铁铬液流电池用石墨毡电极的改性研究

发布时间：2020-12-14 17:25

　　铁铬液流电池是一种价格低廉的新型大规模储能设备,被广泛应用于太阳能、风能等绿色可再生能源领域。电极是铁铬液流电池的关键材料之一,其中,石墨毡因有较高的比表面积、较稳定的化学性质和更低廉的价格作为铁铬液流电池电极被广泛应用。然而,石墨毡电极由于亲液性和电化学活性较差,造成铁铬液流电池效率低、容量衰减严重等问题,限制了其进一步商业化应用。因此,对铁铬液流电池用石墨毡电极的改性势在必行。本文从铁铬液流电池用电极材料的石墨化程度与改性两个方面进行研究。与碳毡相比,确定了石墨毡是较适合铁铬液流电池的电极材料;并通过引入磷酸锆（ZrP）作为表面催化剂对石墨毡电极材料进行活化处理;最后通过硅酸分解引入SiO₂的方法,考察活性石墨毡电极材料对铁铬液流电池性能的影响。为了明晰碳毡、石墨毡在铁铬液流电池中的作用,本文对比了碳毡、石墨毡的物理化学性能,以及热空气和催化剂Bi活化后碳毡、石墨毡的电化学性能。活化后石墨毡和碳毡的理化参数受石墨化程度影响较大。石墨毡和碳毡在活化前后电催化活性受到比表面积、C=O基团和石墨化程度的耦合作用。研究结果表明石墨毡是一种比碳毡更有前途的铁铬液流电池用... 

【文章来源】：辽宁科技大学辽宁省

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

铁铬液流电池在蓄电储能中的作用Figure1.1Theroleofiron-chromiumredoxflowbatteryinenergystorage液流电池的关键材料包括电解液、隔膜、电极等

1.绪论4图1.2液流电池的应用实例Figure1.2Applicationexamplesofredoxflowbatteries曾毅凯等人对全钒液流电池和铁铬液流电池的组装成本进行了分析，结果显示全钒液流电池与铁铬液流电池成本占比具有明显的区别。与成本为189美元/千瓦时的全钒液流电池相比，铁铬液流电池中使用的活性物质成本低至17美元/千瓦时[6]。从图1.3中可以看出，全钒液流电池的成本占比最大部分分别为钒电解液、膜以及过程控制系统(ProcessControlSystem,PCS)，铁铬液流电池的成本占比最大部分为膜、PCS以及铁铬电解液。众所周知，全钒液流电池中电解液的成本价格是最高的，而在全钒液流电池成本中，电解液占比却是最大，可以想象得到，虽然全钒液流电池的性能比较优越，但是高昂的成本价也限制了它的发展。相比较铁铬液流电池来说，虽然铁铬液流电池的膜占比是全钒液流电池的两倍，但是首先膜的成本是比较低的，Fe3+的低氧化特性也可以使用低廉的碳氢化合物膜，也将进一步降低铁铬液流电池的成本。另外铁铬液流电池的电解液占比仅为9%，所以其经济实惠的优势明显展露出来，因此，铁铬液流电池的发展绝不止步于此，寻求价廉便捷的方法对铁铬液流电池用电极的含氧官能团、表面积和导电性进行协同控制，是扩大铁铬液流电池应用的关键。

辽宁科技大学硕士学位论文5图1.3全钒液流电池(a)与铁铬液流电池(b)的成本分配图Figure1.3Costdistributiondiagramofvanadiumbattery(a)andiron-chromiumredoxflowbattery(b)1.4石墨毡电极的改性研究现状石墨毡是最常用的碳材料电极。然而，石墨毡的亲液性和电化学活性尚不能完全满足液流电池的需要，因此必须对其进行适当的活化处理[29-31]。目前，石墨毡的活化方法一般分为增加表面含氧官能团和引入表面催化性物质两种方法。增加表面含氧官能团法就是利用氧化反应刻蚀石墨毡表面，增大比表面积的同时引入OH、C=O和COOH等活性含氧官能团，如热处理[32,33]、酸处理[34-36]和电化学氧化[37,38]等，如图1.4所示。大量的研究结果证实含氧官能团可以进一步提高石墨毡的活性，但与此同时比表面积和导电性的变化也不容忽视。研究表明，增大比表面积有利于电解液在石墨毡表面传质，为氧化还原反应提供更多的活性位点。Zhou等人采用KOH制备活性多孔碳纤维电极，并提出电极表面大于5nm的孔径才能为氧化还原反应提供有效面积，同时C=O官能团的协同作用，使得具有非最大比表面积的电极获得了较高的电池能量效率[39]。虽然石墨毡表面的含氧官能团可以为电极反应提供活性位置，但石墨毡的导电性和强度也会因此而下降，致使电池欧姆极化损失增大。BlasiDi等人研究了含氧官能团对几种碳质电极电化学性能的影响，发现约4%~5%的含氧量使得电极表现出良好的电化学性能和适当的导电性能[35]。


本文编号：2916728