本文關(guān)鍵詞：全釩液流電池電極材料的研究

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【摘要】：化石能源日益緊缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,使得開(kāi)發(fā)利用可再生新能源迫在眉睫。可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等,具有環(huán)境友好、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn),然而其間歇性、波動(dòng)性等缺點(diǎn),決定了其規(guī)�；l(fā)展必須要有先進(jìn)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)作支撐。全釩液流電池具有成本低、高效率以及能深度放電等優(yōu)點(diǎn),在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。本文介紹了全釩液流電池(VRB)的結(jié)構(gòu)及工作原理,綜述了VRB關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展,研究了其正負(fù)極電極材料的性能,以及由多級(jí)液流通道組裝的5 kW級(jí)VRB電堆的電化學(xué)性能,主要包括以下幾點(diǎn)：1、以柚子皮為生物質(zhì)原料制備了多孔碳(PC)作為VRB的催化劑。制備的PC材料具有很高的比表面積(882.7 m2/g),豐富的表面含氧官能團(tuán)以及P摻雜缺陷。玻碳(GC)電極經(jīng)過(guò)PC修飾后,提高了VO2+/VO2+在GC電極表面的電化學(xué)反應(yīng)活性。與GC電極和石墨修飾的玻碳電極(G-GC)相比,PC-GC電極具有低的峰電位差(66mV),高的氧化峰電流密度(17.1 mA/cm2)和還原峰電流密度(15.0 mA/cm2)。由PC修飾的石墨氈電極(PC-GF)作為正極材料組成的VRB (PC-GF-B)具有優(yōu)越的電化學(xué)性能,在電流密度為60 mA/cm2時(shí),其平均電壓效率和能量效率分別為82.7%和80.1%,與原始VRB (GF-B)相比,分別增加了大約3.8%和3.4%。2、通過(guò)脈沖電沉積的方法在石墨氈電極上沉積了微米銻(Sb)顆粒作為全釩液流電池負(fù)極V3+／V2+氧化還原反應(yīng)的催化劑。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、能譜儀(EDS)、X-射線粉末衍射(XRD)表征了所制備的Sb顆粒修飾石墨氈電極(Sb-GF)的物理性能。通過(guò)循環(huán)伏安(CV)、電化學(xué)阻抗(EIS)、充放電測(cè)試研究了其電化學(xué)性能。Sb顆粒對(duì)負(fù)極反應(yīng)具有很好的電化學(xué)催化活性。在電流密度為60 mA/cm2時(shí),由Sb-GF作為負(fù)極組成的VRB (Sb-GF-B)的電壓效率和能量效率分別為87.6%和84.6%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始VRB (GF-B)的效率。即使電流密度增加到100 mA/cm2時(shí),Sb-GF-B的電壓效率仍保持在79%,與GF-B相比,展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。3、設(shè)計(jì)了一款具有多級(jí)液流通道的液流框,并通過(guò)商業(yè)的流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件Star-CCM+分析了電解液在液流框和電極表面的分布情況。結(jié)果表明此液流框具有很好的流體分配性能。在此液流框的基礎(chǔ)上,組裝了5 kW級(jí)的全釩液流電池電堆。該電堆具有優(yōu)越的性能,當(dāng)電流密度為60mA/cm2時(shí)的平均輸出功率為5.5 kW,庫(kù)倫效率和能量效率分別達(dá)到93.9%和80.8%。該電堆同時(shí)具有良好的循環(huán)性能和均一的電壓分布,在電流密度為80 mA/cm2,充電狀態(tài)(SOC)為20%,80%和放電狀態(tài)(SOD)為80%時(shí)的電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為16.48,16.46和23.62 mV。5 kW級(jí)電堆性能的研究對(duì)促進(jìn)VRB的商業(yè)化應(yīng)用具有很重要的意義。
【關(guān)鍵詞】：釩電池 多孔碳 銻顆粒 液流框 電堆
【學(xué)位授予單位】：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM912;O646
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 全釩液流電池簡(jiǎn)介12-14
• 1.3 VRB關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展14-21
• 1.3.1 電解液15
• 1.3.2 隔膜15-17
• 1.3.3 電極材料17-21
• 1.3.4 液流框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21
• 1.4 本課題研究的內(nèi)容及意義21-23
• 1.4.1 本論文的研究思路22-23
• 第二章 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法23-26
• 2.1 物理性能測(cè)試方法23-24
• 2.1.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)23
• 2.1.2 透射電子顯微鏡(TEM)23
• 2.1.3 X-射線衍射分析(XRD)23-24
• 2.1.4 比表面測(cè)試與孔徑分布(BET)24
• 2.1.5 拉曼光譜測(cè)試(Raman)24
• 2.1.6 X-射線光電子能譜分析(XPS)24
• 2.2 材料的電化學(xué)性能測(cè)試24-26
• 2.2.1 循環(huán)伏安法(CV)24-25
• 2.2.2 電化學(xué)阻抗譜(EIS)25
• 2.2.3 恒電流充放電測(cè)試25-26
• 第三章 多孔碳材料對(duì)釩電池正極反應(yīng)的催化性能研究26-40
• 3.1 引言26
• 3.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑26-27
• 3.3 材料的制備27-28
• 3.3.1 多孔碳(PC)材料的制備27
• 3.3.2 電化學(xué)測(cè)試電極的制備27-28
• 3.3.3 PC修飾石墨氈電極的制備及電池的組裝28
• 3.4 PC材料的性能表征28
• 3.4.1 PC材料的物理性能28
• 3.4.2 PC材料的電化學(xué)性能28
• 3.5 結(jié)果與討論28-38
• 3.5.1 PC材料的微觀結(jié)構(gòu)分析28-33
• 3.5.2 PC材料的電化學(xué)性能研究33-38
• 3.6 本章小結(jié)38-40
• 第四章 銻修飾石墨氈電極作為釩電池負(fù)極材料的研究40-48
• 4.1 引言40
• 4.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑40-41
• 4.3 材料的制備41-42
• 4.3.1 Sb修飾GF電極的制備41
• 4.3.2 三價(jià)電解液的制備41-42
• 4.4 Sb-GF電極的性能表征42
• 4.4.1 Sb-GF的物理性能42
• 4.4.2 Sb-GF的電化學(xué)性能42
• 4.5 結(jié)果與討論42-46
• 4.5.1 Sb-GF的物理性能42-44
• 4.5.2 Sb-GF的電化學(xué)性能44-46
• 4.6 本章小結(jié)46-48
• 第五章 電極表面液流分布模擬及kW級(jí)VRB電堆的性能研究48-56
• 5.1 引言48
• 5.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑48-49
• 5.3 液流框的設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算49-50
• 5.4 結(jié)果與討論50-55
• 5.5 本章小結(jié)55-56
• 第六章 結(jié)論與展望56-58
• 參考文獻(xiàn)58-65
• 致謝65-66
• 作者簡(jiǎn)介66
• 攻讀碩士學(xué)位期間科研成果66-67

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1006477