全钒液流电池用聚苯并咪唑阴离子交换膜的制备与性能研究

来源 :上海应用技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tiger20091
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全钒液流电池(VRB)被认为有着广阔应用前景的大规模储能技术之一,具有安全性高、使用寿命长、容量设计灵活、响应速度快、建设周期短等优点。隔膜作为VRB的关键部件之一,直接决定VRB的循环寿命和能量转换效率。本文旨在制备一种离子电导率高、阻钒性能好,电池能量转换效率高,自放电速率低、循环寿命长、成本低廉的阴离子交换膜。本文第二章中采用共混交联法将聚醚苯并咪唑(OPBI)与部分季铵化的聚乙烯基咪唑鎓盐(QPVI)共混,加入交联剂1,6-二溴己烷交联成膜,成功制备了一系列的OPBI/QPVI-CL共混交联阴离子交换膜。考察了 QPVI在膜中含量的不同对机械性能、耐热性能、离子交换容量、吸水率、溶胀率和离子电导率的影响。与Nafion117膜相比,OPBI/QPVI-CL 共混交联膜具有极低的 VO2+渗透率(9.92 × 1 0-9 ~ 4.52 × 10-10 cm2·min-1 vs.4.23 × 10-6 cm2·min-1);用OPBI/QPVI-CL共混交联膜组装的VRBs单电池在低电流密度10 mA·cm-2下表现更高的库仑效率(94.9 ~ 97.5% vs. 72.7%)和能量效率(88.7~93.8%vs. 71.4%)。用OPBI/QPVl(3:7,质量比)-CL共混交联膜组装的VRB单电池在电流密度80 mA·cm-1进行充放电循环性能测试,经300圈充放电循环运行后能量效率未发生显著的衰减,表明OPBI/QPVI(3:7)-CL共混交联膜具有良好的循环稳定性。在第三章中,首先以6-溴己烯和N,N,N’,N’-四甲基-1,6-己二胺为反应原料,合成了一种双环氧端基季铵盐N,然后以该季铵盐N及双酚A二缩水甘油醚为交联剂,利用这两种物质结构中的环氧基团与一种聚苯并咪唑结构(H2N-PBI)中的侧氨基之间的交联反应,成功制备了一系列具有良好力学性能的新型阴离子交换膜。研究了聚合物H2N-PBI侧氨基与季铵盐N环氧基团不同摩尔比对机械性能、耐热性能、离子电导率、吸水率和溶胀率的影响。与Nafion212膜相比,用H2N-PBI-N(1:1.0,摩尔比)-A膜组装的VRB单电池在高电流密度80 mA·cm-2下具有更高的电压效率(77.1% vs. 73.8%)、能量效率(74.9 % vs. 72.2% )和充放电容量(275 m·Ah vs. 159 m·Ah )。用H2N-PBI-N(1:1.0)-A膜组装的VRB单电池在电流密度80 mA·cm-2下充放电循环100圈后能量效率未出现明显的下降,初步测试表明H2N-PBI-N(1:1.0)-A膜具有良好的循环稳定性。在第四章中,选用6-溴己烯和N,N,N’,N’-四甲基-1,6-己二胺作为反应原料,合成了一种单环氧端基季铵盐D,用聚合物H2N-PBI的侧氨基接枝该季铵盐D,加交联剂双酚A二缩水甘油醚交联成膜,成功制备了一系列季铵型阴离子交换膜。探索了H2N-PBI侧氨基与季铵盐N环氧基团不同摩尔比对机械性能、耐热性能、吸水率、溶胀率和离子电导率的影响。与Nafion212膜比较,用H2N-PBI-D(1:0.8,摩尔比)-CL膜组装的VRB单电池在电流密度10 ~ 80 mA.cm-2下具有更高的库仑效率、电压效率和能量效率,以及更低的自放电速率和更大的充放电容量。用H2N-PBI-D(1:0.8)-CL膜组装的VRB单电池在高电流密度80 mA.cm-2充放电循环100圈后,库仑效率、电压效率和能量效率没有发生衰减迹象,而且保持较高的放电残余容量72.4%,初步测试表明H2N-PBI-D(1:0.8)-CL膜具有优良的循环稳定性。
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