本文關(guān)鍵詞：釩電池用高性能離子交換膜制備及研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：傳統(tǒng)的化石能源儲量有限,隨著不斷的消耗必定會枯竭,因此世界各國大力研究新型能源。風(fēng)能、潮汐能、太陽能等新型可再生資源,由于其無法全天候、全時(shí)段、穩(wěn)定的輸出能量,因此需要與儲能技術(shù)聯(lián)合配套使用。儲能技術(shù)中,化學(xué)儲能中的全釩氧化還原液流電池(VRB),因?yàn)槠淙萘靠扇藶檎{(diào)節(jié)、使用壽命長、可靠并且安全、部分材料可重復(fù)利用等這些優(yōu)點(diǎn),成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。釩電池的一個(gè)組成部分——離子交換膜,是制約其商業(yè)化的一個(gè)重要原因,因此研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠、高性能的離子交換膜就十分必要。磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜,其電導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),但是機(jī)械性能偏差,因此不適合長期應(yīng)用于釩電池中。為了提高SPEEK的穩(wěn)定性,本文第一部分利用機(jī)械性能良好的聚四氟乙烯(PTFE)膜作為襯底,在其表面澆鑄SPEEK溶液制備復(fù)合膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:復(fù)合膜的整體性能優(yōu)于空白組SPEEK膜,電池測試中,在高電流密度下復(fù)合膜的庫侖效率為96%,電壓效率為95%,能量效率達(dá)到91%,高于商業(yè)Nafion212膜,復(fù)合膜的阻釩性能顯著增強(qiáng),自放電時(shí)間達(dá)到20000 min。商業(yè)Nafion膜應(yīng)用于釩電池中,釩滲透嚴(yán)重,部分學(xué)者對Nafion膜進(jìn)行重鑄改性研究,但在研究過程中重鑄溶劑的選擇不盡相同,因此本文第二部分研究了重鑄過程中不同溶劑和溫度對Nafion膜性能的影響,與此同時(shí),研究了不同熱處理溫度對重鑄膜性能的影響。本文選擇N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞砜(DMSO)三種高沸點(diǎn)溶劑,100°C、140°C、180°C三種不同的熱處理溫度。研究結(jié)果表明:DMF-180°C重鑄膜的性能最為優(yōu)異,且其釩滲透系數(shù)最低,為2.9×10-7 cm2/min。電池測試中,該膜在80 m A/cm2電流密度下庫侖效率為90%,這與商業(yè)Nafion212膜接近。相同溶劑、不同熱處理溫度制備的重鑄膜,隨著熱處理溫度的升高,質(zhì)子電導(dǎo)率略有下降,阻釩性能有所提高,綜合考慮,以180°C為熱處理溫度制備的重鑄膜性能最佳。本文的第三部分,研究不同粒徑、不同含量的納米SiO_2對重鑄Nafion膜的改性,以期降低隔膜的釩滲透,增強(qiáng)電池性能。選擇15 nm、30 nm、40 nm三種粒徑,3 wt.%、5 wt.%、10 wt.%三種含量的納米SiO_2進(jìn)行添加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:添加了納米SiO_2后重鑄Nafion膜的阻釩性能增加,電導(dǎo)率略有下降,當(dāng)SiO_2含量增加到10%后,略微會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,團(tuán)聚會影響隔膜的整體性。電池測試中,30 nm粒徑5 wt%含量的SiO_2改性重鑄膜的性能最佳,高電流密度下,庫侖效率達(dá)到92%,能量效率達(dá)到85%。論文的最后對高性能離子交換膜進(jìn)行了市場分析,并對PTFE/SPEEK復(fù)合膜、重鑄Nafion膜和SiO_2改性重鑄Nafion膜進(jìn)行了成本估算,結(jié)果表明PS復(fù)合膜的成本低于商業(yè)Nafion膜,重鑄膜可以使Nafion膜重復(fù)利用,降低成本。
【關(guān)鍵詞】：全釩氧化還原液流電池 重鑄膜 SiO_2
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 釩電池及其關(guān)鍵材料研究11-20
• 1.2.1 釩電池結(jié)構(gòu)及其原理11-12
• 1.2.2 釩電池用離子交換膜工作原理12-13
• 1.2.3 釩電池用離子交換膜分類13-19
• 1.2.4 釩電池用高性能離子交換膜的制備方法19-20
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容20-22
• 第2章 實(shí)驗(yàn)部分22-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器22-23
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品22
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器22-23
• 2.2 電池各部件準(zhǔn)備23-24
• 2.2.1 電極的選取及制備23-24
• 2.2.2 電解液的制備24
• 2.2.3 其他電池組成部分24
• 2.3 離子交換膜結(jié)構(gòu)與性能測試24-32
• 2.3.1 離子交換膜物理性能表征24-29
• 2.3.2 離子交換膜電化學(xué)性能表征29-32
• 第3章 溶劑和溫度對重鑄膜性能影響研究32-57
• 3.1 引言32
• 3.2 溶劑對PS復(fù)合膜性能影響研究32-37
• 3.2.1 磺化聚醚醚酮(SPEEK)的制備32-33
• 3.2.2 不同溶劑PS復(fù)合膜和SPEEK膜物理性能測試33-34
• 3.2.3 不同溶劑PS膜和SPEEK膜的電化學(xué)性能表征34-37
• 3.3 溶劑和熱處理溫度對重鑄Nafion膜性能影響研究37-56
• 3.3.1 不同溶劑和不同熱處理溫度重鑄Nafion膜的制備37-38
• 3.3.2 重鑄Nafion膜的物理性能測試38-51
• 3.3.3 不同溶劑不同熱處理溫度重鑄膜電化學(xué)性能表征51-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第4章 SiO2粒徑和含量對重鑄膜性能影響研究57-67
• 4.1 引言57
• 4.2 粒徑和含量對Nafion/SiO_2改性膜的影響研究57-66
• 4.2.1 Nafion/SiO_2改性重鑄膜的制備57-58
• 4.2.2 SiO_2改性重鑄膜的物化性能測試58-63
• 4.2.3 SiO_2改性重鑄膜電化學(xué)性能表征63-66
• 4.3 本章小結(jié)66-67
• 第5章 市場分析及應(yīng)用前景67-73
• 5.1 引言67
• 5.2 儲能技術(shù)的市場分析67-69
• 5.3 電池性能及成本分析69
• 5.4 PS復(fù)合膜及重鑄膜經(jīng)濟(jì)成本估算69-72
• 5.4.1 PS復(fù)合膜經(jīng)濟(jì)成本粗略估算69-70
• 5.4.2 重鑄膜經(jīng)濟(jì)成本粗略估算70-71
• 5.4.3 SiO_2改性重鑄膜經(jīng)濟(jì)成本粗略估算71-72
• 5.5 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-74
• 參考文獻(xiàn)74-80
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果80-82
• 致謝82

  本文關(guān)鍵詞：釩電池用高性能離子交換膜制備及研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：442522