釩電池關(guān)鍵材料及外通道流量分配研究.pdf

1、釩氧化還原液流電池(簡(jiǎn)稱釩電池)是利用不同價(jià)態(tài)釩離子之間的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，參加反應(yīng)的活性物質(zhì)是液態(tài)的釩離子，其功率由電堆決定，容量由電解液決定，這就增加了電池設(shè)計(jì)的靈活性，釩電池正負(fù)極的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)差為1.25V，在實(shí)際使用過(guò)程中，釩電池電壓隨著充放電狀態(tài)的不同而發(fā)生變化。釩電池是一種高效、環(huán)保、大容量、能夠大電流充放電、深度放電的液流儲(chǔ)能電池。
　　釩電池發(fā)展至今已有二十余年，經(jīng)過(guò)美國(guó)、日本和澳大利亞等國(guó)家的應(yīng)用證明，

2、釩電池技術(shù)日趨成熟，正步入大規(guī)模工業(yè)化前期。影響釩電池工程化的因素很多，其中電池關(guān)鍵材料集流體性能、負(fù)極電解液的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性和外部支管電解液分配均勻性是重要的影響因素。本文設(shè)計(jì)并成功制備了大功率液流釩電池，為了提高電池綜合性能，進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性和工藝性研究工作，取得實(shí)用化成果，為釩電池工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。本論文研究了石墨集流體釩電池充放性能、制備和表征了聚乙烯和聚四氟乙烯導(dǎo)電塑料集流體性能；分析了對(duì)苯磺酸對(duì)負(fù)極電解液性能影響

3、；主管在給定流量情況下，分析了釩電池外部支管的流量分配情況。
　　本文設(shè)計(jì)并組裝了8個(gè)單體的石墨釩電池組，電極有效面積達(dá)到784cm2，通過(guò)恒流限壓充放電法研究了釩電池的充放電性能，初步建立了石墨釩電池穩(wěn)定運(yùn)行的充放電模式。研究結(jié)果表明：釩電池較理想的充放電電流是50A(63.8mA/cm2)，相應(yīng)電池庫(kù)侖效率是95.09％，能量效率是70.79%；釩電池充電容量隨著充電電流的增加而降低，放電容量隨著放電電流的增加而減少；在電流1

4、0~100A的條件下，電池組的充電電壓平臺(tái)在12.8～15.4V之間，放電電壓平臺(tái)在12.2V～10.1V之間；長(zhǎng)期過(guò)充使得石墨集流體被腐蝕，這嚴(yán)重影響了釩電池集流體的使用壽命，從而也影響了釩電池的使用壽命，因此要嚴(yán)格控制釩電池的充電電壓，單體電池的充電電壓不能超過(guò)1.75V；組裝了4個(gè)單體石墨釩電池組，在不同環(huán)境工作溫度條件下，采用恒流限壓充放電法研究了石墨釩電池的充放電性能，結(jié)果表明釩電池的較理想工作溫度在26℃左右。
　　將

5、原材料高密度聚乙烯（HDPE）顆粒、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯共聚物（SEBS）、乙炔黑、碳纖維、分散劑高速攪拌混合均勻，通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)造粒，最后注塑成型得到31mm×31mm×31mm聚乙烯導(dǎo)電塑料板，表征了聚乙烯導(dǎo)電塑料性能，并且組裝成電極有效面積為784cm2，含有4個(gè)單體的釩電池組，進(jìn)行了充放電性能研究。聚乙烯導(dǎo)電塑采用注塑成型，因此能夠批量化生產(chǎn)，成本低。研究結(jié)果表明：聚乙烯導(dǎo)電塑料樣品具有防滲漏、耐強(qiáng)酸腐蝕、耐過(guò)充電能力強(qiáng)

6、以及電化學(xué)活性低性能；聚乙烯導(dǎo)電塑料導(dǎo)電性高，能夠達(dá)到0.2Ω·cm，掃描電鏡圖表明導(dǎo)電塑料形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；聚乙烯導(dǎo)電塑料拉伸強(qiáng)度為47.6MPa，斷裂伸長(zhǎng)率1.6％和電化學(xué)活性較低，能夠滿足釩電池集流體的使用要求；聚乙烯導(dǎo)電塑料釩電池能夠在40A電流條件下充放電，能夠滿足釩電池在中等電流密度條件下的使用要求；聚乙烯導(dǎo)電塑料釩電池在反極條件下充電電壓上升很緩慢，單體充電電壓只能達(dá)到0.775V。
　　將聚四氟乙烯（PTFE）懸浮液

7、、導(dǎo)電填料、蒸餾水混合均勻，脫水、烘干，異丙醇浸泡物料，碾壓，模壓，燒結(jié)等工序制得聚四氟乙烯導(dǎo)電塑料樣品，表征了聚四氟乙烯導(dǎo)電塑料性能。研究結(jié)果表明：石墨是聚四氟乙烯導(dǎo)電塑料中較理想的導(dǎo)電填料；石墨用量77wt%的樣品能夠形成較完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的體積電阻率是0.070Ω.cm，拉伸強(qiáng)度12MPa；樣品具有防滲漏、耐強(qiáng)酸腐蝕、耐過(guò)充電能力強(qiáng)以及電化學(xué)活性低性能；通過(guò)層積復(fù)合法和高溫?zé)Y(jié)工序能夠大幅度地提高樣品的導(dǎo)電性；性能測(cè)試結(jié)果表明

8、樣品適合用作釩電池的集流體。
　　通過(guò)循環(huán)伏安法研究了對(duì)甲苯磺酸對(duì)負(fù)極電解液性能的影響。研究結(jié)果表明：在2.0mo·L-1負(fù)極電解液里添加0.15wt%對(duì)甲苯磺酸，能夠提高負(fù)極電解液的可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性。
　　主管在給定流量條件下，研究了釩電池外部支管的流量分配。分析了支管管徑、支管入口速度、支管出口壓力和介質(zhì)粘度對(duì)釩電池外部支管流量分配影響。分析結(jié)果表明：在滿流條件下，介質(zhì)為水時(shí)，支管管徑相同，從靠近入口的支管開始，由近及