| 题名 | 全钒氧化还原液流电池电极过程动力学特性及其对容量衰减的影响 |
| 作者 | 陈富于 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 严川伟 |
| 关键词 | 钒氧化还原液流电池 容量衰减 动力学 副反应 杂质离子 vanadium redox flow battery capacity attenuation kinetic side reaction impurity ions |
| 学位专业 | 腐蚀科学与防护 |
| 中文摘要 | "钒电池作为一种新型能量存储系统，具有可快速和大容量充放电、功率和容量可调等特性，是解决风能、太阳能存储的理想储能电源。钒电池正负极电解液为含VO2+/VO2+与V2+/V3+氧化还原电对的硫酸水溶液，其中不同价态钒离子是钒电池能量存储于转换的核心，硫酸不仅为导电介质，且参与正极电极反应。电池运行中，正负极活性物质分别参与电极反应，导电介质氢离子透过隔膜形成通路。因为电池正负极活性物质为离子形态，电极材料为惰性碳类材料，电极活性物质在充放电过程中没有消耗，电池的理论容量是不变的。但是，实验中发现随着充放电次数的增加，电池的容量逐次衰减。因此，研究钒电池运行中导致电池容量衰减的原因，对于提高活性物质利用率、延长电池寿命、推广电池应用至关重要。 本文首先利用紫外可见分光光度法定性和定量分析电解液中各价态钒离子浓度，便于实时监测电池的荷电状态和电解液的稳定性。通过正负极动力学过程的研究，找到导致正负极容量失衡的原因。通过对负极析氢副反应的研究，获得负极析氢副反应发生的条件、对电极材料及钒离子反应的影响。这是导致正负极容量失衡的又一重要原因。电解液中杂质离子的存在可能导致电池容量的衰减，分析了电解液中几种主要杂质离对电池性能及容量衰减的影响。 利用紫外可见分光光度法定性和定量分析电解液中不同价态钒离子浓度，不同价态钒离子标准曲线线性相关系数都大于0.9990，线性范围分别为0.326~ 2.445，0.326~ 2.445，0.720~ 5.403，1.784~ 13.437 g L-1，测定样品相对标准偏差(n=6)为0.594%~ 3.535%，满足钒电池电解液中钒离子价态分析的需要。 利用电化学方法（循环伏安法、电化学交流阻抗法）研究了正负极反应历程、控制步骤及典型条件下的动力学参数。正极电极过程是准可逆过程，且VO2+离子在电子转移之前存在前置的化学转化过程。负极是只涉及一个电子转移的准可逆过程。阻抗的高频段存在电化学极化，低频段表现为扩散控制电极过程。通过动力学参数的计算表明，同样条件下，正极的反应速率常数较大，离子的扩散速度较快。导致电池多次循环后，正负极反应速度失衡，电池容量衰减。 氢气在石墨电极上析出速率与极化电位、硫酸浓度及钒离子浓度有关。发生析氢反应后氢原子吸附在石墨表面增大石墨电子传递电阻且电阻值的增大与氢原子吸附量成正比。石墨表面含氧官能团C-OH、C-O-C与氢原子反应，导致含氧官能团数量减少和电极表面的腐蚀。含氧官能团数量减少抑制了V2+/V3+电对电化学活性。析氢副反应消耗电池电流，导致电池正负极容量失衡，容量衰减。 考察电解液原材料中几种典型杂质离子对电极电化学活性、析氢过电位及电池库伦效率、电压效率和能量效率的影响。结果表明Na+对电池性能没有影响，不会加速电池容量衰减速度。Fe2+加入电解液后，电池容量提高。SiO32-降低了电极反应活性、减小析氢过电位，降低了电池电压效率和能量效率，但是增大了电池的容量，且减慢了容量衰减的速度。Ca2+加速电池容量衰减。Cu2+在电池负极发生不可逆反应，生成的Cu单质吸附在电极表面，降低了析氢过电位值，负极发生析氢反应的电位增大，电池的性能下降、容量衰减。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64483]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈富于. 全钒氧化还原液流电池电极过程动力学特性及其对容量衰减的影响[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
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