磺化聚酰亚胺酸碱复合膜的制备及其在钒电池中的应用

摘要

全钒氧化还原液流电池（VRB）作为一种大型的储能设备，可以在新能源开发中得到应用，解决新能源不能持续、稳定、可控的缺点。隔膜做为钒电池的重要组成部分，其直接影响钒电池的使用寿命。本文旨在寻找一种新的磺化聚酰亚胺复合膜，为钒电池隔膜发展提供新思路。
　　采用高温一步法合成两种磺化聚酰亚胺（ODPA-BDSA/MDA，ODPA-BDSA/DMMDA简写为SPI-MDA，SPI-DMMDA），通过调节磺化二胺与非磺化二胺单体物料比分别合成三种磺化度SPI-MDA和SPI-DMMDA。FT-IR、1H-NMR证明产物合成成功，且理论磺化度与实际磺化度相符。DSC、GPC、XRD测试表明，产物为无定型聚集态结构，且具有足够的热稳定性和分子量，可以满足钒电池隔膜的需求。选取两种碱性聚合物聚醚酰亚胺(PEI)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分别与合成的磺化聚酰亚胺进行共混，制成四组酸碱复合膜(SPI-MDA/PEI、SPI-MDA/PVP、SPI-DMMDA/PEI、SPI-DMMDA/PVP)。对复合膜进行FT-IR、XRD表征，测试了复合膜的基本性能，将复合膜应用于钒电池测试其电池性能，同时将复合膜与Nafion117膜做了对比。
　　选取具有代表性的SPI-MDA/PVP膜，探讨磺化度对复合膜性能的影响。发现随磺化度的升高，复合膜分相明显，吸水率、离子交换容量、钒离子渗透率、质子电导率均升高;随磺化度的升高，复合膜库伦效率降低，电压效率和能量效率升高，其中磺化度最高的SPI-MDA/PVP-3膜性能最好，能量效率高达75.6％。与Nafion117膜对比，复合膜表现出了较低的钒离子渗透率。
　　选取具有代表性的SPI-MDA/PVP-3膜和SPI-MDA/PEI-3膜，探讨了不同碱性聚合物对复合膜性能的影响。研究发现SPI-MDA/PVP-3膜拥有更高的吸水率和IEC，较低的面电阻和钒离子渗透率;电池性能测试表明SPI-MDA/PVP-3膜具有较高的库伦效率、电压效率和能量效率。
　　选取具有代表性的SPI-MDA/PVP-3膜和SPI-DMMDA/PVP-3膜，探讨了不同非磺化二胺单体对复合膜性能的影响。研究发现SPI-DMMDA/PVP-3膜的吸水率和IEC较低，面电阻和钒离子渗透率较高;电池性能测试表明SPI-MDA/PVP-3膜拥有更高的库伦效率和能量效率。
　　本论文的研究为聚酰亚胺在钒电池隔膜中的应用提供了一种新思路，对于钒电池隔膜的开发及利用具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 全钒氧化还原液流电池

1．1．1 钒电池的工作原理

1．1．2 钒电池的发展现状

1．1．3 钒电池的应用

1．1．4 钒电池组成

1．2 钒电池隔膜

1．2．1 钒电池隔膜特点

1．2．2 钒电池隔膜的研究现状

1．3 聚酰亚胺

1．3．1 聚酰亚胺概述

1．3．2 聚酰亚胺的制备方法

1．3．3 聚酰亚胺电池隔膜研究现状

1．4 本论文的选题意义及研究背景

第二章 实验材料与方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验分析项目

2．2．1 结构与性能表征

2．2．2 膜结构及性能测试

第三章 磺化聚酰亚胺的合成及酸碱复合膜的制备

3．1 磺化聚酰亚胺的合成

3．2 磺化聚酰亚胺结构与性能分析

3．2．1 红外光谱分析

3．2．2 核磁分析

3．2．3 热失重分析

3．2．4 X射线粉末衍射分析

3．2．5 分子量分析

3．3 小结

第四章 磺化度对复合膜性能的影响

4．1 酸碱复合膜的制备

4．2 酸碱复合膜与Nation117膜预处理

4．3 复合膜电池性能

4．4 电池电解液的制备

4．5 复合膜性能测试结果及讨论

4．5．1 共混膜SEM表征

4．5．2 共混膜红外表征

4．5．3 拉伸性能测试

4．5．4 吸水率、IEC、面电阻

4．5．5 钒离子渗透率

4．5．6 质子电导率

4．5．7 复合膜选择性

4．5．8 复合膜电池性能测试

4．5．9 电池稳定性测试

4．5．10 复合膜自放电测试

4．6 小结

第五章 碱性聚合物对复合膜性能的影响

5．1 复合膜电池性能

5．2 复合膜性能测试结果及讨论

5．2．1 复合膜拉伸性能

5．2．2 复合膜SEM表征

5．2．3 吸水率、IEC、面电阻

5．2．4 复合膜钒离子渗透率

5．2．5 质子电导率与选择性

5．2．6 电池性能测试

5．2．7 复合膜稳定性曲线

5．2．8 复合膜自放电测试

5．3 小结

第六章 非磺化二胺单体对复合膜性能影响

6．1 复合膜电池性能测试

6．2 复合膜性能测试结果及讨论

6．2．1 复合膜红外表征

6．2．2 复合膜SEM分析

6．2．3 复合膜吸水率、IEC、面电阻

6．2．4 复合膜质子电导率

6．2．5 复合膜钒离子渗透率及选择性

6．2．6 复合膜电池性能测试

6．2．7 复合膜稳定性测试

6．2．8 复合膜自放电曲线

6．3 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢