Nafion改性的全钒液流电池用离子交换膜的制备及性能研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:hanyuanji2008
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作为大规模储能系统,全钒氧化还原液流电池(VRB)具有寿命长、启动快、安全、绿色环保(电池的优点)电解液能够循环使用等优点。离子交换膜作为电池的关键部件之一,在电池中起到隔离电解液和传递氢离子的作用。由美国杜邦公司生产的Nafion系列膜因其具有高电导率和优异的物理化学性能而被广泛用作钒电池的离子交换膜。然而,在电池长时间的运行过程中,Nafion膜出现严重的钒离子渗透、电解液交叉污染等问题而导致电池的库伦效率大大降低,电池性能下降。因此,迫切需要研究开发一种钒离子渗透率低、离子选择系数高、电池库伦效率高的离子交换膜。本课题通过自组装的合成路线合成具有分布均匀、颗粒尺寸均匀的Nafion-SiO2纳米颗粒,通过调节添加物的浓度来控制纳米颗粒的大小,分别合成了0%,3%,5%,10%,15%的不同二氧化硅含量的复合膜,运用于全钒氧化还原液流电池(VRB)中,以降低Nafion膜的钒离子渗透率;为了减小由于硅的添加对膜的电导率降低的影响,将制备的自组装的Nafion/SiO2纳米复合膜在碱金属离子Na+保护下分别在240℃、270℃、300℃高温下进行热处理2小时,研究温度对复合膜物理、化学性能的影响。测试了热处理复合膜的电导率、钒离子渗透率等膜的基本性能以及测试了纯Nafion和热处理后的5%@Nafion/SiO2复合膜的全钒液流电池性能。研究结果表明:相比于纯Nafion膜,高温热处理的复合膜具有更低的钒离子渗透率,且相对于高温对复合膜电导率的影响,添加的二氧化硅对膜的电导率影响不大;由于低的钒离子渗透率和较高的电导率,复合膜表现了较高的离子选择性。且当二氧化硅含量为5%时,热处理的复合膜具有较好的离子选择性。对5%的高温热处理复合膜的单电池测试结果显示,复合膜具有比纯Nafion膜更加优异的电池性能;在65mAcm-2电流密度下,5%@Nafion/SiO2@270℃复合膜表现了很好的库伦效率和能量效率,分别为93.5%和83.9%。测试了纯Nafion和5%@Nafion/SiO2@240℃复合膜的自放电性能,实验结果证明了5%@Nafion/SiO2@240℃膜的自放电小于纯Nafion膜。综合实验的结果,高温热处理的Nafion/SiO2纳米复合膜可以在降低膜的钒离子渗透的同时而使膜的电导率不受影响,从而有效提高Nafion膜的性能。该实验结果将有助于Nafion膜在全钒液流电池体系的运用的研究。
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