全钒液流电池用磺化聚砜质子交换膜的制备与性能

摘要

全钒液流电池是一种绿色安全的高效储能电池,通过钒离子四种价态变化实现电能的储存和释放,具有寿命长、充放电响应速度快、可循环使用等优势,因此适合大规模储能和后备电源应用。质子交换膜是全钒液流电池的重要组成部分,体现在隔绝正负极电解液,避免钒离子电解液的交叉污染和质子传递。商业化的Nafion系列膜具有较好的质子传导率和机械性能,但其高昂价格和较高钒离子渗透率严重影响了全钒液流电池技术的发展。因此,开发低成本、低钒离子渗透率和高质子传导率的质子交换膜对全钒液流电池快速发展至关重要。
　　本论文在制备不同磺化度磺化聚砜基质子交换膜的基础上,考察了类石墨相氮化碳掺杂磺化聚砜膜的结构和性能影响,同时研究了在全钒液流电池应用及电池性能。
　　1)通过控制三甲基氯硅烷-氯磺酸与聚砜的摩尔比,制备出了一系列不同磺化度的磺化聚砜(SPSF)。研究了磺化度对SPSF膜物理化学性能和全钒液流电池性能的影响。结果表明,随磺化度的增加,SPSF膜的吸水率、溶胀度、钒离子渗透率和质子传导率增加,但机械性能下降。以离子选择性最高的SPSF膜(SPSF-62)组装全钒液流电池,结果表明,SPSF-62膜的电池效率优于Nafion117膜,且具有良好的化学稳定性。
　　2)选用类石墨相氮化碳(g-C3N4)为掺杂组分,并与SPSF-62膜复合,制备SPSF-62复合膜。研究表明,g-C3N4的加入有效降低了SPSF-62的钒离子渗透率,并且膜自身的磺酸基团与g-C3N4中的氨基基团形成酸-碱作用,形成了稳定的质子传输通道,从而提高了复合膜的质子传导率。以离子选择性最高的SPSF-62/g-C3N4-1复合膜组装全钒液流电池测试电池性能,60 mA cm-2电流密度下,复合膜的库伦效率和能量效率分别为99.1％和74.8％,明显优于Nafion117(94.3％和58.9％)。经300次循环充放电后,SPSF-62/g-C3N4-1复合膜展现了优异的循环稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 液流电池简介

1．3 全钒液流电池

1．3．1 全钒液流电池的特点及应用

1．3．2 全钒液流电池的国内外研究

1．4 全钒液流电池的主要组成

1．4．1 电极

1．4．2 电解液

1．4．3 质子交换膜

1．5 全钒液流电池质子交换膜的研究进展

1．5．1 全氟磺酸质子交换膜及其改进处理

1．5．2 阳离子质子交换膜

1．5．3 阴离子质子交换膜

1．5．4 两性离子质子交换膜

1．5．5 多孔质子交换膜

1．6 磺化聚砜的制备

1．6．1 聚砜

1．6．2 磺化聚砜

1．7 本文研究主要内容

第二章 实验试剂、仪器及测试方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 测试表征

2．3．1 核磁共振波谱(FT-NMR)分析

2．3．2 傅立叶红外光谱(FT-IR)分析

2．3．3 热重(TG)分析

2．3．10 离子交换容量(ion exchange capacity，IEC)

2．3．12 钒离子渗透率

2．3．13 全钒液流电池性能测试

第三章 磺化聚砜质子交换膜的制备及性能

3．2．1 磺化聚砜的制备

3．2．2 磺化聚砜质子交换膜的制备

3．3．1 SPSF的结构分析

3．3．2 不同磺化度的SPSF膜SEM分析

3．3．3 热失重(TG)分析

3．3．4 SPSF膜的物理化学性能和机械性能

3．3．5 SPSF膜的钒离子渗透率和离子选择性

3．3．6 SPSF膜的电池性能

3．4 本章小结

第四章 磺化聚砜／类石墨相氮化碳质子交换膜的制备及性能

4．2．3 SPSF／g-C3N4复合膜的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 类石墨相氮化碳(g-C3N4)的分析

4．3．2 SPSF-62／g-C3N4复合膜的形态分析

4．3．4 SPSF-62／g-C3N4复合膜的钒离子渗透率和离子选择性

4．3．5 SPSF-62／g-C3N4复合膜的电池性能

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢