钒电池用高性能离子交换膜制备及研究

发布时间：2017-06-11 22:00

  本文关键词：钒电池用高性能离子交换膜制备及研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统的化石能源储量有限,随着不断的消耗必定会枯竭,因此世界各国大力研究新型能源。风能、潮汐能、太阳能等新型可再生资源,由于其无法全天候、全时段、稳定的输出能量,因此需要与储能技术联合配套使用。储能技术中,化学储能中的全钒氧化还原液流电池(VRB),因为其容量可人为调节、使用寿命长、可靠并且安全、部分材料可重复利用等这些优点,成为国内外学者研究的重点。钒电池的一个组成部分——离子交换膜,是制约其商业化的一个重要原因,因此研究开发经济、实惠、高性能的离子交换膜就十分必要。磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜,其电导率高、化学稳定性强,但是机械性能偏差,因此不适合长期应用于钒电池中。为了提高SPEEK的稳定性,本文第一部分利用机械性能良好的聚四氟乙烯(PTFE)膜作为衬底,在其表面浇铸SPEEK溶液制备复合膜。实验结果表明:复合膜的整体性能优于空白组SPEEK膜,电池测试中,在高电流密度下复合膜的库仑效率为96%,电压效率为95%,能量效率达到91%,高于商业Nafion212膜,复合膜的阻钒性能显著增强,自放电时间达到20000 min。商业Nafion膜应用于钒电池中,钒渗透严重,部分学者对Nafion膜进行重铸改性研究,但在研究过程中重铸溶剂的选择不尽相同,因此本文第二部分研究了重铸过程中不同溶剂和温度对Nafion膜性能的影响,与此同时,研究了不同热处理温度对重铸膜性能的影响。本文选择N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)三种高沸点溶剂,100°C、140°C、180°C三种不同的热处理温度。研究结果表明:DMF-180°C重铸膜的性能最为优异,且其钒渗透系数最低,为2.9×10-7 cm2/min。电池测试中,该膜在80 m A/cm2电流密度下库仑效率为90%,这与商业Nafion212膜接近。相同溶剂、不同热处理温度制备的重铸膜,随着热处理温度的升高,质子电导率略有下降,阻钒性能有所提高,综合考虑,以180°C为热处理温度制备的重铸膜性能最佳。本文的第三部分,研究不同粒径、不同含量的纳米SiO_2对重铸Nafion膜的改性,以期降低隔膜的钒渗透,增强电池性能。选择15 nm、30 nm、40 nm三种粒径,3 wt.%、5 wt.%、10 wt.%三种含量的纳米SiO_2进行添加。实验结果表明:添加了纳米SiO_2后重铸Nafion膜的阻钒性能增加,电导率略有下降,当SiO_2含量增加到10%后,略微会出现团聚现象,团聚会影响隔膜的整体性。电池测试中,30 nm粒径5 wt%含量的SiO_2改性重铸膜的性能最佳,高电流密度下,库仑效率达到92%,能量效率达到85%。论文的最后对高性能离子交换膜进行了市场分析,并对PTFE/SPEEK复合膜、重铸Nafion膜和SiO_2改性重铸Nafion膜进行了成本估算,结果表明PS复合膜的成本低于商业Nafion膜,重铸膜可以使Nafion膜重复利用,降低成本。
【关键词】：全钒氧化还原液流电池 重铸膜 SiO_2
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 钒电池及其关键材料研究11-20
• 1.2.1 钒电池结构及其原理11-12
• 1.2.2 钒电池用离子交换膜工作原理12-13
• 1.2.3 钒电池用离子交换膜分类13-19
• 1.2.4 钒电池用高性能离子交换膜的制备方法19-20
• 1.3 本论文的主要研究内容20-22
• 第2章 实验部分22-32
• 2.1 实验药品及仪器22-23
• 2.1.1 实验药品22
• 2.1.2 实验仪器22-23
• 2.2 电池各部件准备23-24
• 2.2.1 电极的选取及制备23-24
• 2.2.2 电解液的制备24
• 2.2.3 其他电池组成部分24
• 2.3 离子交换膜结构与性能测试24-32
• 2.3.1 离子交换膜物理性能表征24-29
• 2.3.2 离子交换膜电化学性能表征29-32
• 第3章 溶剂和温度对重铸膜性能影响研究32-57
• 3.1 引言32
• 3.2 溶剂对PS复合膜性能影响研究32-37
• 3.2.1 磺化聚醚醚酮(SPEEK)的制备32-33
• 3.2.2 不同溶剂PS复合膜和SPEEK膜物理性能测试33-34
• 3.2.3 不同溶剂PS膜和SPEEK膜的电化学性能表征34-37
• 3.3 溶剂和热处理温度对重铸Nafion膜性能影响研究37-56
• 3.3.1 不同溶剂和不同热处理温度重铸Nafion膜的制备37-38
• 3.3.2 重铸Nafion膜的物理性能测试38-51
• 3.3.3 不同溶剂不同热处理温度重铸膜电化学性能表征51-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 SiO2粒径和含量对重铸膜性能影响研究57-67
• 4.1 引言57
• 4.2 粒径和含量对Nafion/SiO_2改性膜的影响研究57-66
• 4.2.1 Nafion/SiO_2改性重铸膜的制备57-58
• 4.2.2 SiO_2改性重铸膜的物化性能测试58-63
• 4.2.3 SiO_2改性重铸膜电化学性能表征63-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第5章 市场分析及应用前景67-73
• 5.1 引言67
• 5.2 储能技术的市场分析67-69
• 5.3 电池性能及成本分析69
• 5.4 PS复合膜及重铸膜经济成本估算69-72
• 5.4.1 PS复合膜经济成本粗略估算69-70
• 5.4.2 重铸膜经济成本粗略估算70-71
• 5.4.3 SiO_2改性重铸膜经济成本粗略估算71-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果80-82
• 致谢82

  本文关键词：钒电池用高性能离子交换膜制备及研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：442522