【摘 要】
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全钒氧化还原液流电池作为一种高性能大规模的储能设备,具有使用寿命长,电池充放电速度快,循环利用率高的优点。离子交换膜作为钒电池的关键材料,其成本和性能对电池有很大的影响。目前广泛使用的离子交换膜是全氟磺酸膜（PFSA）,PFSA膜具有很高的化学稳定性和良好的导电性,但是本身较高的成本以及钒离子渗透限制了其在钒电池领域的广泛使用。本论文通过向PFSA基膜中引入添加剂,旨在开发出低成本,综合性能优异的
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全钒氧化还原液流电池作为一种高性能大规模的储能设备,具有使用寿命长,电池充放电速度快,循环利用率高的优点。离子交换膜作为钒电池的关键材料,其成本和性能对电池有很大的影响。目前广泛使用的离子交换膜是全氟磺酸膜（PFSA）,PFSA膜具有很高的化学稳定性和良好的导电性,但是本身较高的成本以及钒离子渗透限制了其在钒电池领域的广泛使用。本论文通过向PFSA基膜中引入添加剂,旨在开发出低成本,综合性能优异的新型钒电池用复合膜。本论文选择聚苯并咪唑（PBI）作为PFSA膜的添加剂,源于PBI本身优异的化学稳定性和热稳定性,以及PBI聚合物中咪唑基团可电离出正电荷,对溶液中的钒离子产生静电排斥作用,从而提高复合膜的钒离子选择性。向PFSA溶液中添加不同含量的PBI,并通过溶液浇注法制备了 PFSA/PBI复合膜。通过微观结构和性能测试结果表明,PBI的引入不仅提高了 PFSA膜的力学性能,还提高了PFSA膜的阻钒性能。通过对不同含量PBI复合膜性能的对比,获得了导电性和阻钒性能均较为优异的PFSA/PBI复合膜中最优PBI添加量。与Nafion212膜和原始PFSA膜相比,PFSA/PBI复合膜在100-300mA·cm-2的电流密度下表现出更高的电池效率,且在长周期充放电循环条件下仍然保持稳定的电池效率,并表现出缓慢的容量衰减率。此外,由于PBI本身电导率较低,只有经过磷酸处理后才能实现质子传导,因此为获得更高导电性和阻钒性能的复合膜,本文选用聚磷酸铵（APP）作为复合膜添加剂。因聚磷酸铵聚合物中含有大量的NH4+基团,可通过Donnan排斥效应阻止复合膜中钒离子的通过,故通过溶液共混法制备了不同APP含量的PFSA/APP两性复合膜。形态结构表征和性能测试结果表明,所制备复合膜中PFSA中的磺酸基团与APP分子中P=O基团可形成氢键网络结构,进而促进质子转移,提高了复合膜的导电性能,且在充放电测试中复合膜表现出比纯PFSA膜更为优异的电池效率和长周期循环稳定性。
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