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全钒电池关键材料和能量效率的研究

吴雄伟  
【摘要】:自2009年有关环境污染问题的会议在哥本哈根召开以来,人们对燃煤和石油造成的大气污染等环境问题日益关注,并且随着全球能源资源的日益紧张。如何有效的保护自然环境,减少CO2气体的排放量,使全世界人民对能够提供更大的功率和能量的新型能源材料和储能系统的需求与日俱增。全钒氧化还原液流储能系统具有低成本、高效率、可深度放电能力、清洁和高效等独特的优势。目前,它已成为最具有应用前景的储能技术之一。但是,从提高全钒液流储能能量密度上考虑,在低成本高能量密度钒电解液的制备,电极的反应机理,以及新型钒电池的开发等,还有许多基础问题需要进 一步的研究。基于此,本文从采用两种方法制备钒电池的电解液,初步确立了钒电池电解液的制备方法,1)从我国丰富的钒资源着手,以冶金级V2O3和V2O5为原料,采用混合加热和自催化强化溶解相结合的方法制备钒电解液。通过UV-Vis光谱、循环伏安和充放电予以表征,理论计算了制备钒电解液VOSO4的吉布斯自由能变化△rGm,结果表明:该反应为放热反应,其吉布斯自由能变化为负值,属自发反应,该法工艺简单,生产效率高,终点易控,且可以制备高浓度电解液,适合工业化生产。该热力学分析为钒电解液的工业化提供了 一定的理论依据;2)以分析纯V2O5为原料,利用双氧水还原的方法制备钒电池电解液,并对五氧化二钒的溶解机理进行了研究。通过UV-Vis光谱分析和ICP测定,对钒电池电解液在电解过程中钒离子的价态变化和浓度变化进行表征。通过计算,得到了钒电解液制备的反应焓变和吉布斯自由能变化,结果表明:生成硫酸氧钒的反应为放热反应,并且该反应促进了五价钒离子的溶解。将所制备的电解液组装成动态电池,在电流密度为2.4mA cm-2时,电池的电流效率、电压效率、能量效率分别为93.6%、98.1%和91.9%,充放电结果表明:所制备的电解液具有很好的电化学活性,可以应用于钒电池。国标滴定法能准确的滴定钒电池电解液的浓度,但耗时较多,且不能确定钒离子的存在形态,针对这一难点,本文采用紫外可见分光光度法分析法,首次全面的分析了纯V(Ⅱ)体系,纯V(Ⅲ)体系,纯V(Ⅳ)体系,纯V(Ⅴ)体系,混合V(Ⅲ)/V(Ⅳ),混合V(Ⅴ)/V(Ⅳ)体系的检测方法。实验结果与国标法进行比较,误差在5%以内。新的检测方法有望应用于全钒液流电池的在线分析,促进全钒液流电池的产业化进程。 使用循环伏安法研究了VO2+/VO2+,V3+/V2+和Fe(CN)64-/Fe(CN)63-在碳纸,玻碳电极和热解石墨电极的电化学性能,其结果表明,碳纸在VO2+/VO2+和V3+/V2+的反应速率分别为3.60×10-4cm s-1和1.44×10-3cm s-1,比玻碳电极和热解石墨大了两个数量级,可望应用于全钒液流电池。 通过钒液流电池充放电实验,考察了不同的电极面积,电流密度和钒电池电解液浓度下电池的电压效率、电流效率、和能量效率的变化,所得实验结果与Butler-Volmer equation理论计算值一致。通过交流阻抗法,首次将过电位和内阻进行了分离;电极的有效面积通过Butler-Volmer equation计算,所得结果与BET进行比较,结果表明只有大约0.14%的电极面积参与了电极反应。所得结果对钒液流电池的产业化发展具有很重要的理论指导意义。 针对全钒液流电池低能量密度低(20~25Wh kg-1),只能应用于静态大规模储能这一现状,本论文首次提出新型固体钒电池这一概念,新型的固体钒电池采用VOSO4/(VO2)2SO4固体为正极电解质,V2(SO4)3/VSO4固体为负极电解质。新型的钒固体钒电池的理论电压为1.4V其能量效率为94%,这比传统的全钒液流电池高出了10%,新型的固液钒电池在电流密度为2mA cm-2和5mA cm-2时,其能量密度分别为62.90Wh kg-1和56.20Wh kg-1,这是传统全钒液流电池能量密度的2.5倍,前期的研究结果表明,新的固体钒电池有望用于动力汽车。


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