全釩液流電池用Nafion復(fù)合膜的制備與研究.pdf

1、全釩氧化還原液流電池（VFB）作為理想的大規(guī)模儲能裝置，被廣泛用于電網(wǎng)調(diào)峰、緊急電源和新能源利用等領(lǐng)域。Nafion膜因質(zhì)子傳導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好被廣泛用作液流電池的關(guān)鍵隔膜。然而，Nafion膜成本較高、釩離子滲透和水遷移嚴(yán)重，造成電池性能低、容量衰減嚴(yán)重等問題，限制了其進一步商業(yè)化。因此，對Nafion的改性勢在必行。
　　本文以Nafion膜為基膜，分別采用磷酸鋯（ZrP）、氧化石墨烯（GO）和聚苯并咪唑（PBI）為涂層材料

2、制備Nafion復(fù)合膜。構(gòu)建ZrP、GO和PBI超薄化、強界面粘合性涂層，降低釩離子滲透和水遷移、降低質(zhì)子傳導(dǎo)率損失。利用涂層內(nèi)ZrP攜帶的質(zhì)子傳導(dǎo)基團、GO片層的取向，以及PBI的致密結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)異的電池性能。
　　首先，采用浸漬法制備ZrP/Nafion212復(fù)合膜（ZrP/N212）。引入ZrP填充、覆蓋離子簇通道提高阻釩離子滲透性能，利用ZrP攜帶磷酸基團降低質(zhì)子傳導(dǎo)性能損失，添加Nafion做交聯(lián)劑避免涂層干裂。結(jié)果顯示

3、，一次改性的復(fù)合膜（ZrP/N212-1）性能最佳，釩離子滲透系數(shù)降低為N212的56.6%，面電阻僅增高20%。20-100mA cm-2電流密度下，ZrP/N212-1的庫倫效率（CE）和能量效率（EE）分別達(dá)80.4-96.4%和75.7-80.9%，較N212（CE66.9-91.7%；EE63.1-75.6%）提高顯著。
　　其次，旋涂制備超薄涂層（400～440nm）取向化GO/Nafion復(fù)合膜。利用GO取向最大化復(fù)

4、合膜的阻釩離子滲透性能，設(shè)計超薄涂層降低質(zhì)子傳導(dǎo)性能損失。為良好分散GO且保持涂層與基膜間良好結(jié)合，采用水作旋涂液分散劑。復(fù)合膜（M-2）的釩離子滲透系數(shù)降低為純Nafion膜（P-N）的2.64%。80mA cm-2電流密度下，CE和EE分別達(dá)98.8%和84.5%，高于P-N（CE90.1%；EE75.7%）。200個循環(huán)測試，M-2顯示出優(yōu)越的電池性能，容量衰減僅為0.23%/循環(huán)，低于N212(0.40%/循環(huán))和P-N(0.4

5、4%/循環(huán))，同時保持完整結(jié)構(gòu)。
　　最后，利用PBI涂層的致密結(jié)構(gòu)，旋涂制備超薄涂層（120～414nm）PBI/Nafion復(fù)合膜，提高復(fù)合膜的阻釩離子滲透性能。二甲基甲酰胺（DMF）預(yù)處理Nafion基膜降低膜厚與超薄PBI涂層的設(shè)計，同時實現(xiàn)了節(jié)省制膜材料與減小傳導(dǎo)率損失的雙重目的。性能最佳的復(fù)合膜（P/N-0.05%）無釩離子滲透發(fā)生，20-100mA cm-2電流密度下，CE和EE分別達(dá)到91.8-96.9%和70.6