【摘 要】
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全钒氧化还原液流电池是利用不同价态钒离子之间的氧化还原反应来实现能量转换的新型二次电池。它具有高效、环保、能够大电流充放电、深度放电等特点。目前,有很多因素制约着
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全钒氧化还原液流电池是利用不同价态钒离子之间的氧化还原反应来实现能量转换的新型二次电池。它具有高效、环保、能够大电流充放电、深度放电等特点。目前,有很多因素制约着全钒氧化还原液流电池工程化的发展,其中,电解液的状态和负极电解液的稳定性等是重要的影响因素。
本文采用以草酸为还原剂的化学还原法制备了硫酸氧钒电解液,通过将其在全钒氧化还原液流电池电堆中进行充电,得到实验所需的各种价态钒电解液。提出了电解液中不同价态钒离子浓度以及四价钒电解液中草酸的高锰酸钾电位滴定方法,为掌控电解液的状态提供了重要依据。同时,研究了钒离子浓度、温度、酸度、充电状态、添加剂等因素对负极电解液稳定性的影响。
通过对V(Ⅱ)、V(Ⅲ)、V(Ⅳ)、V(Ⅴ)电解液的循环伏安分析,发现在石墨电极上,电解液的氧化还原行为都表现出不可逆性。采用高锰酸钾-硫酸亚铁氨体系对钒电解液进行了电位滴定分析。其中,高锰酸钟溶液可以把低价钒氧化成较高价钒,可用于检测V(Ⅱ)、V(Ⅲ)、V(Ⅳ)的价态和浓度;硫酸亚铁氨溶液能把V(Ⅴ)还原成V(Ⅳ),可用于测定V(Ⅴ)的浓度。该方法的相对标准偏差小于3.67%,可为全钒氧化还原液流电池电解液的价态和浓度的检测提供可靠的依据。
在采用草酸作还原剂制备全钒氧化还原电池电解液的过程中,会有残留草酸存在,其对电解液的电化学性能有一定的影响。基于高锰酸钾溶液电位滴定方法,实现了V(Ⅳ)电解液中残留草酸的定性、定量分析。结果表明,在V(Ⅳ)电解液中,用高锰酸钾溶液滴定草酸时终点电位在1070 mV左右。该法相对标准偏差小于3.6%,回收率达到98.7%~104.2%。此外,基于该电位滴定方法,分析了加热过程中残留草酸含量的变化,表明了加热可去除V(Ⅳ)电解液中残留草酸的可行性。本方法为全钒氧化还原液流电池V(Ⅳ)电解液中草酸的检测和去除提供了可靠的依据。
探讨了钒离子浓度、温度、酸度、充电状态、添加剂等对钒电池负极电解液稳定性的影响。研究发现,低温和高酸度是影响负极电解液出现沉淀的重要因素。充电状态也对负极电解液稳定性有重要的影响。同等条件下,负极电解液中V(Ⅱ)所占比例越高,电解液越不稳定。磷酸、硫酸铵或磺基水杨酸的加入能促进电解液的电化学反应,同时,磷酸或硫酸铵还能提高负极电解液的稳定性。结合红外、XRD等分析测试手段对实验过程中负极电解液析出的沉淀进行了分析。
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