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在液流电池中,电解液既作为电池的离子导体,又作为能量的储存介质,所以电解液的性能决定了电池的整体性能。本文采用甲基磺酸作为钒电解液的支持电解质,来提高电解液的电化学性能以及热稳定性;同时结合液流电池以及具有电化学活性的有机物的优点,首次提出了全有机液流电池(AORFB)的概念。主要研究内容和结论如下:
(1)通过电解法电解以甲基磺酸为支持电解质的钒电解液,结果表明,先采用石墨电极后采用石墨毡电极进行电解时,电解过程的库伦效率最高;并且采用这种方法电解出的电解液极化最小(循环伏安峰电位差为82 mV),循环伏安峰电流最大(52.5 mA),且充放电性能最好。
(2)通过对2 mol/L V(Ⅳ)在不同浓度硫酸和甲基磺酸中的电化学活性进行循环伏安测试、极化曲线测试、充放电曲线测试、以及热稳定性测试。实验表明,2 mol/L V(Ⅳ)在7 mol/L甲基磺酸中的电化学活性最优,此时电解液的极化最小(峰电位差为82 mV),扩散系数最大((0.94-1.52)×10-6 cm2/s),电荷传递电阻最小(5.61Ω),交换电流密度最大(4.57×10-3 A/cm2),电极反应速度常数最大(4.74×10-5 cm/s),将此电解液组装电池进行充放电时,电池的电压效率和能量效率较高,并且五价钒离子在7 mol/L MSA中的热稳定性最好。
(3)将正、负极活性物质2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)和邻苯二甲酰亚胺分别溶解于支持电解液(1 mol/L NaC1O4的乙腈溶液)中,做为AORFB的正负极电解液,通过对正负极电解液的循环伏安测试,可以看出此体系为准可逆体系。根据不同扫速下循环伏安图可以计算得到TEMPO的扩散系数在(0.67-1.09)×10-5 cm2/s范围内,邻苯二甲酰亚胺的扩散系数在(0.66-1.06)×10-5 cm2/s范围内。采用静态电池对AORFB的充放电性能进行测试,从充放电图中可以看出,电池的充放电曲线平稳,而且重现性较好。