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铈锌液流电池是近几年开发出来的一类新型的储能电池,它具有电压高、功率和容量相互独立、电极不参与电池反应、原材料价格相对低廉、对环境友好等诸多优点,被认为最具发展潜力的新型储能电池体系之一。目前,铈锌液流电池由于活性物质转化率低和负极溶解等问题,影响了液流电池的循环稳定性和循环寿命。本研究对铈锌液流电池的正负极电解液进行了优化,同时对涂层浆料进行设计,用于制备负极电极,同时,对碳纸材料进行氧化处理和镀铟处理,通过X射线衍射(XRD)、扫描式电子显微镜(SEM)、循环伏安测试(CV)和电池测试等手段,评价了涂层浆料和碳纸材料用于铈锌液流电池负极材料的可行性。 利用高温、硝酸和高温加硝酸混合方法对石墨毡电极进行了氧化处理,通过TG-DSC测试发现,在400℃时,石墨毡的质量开始降低,吸热量增加,说明石墨毡氧化温度为400℃。经过高温热处理和酸处理过的石墨毡电极表面比较光滑,杂质较少,电极的润湿性增加。利用循环伏安法和电池充放电测试表明,Ce3+在经过高温处理的石墨电极表面有较明显的氧化还原峰,且利用石墨毡组装的电池性能较好。 对正极在不同酸浓度情况下溶液的电化学性能进行研究,循环伏安和充放电测试结果表明,随着酸浓度的增加,体系的氧化还原电流逐渐增加,在酸浓度为1.0 mol/L时,电解液的循环性能最好,但电池循环次数逐渐减少。通过静态测试正负极电解液的pH值,明确了H+透过隔膜的规律,确定了正极电解液酸浓度为1.0 mol/L时电池性能最佳。 采用甲磺酸和四氟硼酸作为电池负极电解液的电池性能影响进行了研究。通过循环伏安和充放电测试表明,用四氟硼酸作为负极电解液,电池具有更好的循环性能,库伦效率在50次循环以后保持在85%以上。随着电池循环的进行,发现铈离子发生渗透与四氟硼酸生成不溶物,造成电池活性物质的降低,因此,铈锌电池中,四氟硼酸不适合作为负极电解液。 不同的集流体对电池性能的影响进行了比较研究,结果表明,使用黄铜材料作集流体时,会导致电池经过一定循环后,黄铜中的Cu参与了电池反应,使电池本质发生改变;使用表面涂层的金属钛做集流体时,电极的耐蚀性增加,但电池经过一段时间循环后,电极的表面涂层会发生脱落,影响了电池性能。使用锌做集流体时,电池的循环效率有一定的增加,但是耐蚀性较低,影响电池循环寿命。 设计制造了一系列浆料并通过涂覆法制备复合负极。涂层在充放电反应前后发生了较大变化,主要为涂层中的氧化铟参与了电池反应,改变了涂层成分,电极表面有沉积锌改变了电极形貌。组装电池进行充放电测试表明,在40mA电流作用下,电池的循环次数超过550次,平均库伦效率达到75%以上,平均能量效率达到50%以上。 对碳纸作负极材料的可行性进行了探索。利用高温、硝酸对碳纸电极进行了氧化处理。通过循环伏安测试表明,经过处理的碳纸润湿性增加,活性增强。同时,对碳纸进行镀铟处理,使用恒电位仪进行电沉积时,铟主要沉积在碳纸纤维交叉处,使用直流电源进行电沉积时,铟主要沉积在碳纸纤维表面。直接在碳纸表面化学镀铟,只能在纤维断裂能量较高处有少量铟沉积,对碳纸进行PdCl2处理后,再进行化学镀铟,可以实现在碳纸表面化学镀铟。