基于磺化聚醚醚酮的钒电池用离子交换膜研究

摘要

传统化石能源的大量使用导致资源匮乏和环境污染问题日益严重，所以世界各国都在致力于发展高效清洁的可再生能源如太阳能和风能等，这就需要相应的储能技术与其匹配。液流电池作为一种新兴的储能技术，不仅可作为发电系统的配套储能设备，还可用作电网调峰。全钒氧化还原液流电池(简称钒电池)是目前最具应用前景的液流电池之一。离子交换膜是钒电池的重要组成部分，但当前广泛应用的Nafion膜(DuPont)昂贵的价格和较差的阻钒性能严重阻碍了钒电池的大规模发展，所以必须开发新型的离子交换膜。
　　磺化聚醚醚酮(SPEEK)离子交换膜虽然具有较高的电导率、耐高温、化学稳定性等特点，但是作为钒电池的离子交换膜使用时，其在高电导率时机械性能较差。为此，本文以价格低廉、机械性能良好的PTFE(Polytetrafluoroethylene)多孔膜为基膜制备增强型的PTFE/SPEEK(PS)复合膜，并考察不同溶剂、PTFE厚度和SP EEK含量对PS复合膜的影响。结果表明：采用不同溶剂制备的PS复合膜的能量效率(EE)均高于Nafion212膜，40 mA/cm2电流密度下，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）溶剂制备的PS复合膜的EE分别比Nafion212膜提高了10.3％、12.4%和13.6%，且DM F溶剂制备复合膜的E E最高，阻钒性能最好且长循环测试中最稳定。改变SP EEK的含量制备不同厚度P S复合膜，随着厚度的增加，阻钒性能增强的同时电阻也随之增大，40μm厚度的P S复合膜的电池测试性能最佳。而采用不同厚度PTFE时，结果表明以20μm的PTFE制备的复合膜电池性能最佳。
　　此外，虽然N a fio n膜的钒离子渗透严重、价格昂贵，但其在钒电池中具有良好的化学和电化学稳定性。为此，实验中通过溶液浸渍法制备了Nafion/SPEEK/Nafion(NSN)复合膜，以增强SPEEK膜的稳定性同时减少Nafion的用量。将磺化度为48%的SPEEK膜浸入到Nafion溶液中浸泡形成NSN复合膜后，通过化学稳定性测试发现稳定性有所提高，电池测试表明：NSN复合膜的EE高于SPEEK膜，自放电性能也进一步证明NSN的阻钒性能较好。
　　论文最后对钒电池及离子交换膜进行市场分析，并对实验中制备的PS和NSN复合膜进行成本估算，计算表明它们比商业Nafion膜有明显的价格优势。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 钒电池及其发展历史

1.3 离子交换膜的研究进展

1.4 论文的主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验所需药品及仪器

2.2 钒电池中电极的选用

2.3 电解液的循环利用

2.4 复合膜的物理性能及结构表征

2.5 复合膜的电化学性能

第3章 P TFE/SPEE K复合膜的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 PT FE/SP EE K复合膜的制备

3.3 溶剂对P S复合膜基本性能影响

3.4 不同溶剂制备的PS复合膜形貌和结构表征

3.5 不同溶剂制备的PS复合膜电化学性能表征

3.6不同含量SP EE K制备P S复合膜的性能表征

3.7 不同厚度PT FE制备P S复合膜的性能表征

3.8 本章小结

第4章 N SN复合膜的性能研究

4.1 引言

4.2 SP EE K膜磺化度的选择

4.3 NSN复合膜的制备

4.4 NSN复合膜的基本性能表征

4.5 膜的微观形貌及结构表征

4.6 电化学性能测试

4.7 本章小结

第5章 市场分析及应用前景

5.1 引言

5.2 钒电池市场应用分析

5.3 钒电池成本分析

5.4 离子交换膜成本分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢