液流电池泡沫炭复合涂层电极制备及其储电性能研究

摘要

分布式电站是新能源实现就地消纳和长足发展的重要电力设施，其核心是开发大容量、高性能和低成本的储能系统。依据溶液中Pb2+以固态PbO2和Pb形式储电并可逆转换的永久性，单液流无隔膜的廉价性，功率和容量分别通过电极对数和Pb2+浓度可调控的灵活性，H2O2可回收残余储电层并达到无污染的环保性，铅酸液流电池引起分布式储能电站领域的高度关注。但目前因使用的传统石墨板和泡沫炭电极导电性较差、比表面积小和析氢过电位小等因素影响，电池表现出负极枝晶严重，储能容量较小，充放电效率较低等不足。基于此，本文以泡沫炭为基体进行化学镀铜和电沉积铅，系统研究泡沫炭复合涂层的制备工艺、机理和涂层相关性能；探索泡沫炭复合涂层电极较石墨板和泡沫炭所具有的优良理化和结构特性在铅酸液流电池应用中对储电沉积层和效率的影响及其提升电池容量的机理。
　　研究表明：对泡沫炭基体前处理，化学镀铜后电沉积铅制备泡沬炭复合涂层。合理粗化基体增强与镀铜层间的机械结合，施镀中间铜层增强与镀铅层间的电化学结合。控制化学镀铜厚度3～4μm，和电沉积铅电流密度20mA/cm2及其他工艺参数可得到表面平整和颗粒均匀的镀层。化学镀铜机理遵循电化学混合电位理论，生长过程通过Cu胞的融合进行；电沉积铅遵循电结晶理论，从电化学角度分析可分为欠电位沉积和过电位沉积。泡沫炭复合涂层理化特性方面：经冷热循环法定性检测镀层结合力良好，XRD分析锻层无杂质元素掺入。化学镀铜层厚度3～4μm时电极电导率高达1315.79s/cm且电极载流量满足30～40mA/cm2的要求；复合高韧性铜/铅涂层有效阻止预裂纹于薄弱骨架上集结，其整体压缩强度提高至0.5MPa；经循环伏安测试泡沫炭复合涂层电极具有较好的电极反应可逆性，并随扫描速度和循环次数增加，电极反应可逆程度增强。结构特性方面：孔隙率高达93.71％，表观密度0.663g/cm3体现其优良的轻质多孔特性；电极真实表面积为石墨板3～4倍。
　　泡沫炭复合涂层负极上储电Pb层的颗粒较石墨板和泡沫炭电极均匀细腻，且其表面多孔结构柯效分散电荷而不易枝状结晶。所对正极上储电PbO2层的颗粒结合紧凑或因电场均匀密集而影响正极羟蕋自由基OHads的分布。泡沫炭复合涂层负极因其表面理化特性和结构特性而具有较小的电极反应极化过电位和欧姆分压，使得电池充放电库伦效率高达93%～95%，电压效率89%～90%，能量效率83%～85%；电极表面容量提高至50mAh/cm2时库伦效率仍稳定在96±0.5%，并且表现出极佳的快速充放电性能。

目录

1绪论

1.1能源和储能概述

1.2铅酸液流电池概述

1.3泡沫金属材料概述

1.4泡沫炭复合涂层在铅酸液流电池中的应用概况

1.5本课题的背景意义和研究内容

1.6本课题研究技术路线图

2实验器材及研究方法

2.1实验药品及仪器

2.2 泡沫炭复合涂层制备

2.3铅酸液流电池组装和系统连接

2.4实验测试及表征方法

3泡沫炭复合涂层制备工艺参数研究及性能检测

3.1 泡沫炭基体粗化及对镀铜层影响

3.2 镀铜层对电沉积铅层影响

3.3 化学镀铜

3.4 电沉积铅

3.5 复合涂层性能检测

3.6 本章小结

4泡沫炭复合涂层电极对液流电池储电性能影响研究

4.1泡沫炭复合涂层电极性能对比

4.2不同电极对电池储电沉积层形貌的影响对比

4.3 不同电极对电池充放电性能影响分析

4.4泡沫炭复合涂层提升电池容量机制分析

4.5泡沫炭复合涂层提升电池快速充放电能力分析

4.6本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢