应用于氧化还原电池的氨基磺酸电解液研究

论文摘要

Ce3+/Ce44电对的氧化还原电位较高,具有极大的氧化还原电池开发潜力。本文工作首次研究了氨基磺酸（SA）应用于氧化还原电池支持电解质的性能,包括对氨基磺酸铈（III）电解液及Ce3+/Ce4+在SA中的电极过程进行了系统地研究,并通过加入添加剂进一步改善了电池体系充放电循环性能。研究了Ce3+/Ce4+电对在氨基磺酸电解质中的氧化还原反应及Ce3+氧化的动力学过程,得到相关动力学参数。研究结果表明,Ce3+/Ce4+电对在Pt电极上的反应是准可逆的,Ce3+/Ce4+电对在2.0MSA中的表观电极电位为1.52V。计算得到Ce3+的扩散系数D（Ce3+/SA）为5.93×10-6cm2·s-1,交换电流密度j0为5.95×10-4A·cm-2,标准速率常数k0为4.95×10-5cm·s-1。通过循环伏安,H+浓度为2.0M时Ce3+/Ce4+电对电极反应的可逆性最好,升高温度可加速反应的进行。研究了添加剂对氨基磺酸铈（III）电解液的电导率及电化学性能的影响。发现加入NH4+、K+、Na+能够增大氨基磺酸铈（III）电解液的电导率,能改善Zn-Ce氧化还原电池的充放电循环性能。计算得到,Ce3+在这些体系中的扩散系数分别为5.62×10-6cm2·s-1、3.91×10-6cm2·s-1和3.10×10-6cm2·s-1。当电流密度为20mA·cm-2, NH4+浓度为3.0M时,电池充电电压较低,以微孔膜为隔膜的电池稳定循环20次,平均能量效率（AEE）为47.8%,以离子交换膜为隔膜的电池稳定循环54次,库伦效率（CE）较高,AEE为47.2%。当MSA作为支持电解质时,以微孔膜为隔膜的电池稳定循环20次,AEE为46.7%,以离子交换膜为隔膜的电池稳定循环20次,CE较高,AEE为47.8%。从电池的成本及使用寿命上考虑,SA比MSA价格便宜,且腐蚀性低,说明以SA作为Zn-Ce电池的支持电解质具有它本身的优势。同时还研究了两种乙酸盐对氨基磺酸铈电解液性能的影响,发现NH4Ac使氨基磺酸铈（III）电解液电导率增大了,而NaAc却降低了氨基磺酸铈（III）电解液的电导率。二者均在一定程度上延长了电池体系的使用寿命,但都降低了放电电压平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 氧化还原液流电池
• 1.3 铈的应用
• 3+／Ce⁴⁺电对在不同支持电解液中的研究'>1.4 Ce³⁺／Ce⁴⁺电对在不同支持电解液中的研究
• 1.5 氧化还原电池添加剂的研究
• 1.6 氨基磺酸及其应用
• 1.7 本课题的研究意义及创新点
• 1.7.1 研究意义
• 1.7.2 主要研究内容及创新点
• 第二章 实验原理与方法
• 2.1 实验原材料及仪器
• 2.2 电解液的配制
• 2.2.1 正极电解液
• 2.2.2 负极电解液
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 电导率测试
• 2.3.2 粘度测试
• 2.3.3 电化学测试
• 2.3.4 充放电测试
• 第三章 氨基磺酸铈电解质及动力学研究
• 3.1 铈（Ⅲ）在氨基磺酸介质中的溶解度及稳定性
• 3.1.1 不同酸浓度下的氨基磺酸铈（Ⅲ）溶解度及稳定性
• 3.1.2 温度对氨基磺酸铈（Ⅲ）电解质溶解度的影响
• 3+／Ce⁴⁺电极反应研究'>3.2 Ce³⁺／Ce⁴⁺电极反应研究
• 3.2.1 循环伏安
• 3+的扩散系数'>3.2.2 Ce³⁺的扩散系数
• 3.3 Ce3+的电极氧化反应研究
• 3.3.1 极化曲线
• 3.3.2 高过电位区的动力学
• 3.3.3 低过电位区的动力学
• 3.3.4 交流阻抗
• 3.4 电极反应过程影响因素研究
• +浓度'>3.4.1 H⁺浓度
• 3.4.2 温度
• 3.5 本章小结
• 第四章 简单阳离子添加剂的研究
• 4.1 添加剂对电解液的粘度和电导率的影响
• 4.1.1 电解液的粘度
• 4.1.2 电解液的电导率
• 4⁺对电解液电化学性能的影响'>4.2 NH₄⁺对电解液电化学性能的影响
• 4.2.1 循环伏安
• 3+的氧化反应研究'>4.2.2 Ce³⁺的氧化反应研究
• 4.2.3 电池充放电性能
• +对电解液电化学性能的影响'>4.3 K⁺对电解液电化学性能的影响
• 4.3.1 循环伏安
• 3+的氧化反应研究'>4.3.2 Ce³⁺的氧化反应研究
• 4.3.3 电池充放电性能
• +对电解液电化学性能的影响'>4.4 Na⁺对电解液电化学性能的影响
• 4.4.1 循环伏安
• 4.4.2 交流阻抗
• 4.4.3 电池充放电性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 乙酸盐对电解液性能的影响
• 4Ac对氨基磺酸铈电解液性能的影响'>5.1 NH₄Ac对氨基磺酸铈电解液性能的影响
• 5.1.1 电导率
• 5.1.2 交流阻抗
• 5.1.3 电池充放电性能
• 5.2 NaAc对氨基磺酸铈电解液的影响
• 5.2.1 电导率
• 5.2.2 交流阻抗
• 5.2.3 电池充放电性能
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间主要研究成果