锌溴液流电池电解液性能的探究

发布时间：2020-05-21 09:16

【摘要】：本文主要研究了电解液组成对锌溴液流电池综合性能的影响,为高性能锌溴液流电池的开发提供必要的实验基础。论文首先采用循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、恒电流充放电等技术对四种电极材料和四种隔膜的性能进行了对比研究。结果得出:经过500℃处理的碳毡电极表现出了最好的电化学活性;贝斯特离子膜具有最小的电阻,且以其为隔膜组装的电池在充放电测试过程中具有最高的库伦、能量效率。因此,本论文在后续研究中均以经500℃处理的碳毡为电极,隔膜则选择贝斯特阳离子交换膜。在上述研究的基础上,论文以1 M ZnBr_2溶液为基础电解液,着重考察了KCl、MEP(N-乙基-N-甲基溴化吡咯烷)、Pb(NO_3)_2和SnCl_2?2H_2O四种添加剂对电解液性能的影响。由线性扫描伏安法(LSV)、CV、EIS等电化学测试结果可知,组成为1 M ZnBr_2+1 M KCl+1 M MEP+5×10~-44 M Pb(NO_3)_2+5×10~-44 M SnCl_2?2H_2O的电解液具有最小的溶液电阻,该电解液中溴离子具有最小的氧化过电位且具有最大的还原峰电流。此外,还采用赫尔槽电沉积实验对不同组成电解液中锌的沉积性能进行了研究,并采用SEM对沉积层形貌进行了表征。结果表明,溶液组成为1 M ZnBr_2+1 M KCl+1 M MEP+5×10~-44 M Pb(NO_3)_2+5×10~-44 M SnCl_2?2H_2O时,阴极上锌沉积层最为均匀,所获得的镀层光滑致密,意味着该溶液对锌沉积反应具有较好的分散能力。尽管该电池在13 mA/cm~2电流密度下恒电流充放电时,其能量效率、库伦效率与采用其他几种溶液为电解液的电池无明显差异,但当提升充放电电流密度至20 mA/cm~2时,电池表现出了更好的循环性能,库伦效率可达到95%,且能量效率在20周内能稳定在70%左右,明显优于以其他几种溶液为电解液的电池。由此可知,组成为1 M ZnBr_2+1 M KCl+1 M MEP+5×10~-44 M Pb(NO_3)_2+5×10~-44 M SnCl_2?2H_2O的溶液是一种较为适宜的锌溴液流电池电解液。由于电解液中ZnBr_2的浓度对锌溴液流电池的比能量具有决定性影响,为此论文进一步考察了ZnBr_2浓度对电解液电化学性能及电池倍率性能和稳定性的影响。采用LSV、CV、EIS和恒电流充放电等电化学技术测试结果表明:ZnBr_2浓度为2.5 M的电解液具有最好的电化学性能。分别以13 mA/cm~2、20 mA/cm~2的电流密度对不同浓度ZnBr_2溶液为电解液的电池进行充放电测试,当充放电电流密度为20 mA/cm~2时,发现ZnBr_2浓度为2.5M时的电池具有最高的库伦效率和能量效率。因此,在本实验所采用的电池结构中,以组成为2.5 M ZnBr_2+1 M KCl+1 M MEP+5×10~-44 M Pb(NO_3)_2+5×10~-44 M SnCl_2?2H_2O的溶液为电解液时的电池可在较大电流密度下充放电,且具有良好的稳定性。
【图文】：

示意图,液流电池,示意图,正极

图 1.1 锌溴液流电池示意图Fig. 1.1 Schematic diagram of Zinc-bromide flow battery图可以看出，锌溴液流电池由电极材料、隔膜、电解液组成，蠕动泵、电解液储液罐组成。的电极反应如下：正极：2Br㧟= Br2+ 2e㧟φ0=1.087V (25oC)负极: Zn2++ 2e㧟= Zn φ0=0.763V (25oC)反应： ZnBr2→ Zn + Br2E0=1.85V (25oC)电极反应，正极生成的溴单质溶解在水中后，其在水溶液中的n的形式存在的，Br-n离子通常会由正极向负极扩散，与负极侧的自放电反应：

循环伏安图

图 2.1 循环伏安图Fig. 2.1 Cyclic voltammograms伏安法是指在电极上施加一个线性扫描电压，以恒定的变化速度扫设定的终止电位时，再反向回归至某一设定的起始电位，并记录下电势的曲线。我们测试选用三电极体系，测试的经典图形如图 2.1试得到的图形，最重要的参数是峰电流、峰电位，，通过峰电流峰电简单的计算，可以判断电极反应是否可逆以及电极的相关活性等等循环伏安法测得循环伏安曲线，旨在研究在不同电解液中电极反应及判断电极反应是受扩散控制还是传质控制，并根据此判断在不同下，研究相应的扩散或者传质系数的大小。流阻抗法阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912

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