面向全钒液流电池的低成本磺化聚醚醚酮复合离子膜研究

发布时间：2017-05-25 13:10

  本文关键词：面向全钒液流电池的低成本磺化聚醚醚酮复合离子膜研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：全钒液流电池具有容易规模化、循环寿命长、选址自由等优点成为目前最受关注、发展最快、最具前景的大规模储能技术之一。离子交换膜是全钒液流电池的核心材料,全氟磺酸型Nafion膜是目前全钒液流电池主要使用的离子交换膜,但其价格昂贵和钒离子渗透严重等问题制约了全钒液流电池的发展。开发低成本、高选择性离子膜是推进全钒液流电池大规模应用的重要前提,磺化聚醚醚酮(sulfonated poly(ether ether ketone),SPEEK)膜具有低成本、高选择性、易规模化制备等优点而有望替代Nafion膜在全钒液流电池中得到应用。本论文选择低成本SPEEK膜为研究对象,通过无机复合、多孔填充和表面涂覆的方法对其进行修饰改性,制备复合离子膜,通过多种测试表征评价复合膜的综合性能和改性的效果。利用具有二维结构的石墨烯和氧化石墨烯纳米片进行无机复合,制备SPEEK复合膜。在SPEEK基体中分散均匀的纳米片,可以充当钒离子渗透的壁垒,降低了复合膜的VO2+渗透率;同时它们和SPEEK基体之间的氢键等界面相互作用提高了复合膜的机械性能和稳定性,最后提高了复合膜的全钒液流电池性能。在80mAcm-2电流密度下,Nafion 117、S/G和S/GO 2各膜组装的全钒液流电池的库仑效率分别为:92.8%、96.4%和96.9%;Nafion 117、S/G和S/GO 2各膜组装的全钒液流电池循环300圈后的容量保持率分别为:16.2%、56.3%和50.1%。采用高强度和稳定性的聚四氟乙烯多孔膜为基体制备填充复合膜,大幅度提高了S/GO膜的循环稳定性。S/GO 2@PTFE膜组装的全钒液流电池在80 mA cm-2电流密度下充放电循环持续运行多达1200圈,库仑效率稳定(~99%),容量衰减很少。采用聚多巴胺对SPEEK膜进行表面包覆,制备PDA/SPEEK复合膜。结果表明:聚多巴胺薄层可抑制钒离子迁移,同时又是一层保护膜,防止膜受强酸性、高氧化性钒电解液的侵蚀,提高膜的离子选择性,增强膜的机械性能和稳定性。优选的PDA/SPEEK复合膜相对于Nafion 117膜表现出更高的全钒液流电池库仑效率(80mAcm-2下,92.8%vs 98.8%)和更好的循环稳定性(150圈循环后,容量保持率:34%vs 70%)。综上,石墨烯和氧化石墨烯无机复合、聚四氟乙烯多孔填充、聚多巴胺表面包覆制备的SPEEK复合膜都可以不同程度地提高SPEEK膜的各种性能和稳定性,适于低成本、高效率、长寿命的全钒液流电池的应用。
【关键词】：全钒液流电池 离子交换膜 磺化聚醚醚酮 石墨烯 聚多巴胺包覆
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 引言8-23
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 全钒液流电池结构和原理9-10
• 1.3 全钒液流电池特点10-11
• 1.4 全钒液流电池应用11
• 1.5 全钒液流电池国内外研发现状11-12
• 1.6 全钒液流电池的关键材料12-18
• 1.6.1 电解液13-14
• 1.6.2 电极14
• 1.6.3 离子交换膜14-18
• 1.7 研究意义及研究内容18-23
• 1.7.1 研究意义18-20
• 1.7.2 研究内容20-23
• 第2章 实验部分23-35
• 2.1 实验试剂与材料23-24
• 2.2 测试仪器24
• 2.3 磺化聚醚醚酮膜的制备24-25
• 2.4 性能表征25-30
• 2.4.1 微观形貌25
• 2.4.2 傅立叶变换红外光谱25
• 2.4.3 吸水率和溶胀率25-26
• 2.4.4 离子交换容量和质子导电率26
• 2.4.5 VO~(2+)渗透率和离子选择性26-27
• 2.4.6 机械性能和热稳定性27-28
• 2.4.7 化学稳定性28
• 2.4.8 全钒液流电池组装与性能测试28-30
• 2.5 磺化聚醚醚酮膜的优选30-35
• 第3章 磺化聚醚醚酮/石墨烯复合膜35-49
• 3.1 引言35-36
• 3.2 膜制备与膜形貌36-38
• 3.3 物化性能38-39
• 3.4 VO~(2+)渗透率和离子选择性39-40
• 3.5 机械性能和化学稳定性40
• 3.6 化学稳定性40-42
• 3.7 全钒液流电池性能42-48
• 3.8 本章小结48-49
• 第4章 磺化聚醚醚酮/氧化石墨烯复合膜及其多孔聚四氟乙烯填充膜49-69
• 4.1 引言49-50
• 4.2 膜制备与膜形貌50-52
• 4.3 傅立叶变换红外光谱52-53
• 4.4 物化性能53-54
• 4.5 VO~(2+)渗透率和离子选择性54-57
• 4.6 机械性能和热稳定性57-58
• 4.7 全钒液流电池性能58-68
• 4.8 本章小结68-69
• 第5章 聚多巴胺包覆磺化聚醚醚酮复合膜69-80
• 5.0 引言69-70
• 5.1 膜制备与膜形貌70-72
• 5.2 机械性能和热稳定性72-74
• 5.3 质子导电率、VO~(2+)渗透率和离子选择性74-76
• 5.4 全钒液流电池性能76-79
• 5.5 本章小结79-80
• 第6章 总结80-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-90
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果90-91

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 苏静;陆海彦;韩金磊;孙见蕊;刘雪峰;林海波;;锌溴液流电池通道的计算流体力学模拟[J];化工学报;2008年S1期

2 文越华;程杰;徐艳;曹高萍;杨裕生;;可规模储能的沉积型单液流电池研究进展[J];化学通报;2011年07期

3 江志韫;张利春;林兆勤;单义斌;;近年氧化还原液流电池发展概况[J];自然杂志;1988年10期

4 谢志鹏;蔡定建;杨亮;;锌铈液流电池研究进展[J];有色金属科学与工程;2014年01期

5 董全峰,张华民,金明钢,郑明森,詹亚丁,孙世刚,林祖赓;液流电池研究进展[J];电化学;2005年03期

6 刘素琴;史小虎;黄可龙;李晓刚;李亚娟;吴雄伟;;钒液流电池用碳纸电极改性的研究[J];无机化学学报;2008年07期

7 刘素琴;史小虎;黄可龙;李晓刚;;钒液流电池用碳纸电极改性的研究[J];无机材料学报;2009年04期

8 赵平;张华民;高虹;衣宝廉;周汉涛;;多硫化钠/溴液流电池研究进展[J];现代化工;2007年05期

9 ;世界最大氧化还原液流电池储能装置在日本横滨建成投运[J];电气技术;2012年08期

10 孟琳;;锌液流电池储能技术研究和应用进展[J];储能科学与技术;2013年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 黄可龙;刘素琴;李林德;陈立泉;;储能钒液流电池离我们还有多远?[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年

2 王;杨曦;郑明森;董全峰;詹亚丁;林祖赓;;液流电池研究进展[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

3 张慧敏;程杰;文越华;曹高萍;王志军;杨裕生;;铅铈液流电池初步研究[A];第29届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2011年

4 贾志军;范永生;王保国;;钒/空气液流电池的初步研究[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

5 左春梅;余芳;张萍;;新型铅酸液流电池的研究进展[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年

6 吕正中;邱新平;武增华;陈立泉;;钒氧化还原液流电池复合碳电极制备和性能[A];2005中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会论文集[C];2005年

7 张华民;;液流电池技术发展及应用[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年

8 赵鹏程;程杰;徐艳;文越华;何柯;曹高萍;;锌镍单液流电池工程化研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第24分会：化学电源[C];2014年

9 张学庆;;全钒液流电池储能系统的优化设计[A];第十三届中国科协年会第15分会场-大规模储能技术的发展与应用研讨会论文集[C];2011年

10 陈永，

本文编号：393828