,谢浩,熊远福,吴宇平,周清明. 中国科学:化学. 2014(08)
[6]全钒液流电池荷电状态的分析与监测[J]. 王文红,王新东. 浙江工业大学学报. 2006(02)
[7]全钒液流电池隔膜在钒溶液中的性能[J]. 谭宁,黄可龙,刘素琴. 电源技术. 2004(12)
[8]锂离子电池隔膜的研究与开发[J]. 胡继文,许凯,沈家瑞. 高分子材料科学与工程. 2003(01)
硕士论文
[1]燃料电池用全氟磺酸质子交换膜制备与性能研究[D]. 尚方剑.上海交通大学 2010
本文编号：2952478
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