全钒液流电池高性能石墨毡电极研究

摘要

钒液流电池（钒电池）由于具有寿命长、易规模化和操作灵活等优点，成为了一种快速发展且有前景的大型固定式储能系统。但是由于石墨毡(GF)电极的催化活性较低，导致钒电池功率密度低且温度窗口窄，这些缺点限制了其在全球的广泛应用。因此制备出具有高功率密度和宽温度的新型电极来推进VFB在全气候条件下储能的实际应用至关重要。本论文分别采用在石墨毡纤维表面造孔和负载铋催化剂两种方法对石墨毡改性，得到高电化学活性、高功率密度和宽温度适应性的石墨毡电极。
　　采用了一种便于控制的方法来制备多孔设计的石墨毡电极(PGF)，其中纳米孔均匀分布在石墨毡的微米级石墨纤维上。由于其良好的电解液润湿性和较大的表面积，所制备的PGF电极对VO2+/VO2+和V2+/V3+氧化还原电对表现出较高的电化学活性。因此用PGF电极组装的VFB单电池在高电流密度300mA cm-2下表现出优异的倍率性能。另外在150mAcm-2的高电流密度下PGF电极在3000圈充放电循环中表现出高稳定性，并且在-20℃至60℃温度范围内具有较高的能量效率和电化学稳定性。
　　铋作为一种低成本，无毒，高活性的电催化剂，通过简单的水热反应法来修饰到热活化的GF(TGF)上，得到Bi/TGF复合电极。研究发现铋在较宽温度范围内可有效抑制析氢反应，同时促进V2+/V3+氧化还原反应。因此将Bi/TGF为负极电极的VFB在倍率性能测试中表现出远高于TGF的能量效率和放电容量，在150mA cm-2的电流密度下，Bi/TGF的能量效率达到78.9％。并且在高电流密度下进行600圈充放电循环测试中保持长期稳定性。此外，Bi/TGF电极在-10℃～50℃温度范围内具有良好的适应性，以及在50℃时寿命测试中具有较高的稳定性和耐久性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 全钒液流电池简介

1．2．1 全钒液流电池原理介绍

1．2．2 全钒液流电池的特点

1．2．3 全钒液流电池的应用

1．3 全钒液流电池的研究现状

1．3．1 电解液

1．3．2 离子交换膜

1．3．3 电极

1．4 论文选题依据与研究内容

第2章 实验部分

2．1 实验材料与仪器

2．2 电极制备

2．2．1 制备热活化毡电极

2．2．2 制备PGF电极

2．3．2 电池测试用电解液的制备

2．5．2 电化学性能测试

2．6 钒电池组装与测试

2．6．1 常温下电池倍率性能及寿命测试

2．6．2 电池极化曲线测试

2．6．3 电池宽温度性测试

3．1 引言

3．2 PGF电极的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 电极的表面形貌及表征

3．3．2 电极的电解液浸润性测试

3．3．3 电极的CV及EIS测试

3．3．4 电池性能测试

3．3．5 宽温度性能测试

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 Bi／TGF复合电极的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 电极的表面形貌及表征

4．3．2 电极的电化学测试

4．3．3 电极的变温CV及LSV测试

4．3．4 电池性能测试

4．3．5 宽温度性能测试

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

附录