钒液流电池V（Ⅳ）/V（Ⅴ）的电极过程及石墨毡电极的改性研究

论文摘要

钒氧化还原液流电池是近年来开发出的一种新型储能电池,因其对环境友好、电解液无交叉污染、能够深度放电而且不会损坏电池等诸多优点得到了迅速发展。但目前钒电池在电极材料方面还存在很多问题,制约着钒电池的发展。现阶段电极材料主要有：金属电极,复合导电塑料电极和碳素电极。碳素类电极中的石墨毡是一种具有良好导电性的多孔材料,具有耐腐蚀、表面积大、成本低等优点,是钒电池的首选电极材料。近年来,为了提高石墨毡电极的电化学活性,石墨毡的表面修饰受到研究者的广泛关注。虽然钒电池性能受诸如隔膜、电极等多种因素的影响,但是正／负电极反应动力学的研究对电池性能的优化同样重要。本论文采用循环伏安法以及交流阻抗谱研究了V(Ⅲ)/Ⅴ(Ⅳ)和V(Ⅳ)/V(V)电对在石墨电极上的电化学行为,以及V(Ⅳ)/V(V)电对在石墨毡电极上的电化学行为。结果表明：V(Ⅳ)/Ⅴ(V)电对在石墨电极上的电极过程受电化学反应和扩散传质混合控制,并且反应速率受温度的影响较大；V(Ⅲ)/V(Ⅳ)电对在石墨电极上的反应受温度影响较小,电极反应为受扩散过程控制的准可逆过程；V(Ⅳ)/V(V)电对在石墨毡电极上的电极过程受电化学反应控制。采用双氧水对石墨毡进行预处理,用阴极电沉积的方法在石墨毡表面沉积Sn02。通过SEM对双氧水处理后以及沉积Sn02后石墨毡的表面形貌进行表征,采用循环伏安法研究了Sn02修饰后石墨毡电极的电化学性能。结果表明：双氧水处理后石墨纤维表面的沉积物已经除去,使表面变得光滑；电沉积得到的Sn02镀层能够均匀地包覆在石墨毡表面；Sn02修饰石墨毡后Ⅴ(Ⅱ)/Ⅴ(Ⅲ)、Ⅴ(Ⅲ)/Ⅴ(Ⅳ)、Ⅴ(Ⅳ)/Ⅴ(Ⅴ)电对的氧化反应峰电流均提高,反应峰出峰持续时间提高,说明Sn02对钒离子在电极表面的反应具有一定的催化作用,且Sn02修饰后延缓了电极的析氧,使电极在硫酸氧钒溶液中的电化学窗口变宽。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 全钒氧化还原液流电池的发展历史及研究现状
• 1.1.1 钒电池的发展历史
• 1.1.2 国外钒电池发展现状
• 1.1.3 我国钒电池发展现状
• 1.2 钒电池电极材料的研究现状
• 1.3 石墨毡电极存在的问题及其改性研究
• 1.3.1 石墨毡电极存在的问题及解决办法
• 1.3.2 石墨毡的氧化处理
• 1.3.3 石墨毡的表面修饰
• 2作为电化学催化剂的应用及制备方法'>1.3.4 SnO₂作为电化学催化剂的应用及制备方法
• 1.4 本论文研究目的和研究内容
• 第二章 实验
• 2.1 材料与试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验原理
• 2.3.1 循环伏安法测试原理
• 2.3.2 交流阻抗法测试原理
• 2.4 实验内容
• 2.4.1 电极的制作
• 2.4.2 石墨毡的预处理
• 2.4.3 石墨毡电沉积制备二氧化锡镀层
• 2.4.4 石墨毡电沉积二氧化锡后的形貌分析
• 2.4.5 电化学测试
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 石墨电极尺寸对获得较好电化学信号的影响
• 3.2 石墨电极上钒离子循环伏安行为的研究
• 3.2.1 温度对Ⅴ（Ⅳ）/Ⅴ（Ⅴ）电对氧化还原反应的影响
• 3.2.2 温度对Ⅴ（Ⅲ）/Ⅴ（Ⅳ）电对氧化还原反应的影响
• 3.2.3 Ⅴ（Ⅲ）/Ⅴ（Ⅳ）电对氧化还原峰电流之比的计算
• 3.2.4 扫描速率对Ⅴ（Ⅲ）/Ⅴ（Ⅳ）电对氧化还原反应的影响
• 3.2.5 不同换向电势下的循环伏安曲线
• 3.3 石墨电极上钒离子电极过程交流阻抗行为的研究
• 3.3.1 不同温度下Ⅴ（Ⅳ）/Ⅴ（Ⅴ）电极过程交流阻抗分析
• 3.3.2 不同极化电位下Ⅴ（Ⅳ）/Ⅴ（Ⅴ）电极过程交流阻抗分析
• 3.3.3 不同极化电位下Ⅴ（Ⅲ）/Ⅴ（Ⅳ）电极过程交流阻抗分析
• 3.4 石墨毡电极上Ⅴ（Ⅳ）/Ⅴ（Ⅴ）电对电极过程研究
• 3.4.1 不同温度下循环伏安曲线
• 3.4.2 不同温度下交流阻抗谱分析
• 3.4.3 不同极化电位下的交流阻抗谱分析
• 2修饰石墨毡的形貌及性能表征'>3.5 电沉积SnO₂修饰石墨毡的形貌及性能表征
• 2修饰后石墨毡的形貌分析'>3.5.1 预处理及SnO₂修饰后石墨毡的形貌分析
• 2修饰石墨毡电极的循环伏安性能分析'>3.5.2 SnO₂修饰石墨毡电极的循环伏安性能分析
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢