筛分效应Nafion复合膜及其全钒液流电池性能研究

发布时间：2020-11-04 23:30

　　 全钒液流电池是一种重要的大规模储能装置。Nafion膜因其较高的质子传导率和优良的化学稳定性广泛用作全钒液流电池的隔膜。但同时由于其钒离子渗透严重,导致电池库伦效率较低,容量衰减速率较快等问题,限制了其更为广泛的应用。因此,对Nafion膜进行改性,提高膜的阻钒性能,增加膜的离子选择性已经成为研究热点。本文选择Nafion膜为主要基体材料,分别选取具有强筛分效应的ZSM-35分子筛和具有二维片层结构的氧化石墨烯(GO)通过溶液浇铸法和旋涂法对Nafion膜进行改性,增强膜的阻钒能力,提高膜的离子选择性,获得较高的电池性能。首先使用溶液浇铸法制备Zeolite/Nafion共混膜,在Nafion膜中引入无机的ZSM-35,限制Nafion膜的溶胀,并且利用ZSM-35的孔径筛分效应在保证质子传导率的同时增强膜的阻钒性能。结果显示,添加量为10%的共混膜具有最佳的综合性能。其钒离子渗透系数比纯Nafion膜(P.N)降低28.8%,离子选择性提高57.0%。在80 mA cm~(-2)时,库伦效率提高2.6%,能量效率提高2.9%。长循环测试圈数从28圈增加至42圈,其容量衰减仅为0.49%/循环,远远小于P.N的2.10%/循环。为了制备具有更强阻钒性能的复合膜,进一步采用旋涂法在Nafion212膜表面旋涂ZSM-35沸石层,利用沸石本征亚纳米孔的筛分效应来阻隔水合钒离子、传导水合氢离子,超薄旋涂层也减小了沸石对质子传导率的影响,因此提高了离子选择性。其中,ZSM-35含量为10mg/g的复合膜(M-10)旋涂层厚度为1.43μm,钒离子渗透明显减弱,与Nafion212相比,M-10的钒离子渗透系数降低93.6%,离子选择性提高了一个数量级。在100 mA cm~(-2)时,M-10的库伦效率在Nafion212的基础上提高5.8%,能量效率提高4.9%。在长循环测试中,M-10表现出优异的循环性能,其在循环进行到100圈时的容量衰减速率仅为0.29%/循环,远远小于只能进行50个循环的Nafion212(0.47%/循环)。最后,制备了强界面结合力的筛分效应GO/N212复合膜。通过对Nafion212基膜进行浸泡3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)溶液预处理,使得其表面含氨基的无机纳米颗粒与GO中的环氧基团产生分子键,强化界面结合力。使用不同二胺交联剂,调控旋涂层中GO层间距,增强筛分效应和膜层阻钒性能。其中,M-mXDA的渗透系数相比Nafion212降低84.1%,离子选择性提高3.54倍。在20 mA cm~(-2)时,库伦效率提高了36.8%,能量效率提高35.3%。循环测试至180圈时依然稳定,且其容量衰减速率为0.25%/循环,远低于Nafion212的0.47%/循环。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TM912

【参考文献】

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本文编号：2870767