基于磺化聚醚醚酮的钒电池用离子交换膜研究

发布时间：2017-08-20 01:02

  本文关键词：基于磺化聚醚醚酮的钒电池用离子交换膜研究

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【摘要】：传统化石能源的大量使用导致资源匮乏和环境污染问题日益严重,所以世界各国都在致力于发展高效清洁的可再生能源如太阳能和风能等,这就需要相应的储能技术与其匹配。液流电池作为一种新兴的储能技术,不仅可作为发电系统的配套储能设备,还可用作电网调峰。全钒氧化还原液流电池(简称钒电池)是目前最具应用前景的液流电池之一。离子交换膜是钒电池的重要组成部分,但当前广泛应用的Nafion膜(Du Pont)昂贵的价格和较差的阻钒性能严重阻碍了钒电池的大规模发展,所以必须开发新型的离子交换膜。磺化聚醚醚酮(SPEEK)离子交换膜虽然具有较高的电导率、耐高温、化学稳定性等特点,但是作为钒电池的离子交换膜使用时,其在高电导率时机械性能较差。为此,本文以价格低廉、机械性能良好的PTFE(Polytetrafluoroethylene)多孔膜为基膜制备增强型的PTFE/SPEEK(PS)复合膜,并考察不同溶剂、PTFE厚度和SPEEK含量对PS复合膜的影响。结果表明:采用不同溶剂制备的PS复合膜的能量效率(EE)均高于Nafion212膜,40 m A/cm2电流密度下,采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂制备的PS复合膜的EE分别比Nafion212膜提高了10.3%、12.4%和13.6%,且DMF溶剂制备复合膜的EE最高,阻钒性能最好且长循环测试中最稳定。改变SPEEK的含量制备不同厚度PS复合膜,随着厚度的增加,阻钒性能增强的同时电阻也随之增大,40μm厚度的PS复合膜的电池测试性能最佳。而采用不同厚度PTFE时,结果表明以20μm的PTFE制备的复合膜电池性能最佳。此外,虽然Nafion膜的钒离子渗透严重、价格昂贵,但其在钒电池中具有良好的化学和电化学稳定性。为此,实验中通过溶液浸渍法制备了Nafion/SPEEK/Nafion(NSN)复合膜,以增强SPEEK膜的稳定性同时减少N afion的用量。将磺化度为48%的SPEEK膜浸入到Nafion溶液中浸泡形成NSN复合膜后,通过化学稳定性测试发现稳定性有所提高,电池测试表明:NSN复合膜的EE高于SPEEK膜,自放电性能也进一步证明NSN的阻钒性能较好。论文最后对钒电池及离子交换膜进行市场分析,并对实验中制备的PS和NSN复合膜进行成本估算,计算表明它们比商业N afion膜有明显的价格优势。
【关键词】：全钒液流电池 SPEEK PTFE Nafion
【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】：2015
【分类号】：TQ425.236;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.2 钒电池及其发展历史12-16
• 1.2.1 氧化还原液流电池的提出12
• 1.2.2 钒电池的原理12-13
• 1.2.3 钒电池的特点13-14
• 1.2.4 钒电池的主要组件14-16
• 1.2.5 钒电池在国内外的发展现状16
• 1.3 离子交换膜的研究进展16-19
• 1.3.1 商用离子交换膜的改性16-17
• 1.3.2 新型阳离子交换膜材料的开发17-19
• 1.3.3 新型阴离子交换膜材料的研发19
• 1.4 论文的主要研究内容19-21
• 第2章 实验部分21-31
• 2.1 实验所需药品及仪器21-22
• 2.1.1 实验所需药品21
• 2.1.2 实验仪器21-22
• 2.2 钒电池中电极的选用22
• 2.3 电解液的循环利用22-25
• 2.4 复合膜的物理性能及结构表征25-28
• 2.4.1 含水率(WU )和溶胀率(SU)25-26
• 2.4.2 离子交换容量（IEC）和磺化度（DS）测试26
• 2.4.3 VO2+渗透率测试26-27
• 2.4.4 化学稳定性能表征27-28
• 2.4.5 X射线衍射(XRD)28
• 2.4.6 扫描电子显微镜(SEM)28
• 2.4.7 氢核磁共振法(1H-NMR)28
• 2.4.8 衰减全反射红外光谱(FT-IR)28
• 2.5 复合膜的电化学性能28-31
• 2.5.1 电导率28-29
• 2.5.2 电池充放电测试29-30
• 2.5.3 稳定性能及寿命测试30
• 2.5.4 自放电测试30-31
• 第3章 PTFE/SPEEK复合膜的制备与性能研究31-54
• 3.1 引言31
• 3.2 PTFE/SPEEK复合膜的制备31-33
• 3.2.1 SPEEK的制备31-32
• 3.2.2 PTFE薄膜的亲水处理32
• 3.2.3 SPEEK溶液的制备32
• 3.2.4 不同溶剂PS复合膜的制备32
• 3.2.5 不同厚度PS复合膜的制备32-33
• 3.3 溶剂对PS复合膜基本性能影响33-36
• 3.3.1 含水率和溶胀率33-34
• 3.3.2 IEC和DS34
• 3.3.3 VO2+渗透率34-35
• 3.3.4 化学稳定性能表征35-36
• 3.4 不同溶剂制备的PS复合膜形貌和结构表征36-41
• 3.4.1 扫描电子显微镜（SEM）测试36-37
• 3.4.2 XRD测试37-38
• 3.4.3 FT- IR测试38-39
• 3.4.4 ~1H-NMR测试39-41
• 3.5 不同溶剂制备的PS复合膜电化学性能表征41-45
• 3.5.1 电导率41-42
• 3.5.2 单电池充放电测试42-44
• 3.5.3 循环性能44-45
• 3.5.4 自放电性能45
• 3.6 不同含量SPEEK制备PS复合膜的性能表征45-49
• 3.6.1 物理性能表征及结构测试45-48
• 3.6.2 电化学性能测试48-49
• 3.7 不同PTFE厚度制备PS复合膜的性能表征49-53
• 3.7.1 吸水率和溶胀率50
• 3.7.2 IEC测试50-51
• 3.7.3 电导率测试51
• 3.7.4 VO2+渗透率测试51-52
• 3.7.5 单电池性能测试52-53
• 3.8 本章小结53-54
• 第4章 NSN复合膜的制备与性能研究54-63
• 4.1 引言54
• 4.2 SPEEK膜磺化度的选择54
• 4.3 NSN复合膜的制备54-55
• 4.3.1 SPEEK膜的制备及预处理54
• 4.3.2 5% N afion溶液的制备54-55
• 4.3.3 NSN复合膜的制备55
• 4.4 NSN复合膜的基本性能表征55-58
• 4.4.1 含水率和溶胀率测试55-56
• 4.4.2 IEC测试56
• 4.4.3 VO2+渗透率测试56-57
• 4.4.4 化学稳定性测试57-58
• 4.5 膜的微观形貌及结构表征58-60
• 4.5.1 扫描电子显微镜(SEM)测试58
• 4.5.2 FT-IR58-59
• 4.5.3 XRD59-60
• 4.6 电化学性能测试60-62
• 4.6.1 电导率测试60
• 4.6.2 单电池性能60-61
• 4.6.3 自放电性能61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第5章 市场分析及应用前景63-69
• 5.1 引言63
• 5.2 钒电池市场应用分析63-66
• 5.2.1 全球钒电池的市场发展走向63-65
• 5.2.2 我国钒电池的市场发展走向65-66
• 5.3 钒电池成本分析66-67
• 5.4 离子交换膜成本分析67-68
• 5.4.1 PS复合膜成本粗略估算67
• 5.4.2 SPEEK与NSN复合膜成本粗略估算67-68
• 5.5 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-76
• 攻读学位期间发表的学术论文76-78
• 致谢78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 刘素琴,黄可龙,刘又年,李林德,陈立泉;储能钒液流电池研发热点及前景[J];电池;2005年05期

2 罗冬梅,许茜,隋智通;添加剂对钒电池电解液性质的影响[J];电源技术;2004年02期

3 鲁惠;姜春萍;杨鑫;顾佳林;胥诚成;陈金伟;刘效疆;王瑞林;;磺化条件对SPEEK膜性能的影响[J];化学研究与应用;2011年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 高启君;DMFC用改性磺化聚醚醚酮质子交换膜的研究[D];天津大学;2009年

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本文编号：703816