石墨烯基多孔复合膜的制备及在钒电池中的应用研究

发布时间：2017-05-21 18:15

  本文关键词：石墨烯基多孔复合膜的制备及在钒电池中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着社会的快速发展,传统的化石能源面临枯竭的困境,由于能源的紧缺以及对环境污染问题的日益重视,科学家们将目光转向了太阳能、风能等这些可再生能源的开发利用上来。但是这些可再生能源受气候因素影响,因而都存在供能不持续、不稳定的问题。由于缺少能与之配套使用的储能装备,导致能量不能及时有效地储存起来供电力不足时使用。所以,储能技术的发展一直是国内外科研工作者密切关注的问题。全钒液流电池(VRB)成本低、易于维护,容量设计灵活、不受地理位置限制,可深度充放电,响应快速,能量效率高,且绿色环保安全,这些独有的优势使其获得了科学家的青睐,被认为是很有发展前途的储能技术。隔膜作为VRB的关键部件,其价格和性能直接制约着电池的大规模运行和电池的重要性能。目前,钒电池中最常用的是美国杜邦公司研发生产的Nafion膜系列,该膜的电池性能虽然不错,但是高的钒离子渗漏率、复杂繁琐的生产工艺和昂贵的价格严重制约了Nafion膜大规模的推广应用。石墨烯碳材料是近些年最为热门的材料之一,由于石墨烯是由一层碳原子紧密堆积而成,可以有效防止粒子的渗透,因此可将其应用于分隔液体的阻隔层。我们课题组正是看重了石墨烯的这一特殊性质,选择低成本商品化的传统聚醚砜膜(UH004)作为基膜,分别将不同层数的石墨烯转移到基膜功能层一面,制得基于UH004的1、2、3层的石墨烯复合膜,并对该系列的复合膜进行各项表征和电池性能的测试。本文通过对制得的系列石墨烯基复合膜的微观结构进行表征,确定了不同层数的石墨烯薄膜确实已附着在基膜表面。然后再对该复合膜的进行了相应的性能测试,如膜面电阻,离子迁移数以及V/H离子选择性。所得数据表明该类型膜材料可作为隔膜应用于钒电池中。最后将这一系列的复合膜组装成单体钒电池,测试其电池性能,如充放电性能、循环性能以及自放电时间。实验结果表明,将石墨烯与多孔纳滤膜复合并应用于全钒液流电池的想法确实可行,利用孔径筛分效应来分离钒离子和氢离子,可以大大降低钒离子的渗漏,提高隔膜的离子选择性,从而使电池性能得到改善。
【关键词】：石墨烯 质子选择性 复合膜 全钒液流电池
【学位授予单位】：温州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 引言10-12
• 1.2 全钒液流电池的简介12-17
• 1.2.1 全钒液流电池的主要构成及工作原理12-15
• 1.2.2 全钒液流电池的特点15-16
• 1.2.3 全钒液流电池的应用16-17
• 1.3 钒电池隔膜17-21
• 1.3.1 全钒液流电池隔膜的作用和特点17-18
• 1.3.2 全钒液流电池隔膜的选择18
• 1.3.3 全钒液流电池隔膜的研究18-21
• 1.4 石墨烯简介21-23
• 1.5 选题目的及研究内容23-24
• 第二章 石墨烯基多孔复合膜的制备与表征24-28
• 2.1 实验仪器及试剂24
• 2.2 石墨烯基多孔复合膜的制备24-25
• 2.3 石墨烯基多孔复合膜的形貌表征25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 石墨烯基多孔复合膜的性能测试28-40
• 3.1 实验仪器及试剂28
• 3.2 膜面电阻的测试28-29
• 3.3 HCl和KCl体系中H~+或者K~+迁移数测试29-30
• 3.4 V/H离子选择性系数测试30-33
• 3.4.1 实验测试方法简介30-31
• 3.4.2 钒离子（VO~(2+)）的测定31-33
• 3.5 结果与讨论33-39
• 3.5.1 复合膜的膜面电阻33-36
• 3.5.2 离子迁移数36-37
• 3.5.3 V/H离子选择性系数37-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 石墨烯基多孔复合膜的电池性能测试40-48
• 4.1 实验仪器以及试剂40
• 4.2 实验部分40-41
• 4.3 复合膜电池性能的测试41-42
• 4.4 结果与讨论42-45
• 4.4.1 不同电流密度下的充放电性能测试42-43
• 4.4.2 循环测试43-45
• 4.4.3 自放电测试45
• 4.5 本章小结45-48
• 第五章 结论48-50
• 参考文献50-56
• 致谢56-58
• 攻读硕士期间已发表的论文58

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