不同磺化度下的磺化聚醚醚酮对全钒储能液流电池性质影响的研究

本文报道了采用浓硫酸作为磺化剂,成功合成了不同磺化度下的聚醚醚酮(PEEK)膜,并深入研究了磺化条件包括磺化时间和磺化剂的用量对所获薄膜性能的影响,获得了在不同磺化度（DS）下SPPEK膜的离子交换容,含水率,机械性能,质子电导率等参数,特别测定了在全钒液流电池工作条件下钒离子(Ⅳ)渗透率,首次为该类液流储能电池使用价廉质优的质子交换膜提供了基础实验数据。室温条件下的实验结果如下：1）磺化12小时后,膜的磺化度46%,含水量为28%,钒离子(Ⅳ)选择性最佳（钒离子渗透率为1.2×10-7 cm2/min-1,是Nafion117 (2.9×10-6 cm2/min-1)的1/24）,其质子电导率只有0.02 S/cm;2）磺化96小时其磺化度达79%的膜,质子电导率达0.16 S/cm,是Nafion117 (0.10S/cm) 的1.6倍, 但其机械性能最差;3）与Nafion117膜相比,磺化在36到48小时的SPPEK膜其机械力学性能好,薄膜的钒离子渗透率、离子交换容IEC、质子导电率和含水率高,且对钒离子的选择性佳,尤其价格仅为Nafion膜的1/13,是理想的Nafion膜的代替物,可望直接应用于全钒氧化还原液流（VRB）电池中。本文还讨论了磺化时间和不同磺化剂量对膜的性质的影响。     

全钒液流电池用电极与质子交换膜的研究进展

钒氧化还原液流电池(VRFB),是一种环保、寿命长、安全性高、电化学性能稳定的新型电化学储能设备,是当前极具发展潜力的储能系统之一.电极与质子交换膜是钒液流电池的关键材料,对电池的电化学性能起着决定性作用.根据两种关键材料的原料与结构的不同,本文从电极与质子交换膜的分类、特点等方面进行了详细描述,并对两种关键材料的结构...     

全钒液流电池磺化石墨烯/Nafion复合膜的研究

本文通过磺化石墨烯对Nafion膜进行改性,研究了磺化石墨烯/Nafion复合膜（GRS-Nafion复合膜）的吸水率、电阻率和钒离子迁移数. 结果表明,经磺化石墨烯改性之后,GRS-Nafion复合膜的面电阻和钒离子渗透率显著降低. 全钒液流电池的测试结果表明,GRS-Nafion复合膜有着更加优异的电化学性能,展示出GRS-Nafion复合膜在液流电池中的应用潜力.     

自交联型磺化聚醚醚酮质子交换膜的合成

以含3,3'-二烯丙基双酚 A 结构单元的聚醚醚酮为基膜材料, 通过自由基加成反应在取代基上引入磺酸基团, 合成侧链型磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜. 用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、 核磁共振氢谱(¹H NMR)、 热重分析(TG)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对 SPEEK 的结构进行表征. 实验结果表明, 巯基丙磺酸被接枝在聚醚醚酮侧基上, SPEEK 膜具有明显的亲水疏水微相分离形貌, 磺酸基团相互聚集形成离子通道. SPEEK 膜离子交换容量为 2.12 mmol/g, 钒离子渗透率为 1.54×10^-6 cm²/min, 低于Nafion117 膜的钒离子渗透率, 阻钒能力优于 Nafion117 膜. 以 SPEEK-4 膜组装电池的自放电时间约为130 h, 长于 Nafion117 膜的 66 h. 电池充放电循环 50 次, SPEEK-4 膜的库仑效率、 电压效率和能量效率没有明显降低, 显示出良好的稳定性.     

全钒液流电池用PP/SiO_2纳滤膜的制备及性能研究

首次使用原位水解的方法成功制备了聚丙烯/二氧化硅(PP/SiO_2)纳滤膜,在PP膜表面形成了一层致密的SiO_2纳米聚合层,同时在膜的截面形成了由SiO_2连接而成的提供离子传输的通道;该膜制备成本低,制备工艺简单环保,相较于Nafion115膜具有非常优异的防水迁移性能和较好的离子选择透过性,具有较好的充放电循环性能,在50 m A/cm2电流密度下,充放电循环40圈后,库伦效率及能量效率分别保持在94.5%和75.4%。     

全钒液流电池离子导电膜

随着可再生能源技术的不断发展,全钒液流电池作为具有较大发展前景的大规模储能装置,受到了国内外的广泛关注.离子导电膜作为全钒液流电池重要的组成部件之一,对于电池的性能、使用寿命和成本有着关键性的影响.根据国内外的研究报道,本综述详细介绍了全钒液流电池离子导电膜的科研与应用进展以及所面临的技术难题,为高性能、低成本、长寿命...     

磺化聚醚醚酮与壳聚糖共混制备直接甲醇燃料电池用质子交换膜

给出了不同磺化度下的磺化聚醚醚酮(SPEEK)用作质子交换膜的一系列性能,另外提出了一种新型的酸碱共混质子交换膜,其中,磺化聚醚醚酮和壳聚糖分别被选为酸性、碱性高分子电解质,并对所制备的质子交换膜的相关性能如质子传导性,甲醇渗透性,吸水率以及膜溶胀性、热稳定性等进行了表征,结果表明此种新型复合膜尽管在质子传导性能方面有所下降,阻醇性能改变不大,但是膜溶胀性和吸水率方面有了较大的改善.磺化度为71.4%的SPEEK与壳聚糖以5∶1摩尔比共混制备的质子交换膜,其性质可以与商品化的Nafion 117相媲美,有望在甲醇燃料电池中得到应用.     

聚苯并咪唑/聚乙烯吡咯烷酮复合质子交换膜的制备及钒液流电池性能

将聚苯并咪唑(PBI)与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)共混, 制备了一系列PBI/PVP复合质子交换膜, 研究了不同PVP含量对PBI/PVP复合质子交换膜性能的影响. 研究结果表明, PVP的加入可有效提高PBI/PVP复合质子交换膜的吸水率及硫酸吸附量, 从而提高质子电导率, 与PBI原膜相比, PBI-PVP-5复合质子交换膜的结合酸含量可达2.47 mmol/g, 质子电导率达4.81 mS/cm, 选择性(3.12×10⁵ S·min/cm³)远高于原膜(1.12×10⁵ S·min/cm³). 电流密度为120 mA/cm²时, 电池的电压效率(VE)和能量效率(EE)均较PBI原膜提高了10%, 电池自放电时间长达307 h. PVP的加入为PBI系列钒液流电池隔膜提供了一个提高质子电导率的新思路.     

全钒液流电池的隔膜研究与应用

研究全钒液流电池的质子传导膜制备过程,提出高分子亲水/疏水相互作用诱导溶液相分离的成膜原理,进行制膜工艺放大,满足全钒液流电池的电堆制造与储能工程应用需要. 突破现有“离子交换”传质机理的限制,利用电解液中不同价态钒离子与氢离子相比,存在体积和荷电量的差异,通过离子“筛分”和“静电排斥”效应进行离子选择性渗透. 制成孔径分布在4 ~ 7 nm的聚偏氟乙烯质子传导膜,电导率为3.5×10-2 S•cm^-1,爆破强度高于0.3 MPa,面积800 mm × 900 mm. 利用扩散实验测定膜对H⁺/VO²⁺离子选择性,选择性系数达到306. 利用该质子传导膜组装的15 kW电堆,充电/放电循环性能稳定,电流密度达到100 mA•cm^-2,在700多个循环过程电流效率为93%,能量效率超过72%,具备产业化应用前景.     

基于磷钨酸功能化纳米纤维的超高质子/钒选择性的聚苯并咪唑膜在全钒液流电池中的应用

Proton exchange membrane (PEM) is a key component of vanadium redox flow battery (VRB), and its proton/vanadium selectivity plays an important role in the performance of a VRB single cell. Commercially available perfluorosulfonic acid (Nafion) membranes have been widely used due to their excellent proton conductivity and favorable chemical resistance. However, the large pore size micelle channels formed by the pendant sulfonic acid groups lead to the excessive penetration of vanadium ions, which seriously affects the coulombic efficiency (CE) of the single cell and accelerates the self-discharge rate of the battery. Additionally, the expensive cost of Nafion is also an important reason to limit its large-scale application. In this paper, the dense and low-cost hydrocarbon polymer polybenzimidazole (PBI) is used as the matrix material of the PEM, which is doped with phosphotungstic acid (PWA) to acquire excellent proton conductivity, and the intrinsic high resistance of PBI for vanadium ions is helpful to obtain high proton/vanadium selectivity. Considering the enormous water solubility of PWA and its easy leaching from membrane, organic polymer nano-Kevlar fibers (NKFs) are utilized as the anchoring agent of PWA, which achieves good anchoring effect and solves the problem of the poor compatibility between inorganic anchoring agent and the polymer matrix. The formation of PWA functionalized NKFs was characterized by scanning electron microscope (SEM) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. The anchoring stability of NKFs for PWA was evaluated by UV-Vis spectroscopy. The characterizations including water uptake, swelling ratio, ion exchange capacity, proton conductivity, vanadium ion permeability and ion selectivity were performed to evaluate the basic properties of the membranes. At the same time, the charge-discharge, self-discharge and cycle performance of single cell assembled with the composite membrane and recast Nafion were tested at various current densities from 40 to 100 mA∙cm^-2. Simple tuning for the filling amount of NKFs@PWA gives the composite membrane superior ion selectivity including an optimal value of 3.26 × 10⁵ S∙min∙cm^-3, which is 8.5 times higher than that of recast Nafion (0.34 × 10⁵ S∙min∙cm^-3). As a result, the VRB single cell assembled with the composite membrane exhibits higher CE and significantly lower self-discharge rate compared with recast Nafion. Typically, the CE of the VRB based on PBI-(NKFs@PWA)-22.5% membrane is 97.31% at 100 mA∙cm^-2 while the value of recast Nafion is only 90.28%. The open circuit voltage (V_OC) holding time above 0.8 V of the single cell assembled with the composite membrane is 95 h, which is about 2.4 times as long as that of recast Nafion-based VRB. The utilization of PBI as a separator for VRB can effectively suppress the penetration of vanadium ions, achieve higher proton/vanadium selectivity and superior battery performance as well as reduce the cost of the PEM, which will play an active role in the promotion of VRB applications.     

含氨基磺化聚芳醚酮砜质子交换膜的制备与性能

通过四元缩聚的方法合成了带有氨基的磺化度可控的磺化聚芳醚酮砜共聚物(Am-SPAEKS). 采用红外光谱和核磁共振谱表征了Am-SPAEKS共聚物的结构. 该共聚物膜具有较好的热性能、尺寸稳定性、较高的质子传导率和阻醇能力. 在80℃时Am-SPAEKS-1膜的质子传导率达到0.0894 S/cm, 而其甲醇渗透系数在25℃时为0.24×10^-6 cm²/s, 低于相同温度下SPAEKS膜(0.87×10^-6 cm²/s)和Nafion膜(2×10^-6 cm²/s). 结果表明, Am-SPAEKS膜能够满足质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用要求.     

磺化双酚芴型聚醚醚酮质子交换膜的制备及其在钒流电池中的应用

以双酚芴为结构单元合成双酚型聚醚醚酮聚合物,聚醚醚酮经浓硫酸磺化在双酚芴结构单元中引入磺化基团制备出聚醚醚酮质子交换膜(SF-PEEK)。 用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(¹H NMR)、热重分析(TG)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对聚醚醚酮质子交换膜的结构进行表征。 结果表明,磺酸基团被成功地在聚醚醚酮侧基上,SF-PEEK膜具有明显的亲水疏水微相分离形貌,磺酸基团相互聚集成形成离子通道。 SF-PEEK膜离子交换容量(IEC)达到1.97 mmol/g时,其电导率达到4.15×10^-2 S/cm,略低于Nafion117膜的5.67×10^-2 S/cm,但其钒离子渗透率仅为Nafion117膜的20.1%,表现出极好的离子选择性。 在钒流电池测试中,SF-PEEK膜在不同电流密度下库伦效率均高于Nafion117膜,其中IEC为1.97 mmol/g的SF80-PEEK608(80为SF的物质的量分数,608为60 ℃反应8 h)库伦效率在电流密度为40 mA/cm²时达到最大值80.9%,高于Nafion117膜的78.8%。 在自放电测试中,以SF80-PEEK608膜组装的电池的自放电时间为90 h,高于Nafion117膜的57 h。     

钒电池用季铵化杂萘联苯聚芳醚酮酮阴离子交换膜

以氯甲基辛醚为氯甲基化试剂, 对杂萘联苯聚芳醚酮酮(PPEKK)进行改性, 制备了氯甲基化杂萘联苯聚芳醚酮酮(CMPPEKK). 考察了氯甲基辛醚用量对氯甲基化程度的影响. ¹H NMR表明氯甲基成功引入到聚合物结构中. 采用溶液法制备了CMPPEKK基膜, 然后将其进行三甲胺胺化, 制备了季铵化杂萘联苯聚芳醚酮酮(QAPPEKK)阴离子交换膜. 表征了QAPPEKK的基本性能: 离子交换容量, 含水率, 面电阻. QAPPEKK膜的含水率随离子交换容量增加而升高, 面电阻随离子交换容量的增加而降低. 将QAPPEKK膜应用于全钒液流电池(VRB)中, 电池的能量效率达到85.0%, 电流效率为98.5%, 电压效率为86.3%.     

磺化聚醚砜/磷酸硼复合质子交换膜的制备与性能

采用sol-gel法成功制备了一系列有望用于高温质子交换膜燃料电池的新型磺化聚醚砜(SPES)/磷酸硼(BPO4)复合膜, 并经热重分析(TGA)-傅立叶变换红外光谱(FTIR)联用技术、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 复合膜较纯SPES膜具有更高的热稳定性和玻璃化转变温度, 较低的溶胀性及较高的氧化稳定性; SEM图片显示BPO4在聚合物基体中的分布十分均匀, 这将有利于连续质子传输通道的形成; 复合膜的质子传导率随BPO4含量的增加而增加, 当温度超过120 ℃后, 复合膜仍保持着较高的质子传导率, 这表明该复合膜在高温质子交换膜燃料电池中具有良好的应用前景.     

侧链型磺化聚芳醚酮/磺化聚乙烯醇复合型直接甲醇燃料电池用质子交换膜

通过溶液共混法制备了不同磺化聚乙烯醇(SPVA)含量的侧链型磺化聚芳醚酮/磺化聚乙烯醇(S-SPAEK/SPVA)复合膜. 应用红外光谱(FTIR)对复合膜进行了表征, 扫描电镜(SEM)显示SPVA均匀分布在复合膜中. 通过对复合膜的性能测试发现该系列复合膜具有良好的热性能、较高的吸水率和保水能力. SPVA中的羟基能有效地阻碍甲醇的透过, 甲醇渗透系数从S-SPAEK/SPVA5 复合膜的7.9×10^-7 cm²·s^-1降低到S-SPAEK/SPVA30的1.3×10^-7 cm²·s^-1, 比S-SPAEK膜的11.5×10^-7 cm²·s^-1降低了一个数量级. SPVA的引入增加了亲水基团数量, 增加了复合膜的吸水和保水能力, 有利于质子按照“Vehicle”机理和“Grotthuss”机理进行传递, 柔软的SPVA链段与S-SPAEK侧链聚集成亲水相区, 形成连续的质子传输通道, 提高了复合膜的质子传导率. 在25 和80℃ 时, S-SPAEK/SPVA30 复合膜的质子传导率分别达到了0.071 和0.095 S·cm^-1. 可见,S-SPAEK/SPVA复合膜有望在直接甲醇燃料电池中得到应用.     

可逆加成-断裂链转移自由基聚合法合成梳型磺化聚醚醚酮

以带双硫酯取代基聚醚醚酮为大分子链转移剂, 采用可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT)法合成不同接枝率的磺化聚醚醚酮(g-SPEEK), 并对其结构进行表征. 在单体/链转移剂/引发剂的投料比(摩尔比)为50:4:1, 温度为70 ℃, 反应24 h, 得到聚合物膜的离子交换容量和吸水率分别为1.312 mmol/g和43.51%, 其溶胀率为5.05%, 低于Nafion膜的11.50%. 热重分析(TGA)结果表明该梳型g-SPEEK具有较好的热力学稳定性, 且该聚合物膜具有与Nafion膜相当的抗氧化性. 在相同的离子交换容量下, 梳型g-SPEEK比主链型SPEEK具有更好的H⁺离子透过性能.     

磺化聚醚酰亚胺/聚醚砜共混型质子交换膜的制备及其性能

以磺化聚醚酰亚胺(SPEI)和聚醚砜(PES)为原料, 采用溶液共混法成功制备出了SPEI/PES共混型质子交换膜,并经热重分析、AFM、SEM等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 共混膜较纯SPEI膜具有更高的热稳定性和较低的溶胀性; 在室温环境下, 共混膜在干态和湿态时均具有优异的机械性能; 与纯SPEI膜相比, 共混膜的形态结构更为致密, 这将有利于降低甲醇的渗透性. 采用交流阻抗法和隔膜扩散法分别考察了膜的质子传导性和阻醇性能, 对于共混质量比为50/50的膜来说, 其质子传导率达到了5.5 mS·cm-1的水平, 能满足质子交换膜的需求, 但其甲醇渗透系数明显降低, 仅为市用Nafion 112膜的5%, 这表明该共混膜有望作为一种新型的直接甲醇燃料电池用质子交换膜.     

磺化聚芳醚酮砜/ZrO2复合型质子交换膜的制备与性能

通过溶胶-凝胶法制备了纳米ZrO2无机粒子,再通过溶胶共混法制备了不同ZrO2含量的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)复合膜,红外光谱显示复合膜中存在Zr-O-Zr吸收峰,扫描电镜照片显示纳米ZrO2无机粒子能够均匀地分散在SPAEKS聚合物基体中,未发生团聚现象.通过对复合膜的性能测试发现,纳米ZrO2无机粒子的引入提高...