高能量密度非水液流电池研究

摘要

液流电池被认为是一种最有前景的大规模储能技术，受到了越来越多的关注。水体系液流电池在商业化应用方面取得了重大进展，但是由于水的电化学窗口较窄，导致大多数水体系液流电池的能量密度低于25 Wh L-1，限制了其广泛应用。因此，研究开发新一代高能量密度的非水液流电池成为目前研究的热点之一。本论文将能决定液流电池能量密度的活性物质作为主要研究对象，研究开发了多个非水液流电池体系，考察了不同因素对电解液和电池性能的影响，测试了电池的循环充放电性能。 首先使用价格低廉的配体邻菲啰啉和非贵金属钴制备了一种钴金属配合物[Co(phen)3](PF6)2。用其作为非水液流电池正负极的活性物质，四乙基六氟磷酸铵作为支持电解质，乙腈作为溶剂，使用循环伏安法对电解液进行了测试。当使用电对[Co(phen)3]3+/[Co(phen)3]2+和[Co(phen)3]2+/[Co(phen)3]+作为电池的正极和负极时，电池的理论开路电压为1.45 V。结果显示，石墨电极表面具有较高的扩散速度；支持电解质浓度的变化对峰电流密度影响不大。在静态的 H-type电解池中，考察了电池的循环充放电性能，结果显示电池的库伦效率约为50-52%。 研究了一种新颖的Fe/Co非水液流电池，电池正极使用[Fe(phen)3]2+/[Fe(phen)3]3+电对，负极使用[Co(phen)3]+/[Co(phen)3]2+电对，支持电解质使用四乙基六氟磷酸铵，溶剂使用乙腈。结果显示该体系的理论开路电压达到2.1 V。考察了充放电电流密度对电池性能的影响，结果显示电池在大的充电电流密度和小的放电电流密度下，电池表现出较好的性能。循环充放电测试结果显示电池经过5个循环后达到稳定状态；稳定状态的电池库伦效率为80%，电压效率为40%，能量效率39%。 研究了一种新的负极电化学活性物质二苯甲酮。它具有较低的电极电势和良好的电化学可逆性，且在乙腈溶剂中有很高的溶解度。当支持电解质四乙基六氟磷酸铵的浓度为0.5 M时，二苯甲酮的扩散系数达到最高1.43×10-5cm2s-1(可逆状态下)；二苯甲酮在较宽的温度范围内保持稳定，且扩散系数随温度升高而变大。使用二苯甲酮作为负极活性物质，2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物作为正极活性物质的非水有机液流电池的开路电压达到2.41 V，理论能量密度达到139 Wh L-1。在流动态液流电池装置中进行了电池充放电性能测试，结果显示电池的库伦效率达到81%。 研究了一种具有高开路电压的非水有机液流电池。电池正极和负极的活性物质分别为2,5-二叔丁基1,4-二甲氧基苯和二苯甲酮。对使用混合活性物质的电解液进行循环伏安测试发现，电池的理论开路电压可以达到2.88 V。当在负极活性物质二苯甲酮上引入供电子基团甲基和甲氧基后，考察了基团对二苯甲酮电化学性质和溶解度的影响，结果显示二苯甲酮的电极电位随着供电子基团的增强而向负方向移动，进而使得电池的理论开路电压可以达到2.93 V和3.03 V；但是，溶解度呈现出相反的趋势。在流动态条件下，考察了电池的充放电性能，结果显示电池的库伦效率和电压效率分别达到71.8%和55.9%。

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2氧化还原液流电池

1.3非水氧化还原液流电池及分类

1.4本论文研究的主要内容和意义

第二章邻菲啰啉作为配体的非水全钴液流电池研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章新型非水Fe/Co液流电池研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章基于二苯甲酮的非水有机液流电池研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章具有高开路电压非水有机液流电池研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢