【摘 要】
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全钒氧化还原液流电池（Vanadium redox folw battery,VRB）凭借低成本、长寿命、环境友好和高安全性等优点,成为有效利用太阳能、风能的大型储能技术之一。当前广泛用于钒电池的商业隔膜Nafion由于价格昂贵且能量效率较低,限制了钒电池的推广和大规模使用。因此,寻找一种替代Nafion膜的低成本、高性能隔膜对钒电池的发展有重要意义。磺化聚醚醚酮（SPEEK）是一种成本低、制备工
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全钒氧化还原液流电池（Vanadium redox folw battery,VRB）凭借低成本、长寿命、环境友好和高安全性等优点,成为有效利用太阳能、风能的大型储能技术之一。当前广泛用于钒电池的商业隔膜Nafion由于价格昂贵且能量效率较低,限制了钒电池的推广和大规模使用。因此,寻找一种替代Nafion膜的低成本、高性能隔膜对钒电池的发展有重要意义。磺化聚醚醚酮（SPEEK）是一种成本低、制备工艺简单的钒电池用隔膜材料,一般磺化度越高,SPEEK的电导率越高,电池相应具有更高的电压效率,但是在实际应用中,受溶胀性能的影响,高磺化度SPEEK的机械性能很差,从而影响其实际应用性能。为此,本文将价格低廉的二维纳米材料——纳米六方氮化硼（h-BN）掺杂到SPEEK膜基质中,以浇铸法制备了杂化膜MBN/x%（x为h-BN质量分数）,探究了h-BN含量对杂化膜用于钒电池时电化学性能的影响,结果表明:疏水性的h-BN可以有效降低杂化膜的含水率和溶胀率,解决了高磺化度的SPEEK（磺化度为85.1%）机械性能较差与钒渗透系数较高的问题;当h-BN质量分数为7%时,杂化膜物化性能最为优异;与空白SPEEK膜M0相比,杂化膜MBN/7%的钒渗透系数降低了80%;当其用于钒电池时,在电流密度为40 m A cm-2时,MBN/7%的CE（库仑效率）、VE（电压效率）和EE（能量效率）分别为97.2%、91.8%和89.2%,远高于M0（CE为91.1%、VE为90.2%、EE为82.2%）和商业Nafion 117（CE为94.0%、VE为87.7%、EE为82.4%）;当电流密度提升到80 m A cm-2时,MBN/7%的EE仍能达到80.4%,远高于Nafion 117膜的74.5%。将MBN/7%膜用于钒电池时,其自放电时间可达233 h,是Nafion 117膜（60 h）的3.8倍;经过200次充放电循环,MBN/7%的容量保持率高达90%以上,效率保持稳定。除此之外,本研究还对分子筛/SPEEK杂化膜进行了研究。分子筛凭借其特殊的二维孔径体系被广泛用于分离领域,将ZSM-35分子筛掺杂入SPEEK膜基质中制备了杂化膜MZ/x%（x为ZSM-35质量分数）。掺杂ZSM-35可以有效降低杂化膜的钒渗透速率,但并不能提升其电导率。将不同含量ZSM-35的杂化膜用于钒电池,在50 m A cm-2的电流密度下MZ/7.5%表现出最高的效率:CE、VE、EE分为97.5%、88.3%、86.1%,自放电时间可达115 h,经过300次充放电循环无明显效率衰减。本论文最后对两种杂化膜的制备成本进行分析,其成本均低于500￥m-2(远低于商业膜将近12000￥m-2的市场价),有良好的应用前景。
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