化学学报 ›› 2024, Vol. 82 ›› Issue (1): 16-25.DOI: 10.6023/A23080375 上一篇 下一篇
研究论文
投稿日期:
2023-08-10
发布日期:
2023-10-23
基金资助:
Xiangguo Teng, Liangwei Zhang, Xiaoyu Han, Guowei Li, Jicui Dai()
Received:
2023-08-10
Published:
2023-10-23
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钒电池(VRB)具有容量和功率相互独立、易于模块化、寿命长和安全性高等优点, 因此特别适合作为大规模储能系统使用. 隔膜是VRB的核心部件之一, 对电池的综合性能和成本影响巨大. 全氟磺酸膜如Nafion(杜邦)具有化学稳定性高、电导率高和机械性能好等优点, 因此是当前VRB中所广泛使用的商业化隔膜. 然而, Nafion用于VRB时存在着钒离子渗透率高和成本高两大主要缺点, 严重制约了VRB的商业化进程. 薄层复合(TFC)膜具有皮层和支撑层易调控、制备简单和离子选择性高等特点, 特别适合于在VRB中使用. 但是传统的聚酰胺型TFC膜在VRB强酸电解液中存在潜在的水解和分解问题. 为了制备VRB用高稳定性TFC膜, 本工作以聚乙烯亚胺(PEI)和三聚氰氯(CC)作为两相单体, 通过界面聚合法制备了不含酰胺基的聚胺型TFC膜并应用于VRB. 在此基础上, 对所制备复合膜进行了钒离子渗透率、单电池充放电性能、化学稳定性和长期循环稳定性等物化性能及电化学性能研究. 结果表明: 聚胺TFC膜(MT)的钒离子渗透系数为3.17×10-7 cm2•min-1, 远小于基膜M0 (30.89×10-7 cm2•min-1)和商业N 115膜(Nafion 115, 10.91×10-7 cm2•min-1). MT膜在40 mA•cm-2的电流密度下的能量效率(EE)高达86.2%, 远高于M0 (74.9%)和N 115 (80.0%)膜. 化学稳定性测试表明MT膜的钒离子渗透系数损失率为4.42%, 低于M0 (8.93%)和N 115 (4.86%). 在80 mA•cm-2的电流密度下100次充放电循环内, 所制备TFC膜具有稳定的库仑效率、电压效率和能量效率. 该TFC膜是理想的商业Nafion膜替代产品, 在VRB中有良好的应用前景.
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膜 | 质量损失率/% | 浸泡前钒离子 渗透系数/ (×10-7 cm2•min-1) | 浸泡后钒离子 渗透系数/ (×10-7 cm2•min-1) | 钒离子渗透系数 损失率/% |
---|---|---|---|---|
M0 | 2.85 | 30.89 | 33.65 | 8.93 |
MT | 1.66 | 3.17 | 3.31 | 4.42 |
N 115 | 1.73 | 10.91 | 11.44 | 4.86 |
膜 | 质量损失率/% | 浸泡前钒离子 渗透系数/ (×10-7 cm2•min-1) | 浸泡后钒离子 渗透系数/ (×10-7 cm2•min-1) | 钒离子渗透系数 损失率/% |
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M0 | 2.85 | 30.89 | 33.65 | 8.93 |
MT | 1.66 | 3.17 | 3.31 | 4.42 |
N 115 | 1.73 | 10.91 | 11.44 | 4.86 |
膜 | 电流密度/ (mA•cm-2) | CE/% | VE/% | EE/% | 文献 |
---|---|---|---|---|---|
全氟磺酸填充多孔聚乙烯 | 60 | ≈93 | ≈85 | ≈79 | [ |
三维聚偏氟乙烯多孔膜 | 100 | 96 | 85 | 82 | [ |
聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮 | 100 | 99.26 | 74.15 | 74.79 | [ |
磺化聚酰亚胺/聚乙烯吡咯烷酮 | 20 | 95 | 71 | 67.5 | [ |
Nafion填充多孔聚偏氟乙烯膜 | 80 | ≈93 | ≈73 | ≈68 | [ |
二维MFI 分子筛膜 | 80 | 97.5 | 77.2 | 75.2 | [ |
聚酰胺薄层 复合膜 | 80 | 99.2 | 92.8 | 92.1 | [ |
多巴胺改性的聚酰胺薄层复合膜 | 80 | 95.7 | 86.8 | 83.1 | [ |
层层自组装改性聚醚砜多孔膜 | 80 | 98 | 89.8 | 88 | [ |
聚胺薄层复合膜 | 80 | 97.9 | 79.8 | 78.1 | 本文 |
膜 | 电流密度/ (mA•cm-2) | CE/% | VE/% | EE/% | 文献 |
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全氟磺酸填充多孔聚乙烯 | 60 | ≈93 | ≈85 | ≈79 | [ |
三维聚偏氟乙烯多孔膜 | 100 | 96 | 85 | 82 | [ |
聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮 | 100 | 99.26 | 74.15 | 74.79 | [ |
磺化聚酰亚胺/聚乙烯吡咯烷酮 | 20 | 95 | 71 | 67.5 | [ |
Nafion填充多孔聚偏氟乙烯膜 | 80 | ≈93 | ≈73 | ≈68 | [ |
二维MFI 分子筛膜 | 80 | 97.5 | 77.2 | 75.2 | [ |
聚酰胺薄层 复合膜 | 80 | 99.2 | 92.8 | 92.1 | [ |
多巴胺改性的聚酰胺薄层复合膜 | 80 | 95.7 | 86.8 | 83.1 | [ |
层层自组装改性聚醚砜多孔膜 | 80 | 98 | 89.8 | 88 | [ |
聚胺薄层复合膜 | 80 | 97.9 | 79.8 | 78.1 | 本文 |
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