论文部分内容阅读
全钒液流电池具有循环寿命长、快速响应、维护费用低等优点,在储能领域具有广阔的应用前景。电池中使用的全氟磺酸阳离子膜存在钒离子渗透率高、价格昂贵的缺点,制约了全钒液流电池的商业化应用。研制高效率、长寿命、低成本的离子交换膜是全钒液流电池研究领域的热点课题。本论文通过对高磺化度的磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜的改性研究,探讨了提高SPEEK基离子交换膜的性能与稳定性的方法。论文的主要研究内容如下:使用溶液浇铸法制备了SPEEK膜,探讨了磺化度对SPEEK膜性能的影响关系,并进一步研究了该类膜在全钒液流电池应用中的特性。结果表明,磺化度为67%时,SPEEK膜具有高的离子选择性,利用该膜组装的全钒液流电池具有良好的电池性能。在此基础上,研究了成膜溶剂对SPEEK膜性能的影响,结果表明,成膜溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)的效果较好。研究了SPEEK与聚偏二氟乙烯(PVDF)和偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))复合膜的制备方法与结构特征,结果表明,SPEEK与PVDF具有良好的相容性,PVDF有效抑制了复合膜的溶胀,PVDF的高的化学稳定性有助于提高复合膜的稳定性;SPEEK/P(VDF-HFP)复合膜中出现了分相结构,但因SPEEK与P(VDF-HFP)存在弱的相互作用,该类复合膜具有较好的化学稳定性。制备了介孔二氧化硅分子筛SBA-15与SPEEK的复合膜,结果表明,SPEEK中的-SO3H基团与SBA-15内的-OH基团存在氢键相互作用,有效提高了复合膜的热稳定性。当SBA-15质量分数为20%时,用该复合膜所组装的电池在60 mA cm-2电流密度下工作,电池的库仑效率和能量效率分别为96.3%和88.1%,比Nafion 117膜的电池分别提高了4.1%和7.1%。利用SPEEK与聚丙烯腈(PAN)共混,制备了SPEEK/PAN共混膜,结果表明,SPEEK中的-SO3H酸性基团与PAN中的-C≡N碱性基团存在酸碱作用,进一步的结果表明,随着PAN质量分数增加,共混膜的酸碱作用不断增强,SPEEK/PAN共混膜的吸水率和钒离子渗透率不断降低,离子选择性不断提高。以S/PAN-20膜所组装的全钒液流电池,在80 mA cm-2电流密度下工作时,电池的库仑效率和能量效率分别为96.2%和83.5%,比Nafion 117膜的电池均提高了5.1%。