碳基复合纤维作为全钒液流电池负极电极的研究

发布时间：2020-05-05 07:35

【摘要】：全钒液流电池(VRFB)由于其突出的优点受到研究者的关注,例如效率高、寿命长和环境友好等。电极作为VRFB的重要组成部分,为反应提供场所。近年来,随着纳米材料的兴起,碳纳米纤维以其比表面积大和导电性好的特点被用作VRFB的电极材料,静电纺丝是制造碳纳米纤维简单有效的方法。V~(2+)/V~(3+)氧化还原反应在VRFB中表现出较大的电压损失。因此,提高V~(2+)/V~(3+)氧化还原反应的电化学动力学是提高VRFB综合性能的有效途径。利用静电纺丝技术制备三种碳基复合纤维,作为VRFB的负极电极进行研究。1)以聚丙烯腈为前驱体,利用静电纺丝技术制备了碳纳米纤维(CNF),以尿素为氮源,通过液相分散和碳化过程,在温度800-1000℃下制备了氮掺杂CNF(NCNF),通过材料表征得到氮掺杂没有改变CNF形貌,但使CNF表面缺陷和亲水性增加。研究样品作为VRFB的负极电极的电化学性能,电化学测试结果表明,在900℃处理的NCNF(CNF-N9)性能最佳。使用CNF-N9组装的电池展现出优异的储能性能。2)以钛酸四丁酯和聚丙烯腈为前驱体,利用静电纺丝技术制备了TiO_2/CNF复合纳米纤维,并作为VRFB的负极电极进行研究。研究TiO_2含量对CNF的影响,当TiO_2含量为20%时(CNF-TiO_2-1.0),金红石TiO_2均匀地分布在CNF中,电化学测试得到CNF-TiO_2-1.0的电化学性能最佳,这是CNF导电性与TiO_2高催化性协同作用的结果。使用CNF-TiO_2-1.0组装的电池具有更高的放电容量。3)以二氯氧化锆和聚丙烯腈为前驱体,通过静电纺丝制备了ZrO_2/CNF复合纳米纤维。系统地研究了ZrO_2含量对CNF作为VRFB负极电极的性能影响,材料表征发现对CNF形貌没有影响,生成的立方型ZrO_2均匀分布在CNF内部,电化学测试得到ZrO_2前驱体添加量为0.18 g(CNF-ZrO_2-18)的样品电化学性能最佳,这归因于添加的ZrO_2对V~(2+)/V~(3+)反应具有催化作用,提高了离子扩散和电子转移的速率。使用CNF-ZrO_2-18的电池能量效率比空白电池提高了8.2%。图39幅;表9个;参80篇。
【图文】：

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图 1 全钒液流电池的示意图Fig.1 The schematic representation of VRFB液流电池是通过正负极的不同价态钒离子相互转化来实现电能的正负极电解液储存在两个储液罐中，在机械动力作用下使溶液钒液流电池充放电过程时，正极和负极发生的氧化还原反应方程式：：charge2+ + +2 2dischargeVO +H O VO +2H + e 0E = 1.0 V ：charge3+ 2+dischargeV + e V -0.26 V应：charge2+ 3+ + + 2+2 2dischargeVO +H O+V VO +2H +V 1.26 V应方程式可以看出，当给予电池电流进行充电时，负极电极上

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第 1 章文献综述年，大连化物所成功研制出当时国内最大规模的 100 能系统，并供国家电网用于测试电池并网后的平稳性考公司合作建成了 5 kW 和 10 kW 电堆生产线，和质子膜在西藏安装了一套太阳能光伏系统与 5 kW/50 kWh 液该系统已经平稳运行 1 年多。2010 年，融科公司与大60 kW 钒电池储能系统示范工程[20]。2012 年，融科公球最大规模的储能系统，并且商业示范系统成功运行 250 kW 新一代集装箱式储能系统，，正式应用于项目中备。
【学位授予单位】：华北理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TQ342.94;TQ127.11

【参考文献】