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《重庆大学》 2008年
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钒电池关键材料及外通道流量分配研究

陈茂斌  
【摘要】: 钒氧化还原液流电池(简称钒电池)是利用不同价态钒离子之间的氧化还原反应来实现能量的转换,参加反应的活性物质是液态的钒离子,其功率由电堆决定,容量由电解液决定,这就增加了电池设计的灵活性,钒电池正负极的标准电势差为1.25V,在实际使用过程中,钒电池电压随着充放电状态的不同而发生变化。钒电池是一种高效、环保、大容量、能够大电流充放电、深度放电的液流储能电池。 钒电池发展至今已有二十余年,经过美国、日本和澳大利亚等国家的应用证明,钒电池技术日趋成熟,正步入大规模工业化前期。影响钒电池工程化的因素很多,其中电池关键材料集流体性能、负极电解液的可逆性和循环稳定性和外部支管电解液分配均匀性是重要的影响因素。本文设计并成功制备了大功率液流钒电池,为了提高电池综合性能,进行了一些基础性和工艺性研究工作,取得实用化成果,为钒电池工业化生产提供了重要依据。本论文研究了石墨集流体钒电池充放性能、制备和表征了聚乙烯和聚四氟乙烯导电塑料集流体性能;分析了对苯磺酸对负极电解液性能影响;主管在给定流量情况下,分析了钒电池外部支管的流量分配情况。 本文设计并组装了8个单体的石墨钒电池组,电极有效面积达到784cm2,通过恒流限压充放电法研究了钒电池的充放电性能,初步建立了石墨钒电池稳定运行的充放电模式。研究结果表明:钒电池较理想的充放电电流是50A(63.8mA/cm2),相应电池库仑效率是95.09%,能量效率是70.79%;钒电池充电容量随着充电电流的增加而降低,放电容量随着放电电流的增加而减少;在电流10~100A的条件下,电池组的充电电压平台在12.8~15.4V之间,放电电压平台在12.2V~10.1V之间;长期过充使得石墨集流体被腐蚀,这严重影响了钒电池集流体的使用寿命,从而也影响了钒电池的使用寿命,因此要严格控制钒电池的充电电压,单体电池的充电电压不能超过1.75V;组装了4个单体石墨钒电池组,在不同环境工作温度条件下,采用恒流限压充放电法研究了石墨钒电池的充放电性能,结果表明钒电池的较理想工作温度在26℃左右。 将原材料高密度聚乙烯(HDPE)颗粒、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯共聚物(SEBS)、乙炔黑、碳纤维、分散剂高速搅拌混合均匀,通过双螺杆挤出机造粒,最后注塑成型得到31mm×31mm×31mm聚乙烯导电塑料板,表征了聚乙烯导电塑料性能,并且组装成电极有效面积为784cm2,含有4个单体的钒电池组,进行了充放电性能研究。聚乙烯导电塑采用注塑成型,因此能够批量化生产,成本低。研究结果表明:聚乙烯导电塑料样品具有防渗漏、耐强酸腐蚀、耐过充电能力强以及电化学活性低性能;聚乙烯导电塑料导电性高,能够达到0.2?·cm,扫描电镜图表明导电塑料形成了导电网络;聚乙烯导电塑料拉伸强度为47.6MPa,断裂伸长率1.6%和电化学活性较低,能够满足钒电池集流体的使用要求;聚乙烯导电塑料钒电池能够在40A电流条件下充放电,能够满足钒电池在中等电流密度条件下的使用要求;聚乙烯导电塑料钒电池在反极条件下充电电压上升很缓慢,单体充电电压只能达到0.775V。 将聚四氟乙烯(PTFE)悬浮液、导电填料、蒸馏水混合均匀,脱水、烘干,异丙醇浸泡物料,碾压,模压,烧结等工序制得聚四氟乙烯导电塑料样品,表征了聚四氟乙烯导电塑料性能。研究结果表明:石墨是聚四氟乙烯导电塑料中较理想的导电填料;石墨用量77wt%的样品能够形成较完整的导电网络,相应的体积电阻率是0.070?.cm,拉伸强度12MPa;样品具有防渗漏、耐强酸腐蚀、耐过充电能力强以及电化学活性低性能;通过层积复合法和高温烧结工序能够大幅度地提高样品的导电性;性能测试结果表明样品适合用作钒电池的集流体。 通过循环伏安法研究了对甲苯磺酸对负极电解液性能的影响。研究结果表明:在2.0mo·L-1负极电解液里添加0.15wt%对甲苯磺酸,能够提高负极电解液的可逆性和循环稳定性。 主管在给定流量条件下,研究了钒电池外部支管的流量分配。分析了支管管径、支管入口速度、支管出口压力和介质粘度对钒电池外部支管流量分配影响。分析结果表明:在满流条件下,介质为水时,支管管径相同,从靠近入口的支管开始,由近及远支管的流量依次增加,当支管数增加到15时,最后支管的流量下降;支管出口压力和入口流速对支管流量的均匀性影响不大;在满流条件下,介质粘度在0.001Pa.s~0.07 Pa.s内变化,随着粘度的增大,各支管流量不均匀性增加,同时靠近主管入口的同一支管管道流量变大,而远离主管入口的同一支管管道流量变小;在满流条件下,当管路的支管数增加,主管直径增加时,介质粘度的变化对支管流量均匀性的影响增加。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TM911

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【引证文献】
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1 刘记;左春柽;于海明;左雨欣;张昭;刘鹏;;全钒液流电池双极板流道的建模及其优化[J];装备制造技术;2012年12期
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【参考文献】
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7 陈亚昕;郑克文;;氧化还原液流电池的研究进展[J];船电技术;2006年05期
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2 文越华;程杰;张华民;杨裕生;;液流储能电池电化学体系的进展[J];电池;2008年04期
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4 胡俊平;张琦;杨曦;施一宁;郑明森;董全峰;田昭武;;全钒液相储能体系的功率特性研究[J];电化学;2009年01期
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8 崔艳华,孟凡明;钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J];电源技术;2005年11期
9 赵平;张华民;周汉涛;衣宝廉;;全钒氧化还原液流储能电池组[J];电源技术;2006年02期
10 张华民;;高效大规模化学储能技术研究开发现状及展望[J];电源技术;2007年08期
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5 赵普,刘近朱,王齐华,杨丽君,李旭玲;聚苯酯、聚酰亚胺填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能研究[J];材料科学与工程学报;2003年06期
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7 陈立泉;混合电动车及其电池[J];电池;2000年03期
8 葛善海,衣宝廉,顾红星,张华民;高效率多硫化钠/溴储能电池的研究[J];电池;2003年01期
9 田波,严川伟,屈庆,李华,王福会;钒电池电解液的电位滴定分析[J];电池;2003年04期
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3 操秀英;科学家首次记录到大西洋山脊的紊流现象[N];科技日报;2007年
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7 记者 刘志良;金银币何以遭到腐蚀[N];金融时报;2007年
8 章南彪 王水木 王建祥;建筑与环保[N];建筑时报;2006年
9 特约记者 王占武 记者 曾毅 通讯员 于柏林;我国直接甲醇燃料电池技术研发获重要突破[N];光明日报;2009年
10 郭明波/译;“喂喂我吧!”机器人也要吃![N];北京科技报;2000年
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4 肖庆锋;TiO_2薄膜的电化学沉积及耐蚀性能研究[D];郑州大学;2007年
5 张建刚;AZ31镁合金阳极氧化新工艺的研究[D];重庆大学;2008年
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7 何美清;低碳钢稀土催渗耐蚀气体氮化[D];合肥工业大学;2007年
8 王刚;六硼化镧场发射阴极阵列的制备工艺研究[D];电子科技大学;2007年
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10 樊志罡;无铅钎料的电化学腐蚀行为研究[D];大连理工大学;2008年
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