釩電池用高性能離子交換膜制備及研究.pdf

1、傳統(tǒng)的化石能源儲(chǔ)量有限，隨著不斷的消耗必定會(huì)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(chǔ)能技術(shù)聯(lián)合配套使用。儲(chǔ)能技術(shù)中，化學(xué)儲(chǔ)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(zhǎng)、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

2、、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(zhǎng)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(cè)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) Nafi

3、on212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(duì)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(duì)Nafion膜性能的影響，與此同時(shí)，研究了不同熱處理溫度對(duì)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

4、，100 ℃、140 ℃、180 ℃三種不同的熱處理溫度。研究結(jié)果表明：DMF-180 ℃重鑄膜的性能最為優(yōu)異，且其釩滲透系數(shù)最低，為2.9×10-7cm2/min。電池測(cè)試中，該膜在80 mA/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 ℃為熱處理溫度制備的重鑄膜性能最佳。
　　本文的第

5、三部分，研究不同粒徑、不同含量的納米SiO2對(duì)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SiO2進(jìn)行添加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加了納米 SiO2后重鑄 Nafion膜的阻釩性能增加，電導(dǎo)率略有下降，當(dāng)SiO2含量增加到10%后，略微會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚會(huì)影響隔膜的整體性。電池測(cè)試中，30 nm粒徑5 wt%含量的SiO