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全钒氧化还原液流电池(钒电池)是一种新型环保储能设备,它具有寿命长、充放电速率快、成本低廉等优点。隔膜作为钒电池的关键组成部分,其性能的优劣和成本的高低制约着钒电池的发展。本文旨在开发一种可用于钒电池的综合性能优异的聚酰亚胺(PI)膜材料,为钒电池隔膜的发展提供新的思路。
分别采用低温两步法和高温一步法合成了两种二元共聚聚酰亚胺(ODPA-DMMDA,BTDA-DMMDA)和两种三元共聚磺化聚酰亚胺(SPI)(ODPA-BDSA/MDA,BTDA-BDSA/MDA)。选取ODPA-BDSA/MDA(SPI-1)作为离子传输膜材料,与另一种具有优良机械性能和化学稳定性的聚醚酰亚胺(PEI)共混制备五种不同SPI-1含量(10%,30%,50%,70%,90%)的SPI/PEI膜,考察其作为钒电池隔膜的基本性能,并与商用的Nafion117膜进行对比。
SEM照片显示,所得SPI/PEI共混膜为致密膜,表面无微孔缺陷。I-V曲线表明共混膜具有离子选择性,可优先选择传输离子半径较小的离子,而对半径较大的离了有一定的阻隔作用。拉伸性能测试表明在共混膜中掺杂PEI可增加其抗张强度,并且强度随PEI含量的增加而增大。此外,共混膜的吸水率(WU)、离子交换容量(IEC)和钒离子渗透率(P)均比Nafion117膜小,(面)电阻(AR)则大于Nafion117膜。并且随着SPI-1含量的增加,共混膜的WU、IEC和P均呈现增大的趋势,而AR随之减小。另外,共混膜在1M VO2+的硫酸溶液中表现出了非常良好的化学稳定性。
以自制等浓度的V(Ⅲ)/V(IV)混合溶液为电解液,SPI/PEI共混膜与Nafion117膜为隔膜组装静态钒单电池,在40mA/cm2电流密度下对电池进行恒流充放电实验,考察了共混膜的单电池性能。结果表明,低含量SPI-1(10%,30%,50%)的共混膜不适用于钒电池隔膜;在相同测试条件下,SPI/PEI-70%和SPI/PEI-90%共混膜组装的电池其能量效率(EE)高于Nafion117膜体系,儿EE(SPI/PEI-90%)略大于EE(SPI/PEI-70%)。说明此种聚酰亚胺共混膜在钒电池隔膜中具有良好的应用前景,且增加共混膜中SPI-1的含量有利于提高电池效率。
本论文的研究为聚酰亚胺在钒电池隔膜中的应用提供了一种新思路,对于钒电池隔膜的开发及利用具有一定的参考价值。