本文關(guān)鍵詞：基于磺化聚醚醚酮的釩電池用離子交換膜研究

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【摘要】：傳統(tǒng)化石能源的大量使用導(dǎo)致資源匱乏和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,所以世界各國都在致力于發(fā)展高效清潔的可再生能源如太陽能和風(fēng)能等,這就需要相應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)與其匹配。液流電池作為一種新興的儲(chǔ)能技術(shù),不僅可作為發(fā)電系統(tǒng)的配套儲(chǔ)能設(shè)備,還可用作電網(wǎng)調(diào)峰。全釩氧化還原液流電池(簡(jiǎn)稱釩電池)是目前最具應(yīng)用前景的液流電池之一。離子交換膜是釩電池的重要組成部分,但當(dāng)前廣泛應(yīng)用的Nafion膜(Du Pont)昂貴的價(jià)格和較差的阻釩性能嚴(yán)重阻礙了釩電池的大規(guī)模發(fā)展,所以必須開發(fā)新型的離子交換膜�；腔勖衙淹�(SPEEK)離子交換膜雖然具有較高的電導(dǎo)率、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn),但是作為釩電池的離子交換膜使用時(shí),其在高電導(dǎo)率時(shí)機(jī)械性能較差。為此,本文以價(jià)格低廉、機(jī)械性能良好的PTFE(Polytetrafluoroethylene)多孔膜為基膜制備增強(qiáng)型的PTFE/SPEEK(PS)復(fù)合膜,并考察不同溶劑、PTFE厚度和SPEEK含量對(duì)PS復(fù)合膜的影響。結(jié)果表明:采用不同溶劑制備的PS復(fù)合膜的能量效率(EE)均高于Nafion212膜,40 m A/cm2電流密度下,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)溶劑制備的PS復(fù)合膜的EE分別比Nafion212膜提高了10.3%、12.4%和13.6%,且DMF溶劑制備復(fù)合膜的EE最高,阻釩性能最好且長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試中最穩(wěn)定。改變SPEEK的含量制備不同厚度PS復(fù)合膜,隨著厚度的增加,阻釩性能增強(qiáng)的同時(shí)電阻也隨之增大,40μm厚度的PS復(fù)合膜的電池測(cè)試性能最佳。而采用不同厚度PTFE時(shí),結(jié)果表明以20μm的PTFE制備的復(fù)合膜電池性能最佳。此外,雖然Nafion膜的釩離子滲透嚴(yán)重、價(jià)格昂貴,但其在釩電池中具有良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性。為此,實(shí)驗(yàn)中通過溶液浸漬法制備了Nafion/SPEEK/Nafion(NSN)復(fù)合膜,以增強(qiáng)SPEEK膜的穩(wěn)定性同時(shí)減少N afion的用量。將磺化度為48%的SPEEK膜浸入到Nafion溶液中浸泡形成NSN復(fù)合膜后,通過化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性有所提高,電池測(cè)試表明:NSN復(fù)合膜的EE高于SPEEK膜,自放電性能也進(jìn)一步證明NSN的阻釩性能較好。論文最后對(duì)釩電池及離子交換膜進(jìn)行市場(chǎng)分析,并對(duì)實(shí)驗(yàn)中制備的PS和NSN復(fù)合膜進(jìn)行成本估算,計(jì)算表明它們比商業(yè)N afion膜有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】：全釩液流電池 SPEEK PTFE Nafion
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ425.236;TM912
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義11-12
• 1.2 釩電池及其發(fā)展歷史12-16
• 1.2.1 氧化還原液流電池的提出12
• 1.2.2 釩電池的原理12-13
• 1.2.3 釩電池的特點(diǎn)13-14
• 1.2.4 釩電池的主要組件14-16
• 1.2.5 釩電池在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀16
• 1.3 離子交換膜的研究進(jìn)展16-19
• 1.3.1 商用離子交換膜的改性16-17
• 1.3.2 新型陽離子交換膜材料的開發(fā)17-19
• 1.3.3 新型陰離子交換膜材料的研發(fā)19
• 1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容19-21
• 第2章 實(shí)驗(yàn)部分21-31
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所需藥品及儀器21-22
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)所需藥品21
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器21-22
• 2.2 釩電池中電極的選用22
• 2.3 電解液的循環(huán)利用22-25
• 2.4 復(fù)合膜的物理性能及結(jié)構(gòu)表征25-28
• 2.4.1 含水率(WU )和溶脹率(SU)25-26
• 2.4.2 離子交換容量（IEC）和磺化度（DS）測(cè)試26
• 2.4.3 VO2+滲透率測(cè)試26-27
• 2.4.4 化學(xué)穩(wěn)定性能表征27-28
• 2.4.5 X射線衍射(XRD)28
• 2.4.6 掃描電子顯微鏡(SEM)28
• 2.4.7 氫核磁共振法(1H-NMR)28
• 2.4.8 衰減全反射紅外光譜(FT-IR)28
• 2.5 復(fù)合膜的電化學(xué)性能28-31
• 2.5.1 電導(dǎo)率28-29
• 2.5.2 電池充放電測(cè)試29-30
• 2.5.3 穩(wěn)定性能及壽命測(cè)試30
• 2.5.4 自放電測(cè)試30-31
• 第3章 PTFE/SPEEK復(fù)合膜的制備與性能研究31-54
• 3.1 引言31
• 3.2 PTFE/SPEEK復(fù)合膜的制備31-33
• 3.2.1 SPEEK的制備31-32
• 3.2.2 PTFE薄膜的親水處理32
• 3.2.3 SPEEK溶液的制備32
• 3.2.4 不同溶劑PS復(fù)合膜的制備32
• 3.2.5 不同厚度PS復(fù)合膜的制備32-33
• 3.3 溶劑對(duì)PS復(fù)合膜基本性能影響33-36
• 3.3.1 含水率和溶脹率33-34
• 3.3.2 IEC和DS34
• 3.3.3 VO2+滲透率34-35
• 3.3.4 化學(xué)穩(wěn)定性能表征35-36
• 3.4 不同溶劑制備的PS復(fù)合膜形貌和結(jié)構(gòu)表征36-41
• 3.4.1 掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試36-37
• 3.4.2 XRD測(cè)試37-38
• 3.4.3 FT- IR測(cè)試38-39
• 3.4.4 ~1H-NMR測(cè)試39-41
• 3.5 不同溶劑制備的PS復(fù)合膜電化學(xué)性能表征41-45
• 3.5.1 電導(dǎo)率41-42
• 3.5.2 單電池充放電測(cè)試42-44
• 3.5.3 循環(huán)性能44-45
• 3.5.4 自放電性能45
• 3.6 不同含量SPEEK制備PS復(fù)合膜的性能表征45-49
• 3.6.1 物理性能表征及結(jié)構(gòu)測(cè)試45-48
• 3.6.2 電化學(xué)性能測(cè)試48-49
• 3.7 不同PTFE厚度制備PS復(fù)合膜的性能表征49-53
• 3.7.1 吸水率和溶脹率50
• 3.7.2 IEC測(cè)試50-51
• 3.7.3 電導(dǎo)率測(cè)試51
• 3.7.4 VO2+滲透率測(cè)試51-52
• 3.7.5 單電池性能測(cè)試52-53
• 3.8 本章小結(jié)53-54
• 第4章 NSN復(fù)合膜的制備與性能研究54-63
• 4.1 引言54
• 4.2 SPEEK膜磺化度的選擇54
• 4.3 NSN復(fù)合膜的制備54-55
• 4.3.1 SPEEK膜的制備及預(yù)處理54
• 4.3.2 5% N afion溶液的制備54-55
• 4.3.3 NSN復(fù)合膜的制備55
• 4.4 NSN復(fù)合膜的基本性能表征55-58
• 4.4.1 含水率和溶脹率測(cè)試55-56
• 4.4.2 IEC測(cè)試56
• 4.4.3 VO2+滲透率測(cè)試56-57
• 4.4.4 化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試57-58
• 4.5 膜的微觀形貌及結(jié)構(gòu)表征58-60
• 4.5.1 掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試58
• 4.5.2 FT-IR58-59
• 4.5.3 XRD59-60
• 4.6 電化學(xué)性能測(cè)試60-62
• 4.6.1 電導(dǎo)率測(cè)試60
• 4.6.2 單電池性能60-61
• 4.6.3 自放電性能61-62
• 4.7 本章小結(jié)62-63
• 第5章 市場(chǎng)分析及應(yīng)用前景63-69
• 5.1 引言63
• 5.2 釩電池市場(chǎng)應(yīng)用分析63-66
• 5.2.1 全球釩電池的市場(chǎng)發(fā)展走向63-65
• 5.2.2 我國釩電池的市場(chǎng)發(fā)展走向65-66
• 5.3 釩電池成本分析66-67
• 5.4 離子交換膜成本分析67-68
• 5.4.1 PS復(fù)合膜成本粗略估算67
• 5.4.2 SPEEK與NSN復(fù)合膜成本粗略估算67-68
• 5.5 本章小結(jié)68-69
• 結(jié)論69-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76-78
• 致謝78

【參考文獻(xiàn)】

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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本文編號(hào)：703816