釩電池用高性能離子交換膜制備及研究.pdf

1、傳統(tǒng)的化石能源儲量有限，隨著不斷的消耗必定會枯竭，因此世界各國大力研究新型能源。風能、潮汐能、太陽能等新型可再生資源，由于其無法全天候、全時段、穩(wěn)定的輸出能量，因此需要與儲能技術(shù)聯(lián)合配套使用。儲能技術(shù)中，化學儲能中的全釩氧化還原液流電池(VRB)，因為其容量可人為調(diào)節(jié)、使用壽命長、可靠并且安全、部分材料可重復利用等這些優(yōu)點，成為國內(nèi)外學者研究的重點。釩電池的一個組成部分——離子交換膜，是制約其商業(yè)化的一個重要原因，因此研究開發(fā)經(jīng)濟、實惠

2、、高性能的離子交換膜就十分必要。
　　磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜，其電導率高、化學穩(wěn)定性強，但是機械性能偏差，因此不適合長期應用于釩電池中。為了提高SPEEK的穩(wěn)定性，本文第一部分利用機械性能良好的聚四氟乙烯(PTFE)膜作為襯底，在其表面澆鑄SPEEK溶液制備復合膜。實驗結(jié)果表明：復合膜的整體性能優(yōu)于空白組SPEEK膜，電池測試中，在高電流密度下復合膜的庫侖效率為96％，電壓效率為95%，能量效率達到91%，高于商業(yè) Nafi

3、on212膜，復合膜的阻釩性能顯著增強，自放電時間達到20000 min。
　　商業(yè)Nafion膜應用于釩電池中，釩滲透嚴重，部分學者對Nafion膜進行重鑄改性研究，但在研究過程中重鑄溶劑的選擇不盡相同，因此本文第二部分研究了重鑄過程中不同溶劑和溫度對Nafion膜性能的影響，與此同時，研究了不同熱處理溫度對重鑄膜性能的影響。本文選擇N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞砜(DMSO)三種高沸點溶劑

4、，100 ℃、140 ℃、180 ℃三種不同的熱處理溫度。研究結(jié)果表明：DMF-180 ℃重鑄膜的性能最為優(yōu)異，且其釩滲透系數(shù)最低，為2.9×10-7cm2/min。電池測試中，該膜在80 mA/cm2電流密度下庫侖效率為90%，這與商業(yè) Nafion212膜接近。相同溶劑、不同熱處理溫度制備的重鑄膜，隨著熱處理溫度的升高，質(zhì)子電導率略有下降，阻釩性能有所提高，綜合考慮，以180 ℃為熱處理溫度制備的重鑄膜性能最佳。
　　本文的第

5、三部分，研究不同粒徑、不同含量的納米SiO2對重鑄Nafion膜的改性，以期降低隔膜的釩滲透，增強電池性能。選擇15 nm、30 nm、40 nm三種粒徑，3 wt.%、5 wt.%、10 wt.%三種含量的納米SiO2進行添加。實驗結(jié)果表明：添加了納米 SiO2后重鑄 Nafion膜的阻釩性能增加，電導率略有下降，當SiO2含量增加到10%后，略微會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，團聚會影響隔膜的整體性。電池測試中，30 nm粒徑5 wt%含量的SiO