应用于新型氧化还原电池正极液的Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)电解质的研究

摘要

以Fe2+/Fe3+为正极活性物质具有诸多优势，如铁的来源非常丰富，价格低廉，电极反应速率快，无毒、环保、安全等，主要用于Fe/Cr液流电池内。以Zn/Zn2+电对为负极活性物质同样具有诸多优势，如锌的来源也丰富，价格低廉，锌负极具有较高的析氢过电位，电极反应速率快速，能量密度高，电极电位较负。因此以Fe2+/Fe3+vs.Zn/Zn2+为活性物质的Fe/Zn电池将综合Fe/Cr电池和Zn/Zn2+作负极的优势，同时避免了Cr2+/Cr3+用于负极液的不足，是一种成本低、安全、环保、无污染的液流电池。这些特点将为Fe/Zn电池的大范围和大规模应用奠定良好的基础。本论文工作主要围绕了Fe2+/Fe3+所在的正极液的特性和Fe/Zn电池的充放电循环性能展开了研究，具体内容如下:
　　比较了Fe2+/Fe3+电对在HCl、H2SO4和甲基磺酸三种介质内的电化学性能。结果表明，Fe2+/Fe3+电对在HCl介质内的反应动力学优于甲基磺酸和H2SO4介质内的。Fe2+、Fe3+在HCl介质内的扩散系数分别为3.732×10-6 cm2·s-1、4.423×10-6 cm2·s-1。组装了Fe/Zn单电池，在充/放电循环测试中，HCl介质内，电池的放电容量在开始的几个循环中急剧衰减。而MSA体系的充放电稳定性能最优，40 mA·cm2时，充电平台为1.58 V～1.68 V，放电平台为1.32 V～1.18 V，平均放电容量最高，故选用甲基磺酸作为Fe2+/Fe3+的支持电解质。
　　考察了铂电极上甲基磺酸溶液内Fe2+/Fe3+在不同电解液成分(甲基磺酸浓度1.0 mol·dm-3～3.0 mol·dm-3，甲基磺酸铁浓度1.0mol·dm-3～2.0 mol·dm-3)中的电化学性能。循环伏安曲线的结果表明，Fe2+、Fe3+的扩散系数分别为3.689×10-6 cm2·s-1、4.333×10-6 cm2·s-1。电极反应的可逆性与甲基磺酸的浓度、甲基磺酸铁的浓度均有关。提高甲基磺酸的浓度，电极反应的可逆性降低。甲基磺酸铁的浓度大于1.5 mol·dm-3时，电极反应的可逆性也降低。
　　考察了正极液内添加NH4Cl、KCl和NaCl，对电解液的电导率、粘度和电化学性能的影响。添加不同氯化物后，电解液的粘度、电导率均增大。循环伏安曲线和充放电测试的结果表明，添加氯化物可以提高电极反应的可逆性和反应动力学;添加氯化物的Fe/Zn电池的能量效率均比原始的高，电流密度为40 mA·cm2时，正极液内添加1.0 mol·dm-3 NH4Cl的电池的平均能量效率为80.15％，比原始的高3.44％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 储能技术

1．2 储能电池

1．3 主要的液流电池技术

1．3．1 溴-多硫化钠电池

1．3．2 全钒电池

1．4 Zn／Zn2+为负极活性物质的液流电池

1．5 Fe2+／Fe3+为正极活性物质的液流电池

1．5．1 铁-铬电池

1．5．2 铁-钒电池

1．6 课题的提出

1．7 本研究的主要内容、目的与意义

1．7．1 研究目的

1．7．2 研究意义

1．7．3 研究内容

第二章 实验原理和方法

2．1 主要的实验试剂和仪器设备

2．1．1 主要实验试剂和材料

2．1．2 主要实验仪器

2．2 电解液的配制

2．2．1 正极液的配制

2．2．2 负极液的配制

2．3 电解液的粘度和电导率测试

2．3．1 粘度测试

2．3．2 电导率测试

2．4 电化学性能测试

2．4．1 循环伏安(CV)

2．4．2 线性扫描伏安(LSV)

2．5 电池充放电测试

第三章 HCl、MSA、H2SO4介质内的Fe2+／Fe3+电解质

3．1 循环伏安曲线

3．2 线性伏安扫描

3．3 扩散系数D

3．4 交换电流密度j0

3．5 对称系数α

3．6 充放电测试

3．7 本章小结

第四章 Fe2+／Fe3+-甲基磺酸(MSA)体系的研究

4．1 不同工作电极上的循环伏安曲线

4．2 不同扫速下的循环伏安

4．3 不同MSA浓度下的循环伏安曲线

4．4 不同铁浓度下的循环伏安曲线

4．5 充放电测试

4．6 本章小结

第五章 Fe2+／Fe3+-甲基磺酸(MSA)体系的优化

5．1 添加氯化物对电解液粘度的影响

5．2 添加氯化物对电解液电导率的影响

5．3 循环伏安分析

5．4 线性扫描伏安分析

5．5 充放电测试

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

硕士期间主要的研究成果目录

致谢