全钒液流电池电极材料的研究

发布时间：2017-10-10 12:42

  本文关键词：全钒液流电池电极材料的研究

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【摘要】：化石能源日益紧缺、环境污染日趋严重,使得开发利用可再生新能源迫在眉睫。可再生能源如风能、太阳能等,具有环境友好、取之不尽、用之不竭等优点,然而其间歇性、波动性等缺点,决定了其规模化发展必须要有先进的大规模储能技术作支撑。全钒液流电池具有成本低、高效率以及能深度放电等优点,在大规模储能领域具有很大的应用前景。本文介绍了全钒液流电池(VRB)的结构及工作原理,综述了VRB关键材料的研究进展,研究了其正负极电极材料的性能,以及由多级液流通道组装的5 kW级VRB电堆的电化学性能,主要包括以下几点：1、以柚子皮为生物质原料制备了多孔碳(PC)作为VRB的催化剂。制备的PC材料具有很高的比表面积(882.7 m2/g),丰富的表面含氧官能团以及P掺杂缺陷。玻碳(GC)电极经过PC修饰后,提高了VO2+/VO2+在GC电极表面的电化学反应活性。与GC电极和石墨修饰的玻碳电极(G-GC)相比,PC-GC电极具有低的峰电位差(66mV),高的氧化峰电流密度(17.1 mA/cm2)和还原峰电流密度(15.0 mA/cm2)。由PC修饰的石墨毡电极(PC-GF)作为正极材料组成的VRB (PC-GF-B)具有优越的电化学性能,在电流密度为60 mA/cm2时,其平均电压效率和能量效率分别为82.7%和80.1%,与原始VRB (GF-B)相比,分别增加了大约3.8%和3.4%。2、通过脉冲电沉积的方法在石墨毡电极上沉积了微米锑(Sb)颗粒作为全钒液流电池负极V3+／V2+氧化还原反应的催化剂。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、能谱仪(EDS)、X-射线粉末衍射(XRD)表征了所制备的Sb颗粒修饰石墨毡电极(Sb-GF)的物理性能。通过循环伏安(CV)、电化学阻抗(EIS)、充放电测试研究了其电化学性能。Sb颗粒对负极反应具有很好的电化学催化活性。在电流密度为60 mA/cm2时,由Sb-GF作为负极组成的VRB (Sb-GF-B)的电压效率和能量效率分别为87.6%和84.6%,远远大于原始VRB (GF-B)的效率。即使电流密度增加到100 mA/cm2时,Sb-GF-B的电压效率仍保持在79%,与GF-B相比,展现出优异的倍率性能。3、设计了一款具有多级液流通道的液流框,并通过商业的流体动力学模拟软件Star-CCM+分析了电解液在液流框和电极表面的分布情况。结果表明此液流框具有很好的流体分配性能。在此液流框的基础上,组装了5 kW级的全钒液流电池电堆。该电堆具有优越的性能,当电流密度为60mA/cm2时的平均输出功率为5.5 kW,库伦效率和能量效率分别达到93.9%和80.8%。该电堆同时具有良好的循环性能和均一的电压分布,在电流密度为80 mA/cm2,充电状态(SOC)为20%,80%和放电状态(SOD)为80%时的电压标准偏差分别为16.48,16.46和23.62 mV。5 kW级电堆性能的研究对促进VRB的商业化应用具有很重要的意义。
【关键词】：钒电池 多孔碳 锑颗粒 液流框 电堆
【学位授予单位】：湖南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912;O646
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 全钒液流电池简介12-14
• 1.3 VRB关键材料的研究进展14-21
• 1.3.1 电解液15
• 1.3.2 隔膜15-17
• 1.3.3 电极材料17-21
• 1.3.4 液流框的结构设计21
• 1.4 本课题研究的内容及意义21-23
• 1.4.1 本论文的研究思路22-23
• 第二章 实验测试方法23-26
• 2.1 物理性能测试方法23-24
• 2.1.1 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)23
• 2.1.2 透射电子显微镜(TEM)23
• 2.1.3 X-射线衍射分析(XRD)23-24
• 2.1.4 比表面测试与孔径分布(BET)24
• 2.1.5 拉曼光谱测试(Raman)24
• 2.1.6 X-射线光电子能谱分析(XPS)24
• 2.2 材料的电化学性能测试24-26
• 2.2.1 循环伏安法(CV)24-25
• 2.2.2 电化学阻抗谱(EIS)25
• 2.2.3 恒电流充放电测试25-26
• 第三章 多孔碳材料对钒电池正极反应的催化性能研究26-40
• 3.1 引言26
• 3.2 实验仪器与试剂26-27
• 3.3 材料的制备27-28
• 3.3.1 多孔碳(PC)材料的制备27
• 3.3.2 电化学测试电极的制备27-28
• 3.3.3 PC修饰石墨毡电极的制备及电池的组装28
• 3.4 PC材料的性能表征28
• 3.4.1 PC材料的物理性能28
• 3.4.2 PC材料的电化学性能28
• 3.5 结果与讨论28-38
• 3.5.1 PC材料的微观结构分析28-33
• 3.5.2 PC材料的电化学性能研究33-38
• 3.6 本章小结38-40
• 第四章 锑修饰石墨毡电极作为钒电池负极材料的研究40-48
• 4.1 引言40
• 4.2 实验仪器与试剂40-41
• 4.3 材料的制备41-42
• 4.3.1 Sb修饰GF电极的制备41
• 4.3.2 三价电解液的制备41-42
• 4.4 Sb-GF电极的性能表征42
• 4.4.1 Sb-GF的物理性能42
• 4.4.2 Sb-GF的电化学性能42
• 4.5 结果与讨论42-46
• 4.5.1 Sb-GF的物理性能42-44
• 4.5.2 Sb-GF的电化学性能44-46
• 4.6 本章小结46-48
• 第五章 电极表面液流分布模拟及kW级VRB电堆的性能研究48-56
• 5.1 引言48
• 5.2 实验仪器与试剂48-49
• 5.3 液流框的设计及模拟计算49-50
• 5.4 结果与讨论50-55
• 5.5 本章小结55-56
• 第六章 结论与展望56-58
• 参考文献58-65
• 致谢65-66
• 作者简介66
• 攻读硕士学位期间科研成果66-67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1006477