全钒氧化还原液流电池电极材料的改性及电堆结构设计

摘要

全钒氧化还原液流电池是由澳大利亚New South Wales大学的M Kazacos于1984年提出。钒电池是利用电解液中不同价态钒离子相互转换产生电流,电极本身不发生反应,只为反应提供场所,且使用寿命长、可靠性高、操作简单。因此,钒氧化还原液流电池引起了研究者们的普遍关注。
　　本文主要以钒电池电堆各组成部件为研究对象,着重研究了钒电池的电极材料,钒电池电解液的稳定性以及钒电池电堆各部件的设计及组装。钒电池的电极基体材料采用的是2000℃下制备的聚丙烯腈基碳毡,通过酸热综合处理及金属离子处理对其进行改性,然后由循环伏安、极化曲线、SEM测试等对改性后的碳毡材料进行表征。电解液的制备方法有化学合成法和电解法,本文采用电解法制备钒电池的电解液,然后加入柠檬酸钾、硫酸铵、硝酸钴、四氯化锡等稳定剂,放置一段时间后,测试电解液的稳定性能。
　　经过350℃、450℃、550℃保温2h后盐酸、硝酸、硫酸依次处理不同时间后的碳毡材料与未处理的碳毡材料相比,电化学性能都有明显的提高,耐腐蚀性能也得到明显的改善,其中,经过550℃保温2h后盐酸处理2h后的碳毡电极的电化学性能最好,适合用作钒电池的电极材料。
　　经过红外分析得出,酸热综合处理主要增加的是碳毡表面的-OH、C=O官能团的含量,同时使醇和醚的含量减少,也可以说是增加碳毡表面-COOH的含量,从而改善了碳毡的电化学性能。
　　经过不同浓度硝酸镍溶液处理24h后的碳毡材料的电化学性能有明显的提升,峰值明显提高。其中,经过2mol/L的硝酸镍溶液处理后的电极材料的电化学性能最好,适合用作钒电池的电极材料。
　　电解法制备的钒电池电解液可以得到高浓度的钒电池电解液,加入柠檬酸钠、硫酸铵、硝酸钴、四氯化锡等稳定剂后,研究发现,加入柠檬酸钠和硝酸钴后,钒电池电解液的稳定性与未加入添加剂的电解液相差不大。加入四氯化锡后放置一段时间后的电解液的稳定性有明显的提高。
　　本文设计的钒电池电堆由两个半电池组成,一个是正半电池,另一个是负半电池,两个半电池的各部件是相互对称的,同时又是相互隔离的,用以避免正负电解液相互污染。正半电池是由端板、电极衬板、导流板、膜等部件组成。电解液依次从端板、电极衬板的两侧方形的进液口流进,从负半电池部件的方形出液口流出,如此完成一个循环。负半电池也是由端板、电极衬板、导流板、膜等部件组成。电解液依次从端板、电极衬板的两侧方形的进液口流进,从正版电池部件的方形出液口流出,两个半电池通过双极板进行相互连接。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 氧化还原液流电池

1.3 全钒氧化还原液流电池

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本文研究的意义

2 实验测试方法及原理

2.1 循环伏安法

2.2 稳态计划测试法

2.3 扫描电子显微镜表面形貌观察

2.4 红外分析技术

3 全钒氧化还原液流电池电极材料及其改性的研究

3.1 引言

3.2 全钒氧化还原液流电池电极材料的选取

3.3 实验部分

3.4 酸热综合处理电极改性实验结果

3.5 镍离子修饰电极实验结果

3.6 碳毡电极镀镍分析结果

3.7改性前后各碳电极材料SEM表面形貌

3.8 本章小结

4 钒电池电解液的电解法制备及其稳定性研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 添加剂对电解法制备的电解液性能的影响

4.4 本章小结

5 钒电池储能电堆各部件的结构设计及组装

5.1 前言

5.2 电堆各组件的设计

5.3 钒电池电堆电解液流场演示图

5.4 钒电池电堆各部件实物图

5.5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果