MXene改性全钒液流电池电极性能研究

1文献综述1.1选题背景近年来，随着全球气候变暖、污染加剧等现象的日益严重，可再生能源也引起了人类的普遍重视，在经济与社会的发展中，未来发展需要可持续、对环境影响较小的再生能源。其中最富有特色的是太阳光和风能，为减少全球能量成本持续上升和降低污染创造了重大机会，可再生能源对社会和经济发展起着极其重要的作用。然而，可再生能源在实质上是不稳定的，比如，在没有太阳和风时，能源会降低影响人们的生活质量，所以无论是太阳能还是风能，都需要性能优异的储能系统来储存能量，因此目前研究者们的主要任务是研究优良的储能设备。目前比较热门的储能系统主要有抽水储能、超级电容器储能、电化学储能，以及压缩空气蓄能等。然而这些系统受到较多方面的限制限制，比如昂贵的价格和需要适应强的工作环境。电化学储能较其他储能系统在这些方面具有更明显的优势，是最具有潜力和发展前景的的山。在目前的电化学储能系统中，被广泛使用的有锂离子电池、钠离子电池、镍氢电池、铅酸电池和氧化还原液流电池)。锂离子电池成本高、寿命短，更重要的是其电池容量由活性物质的特性决定的，所以在大规模储能系统应用方面受到了一定的限制)。对于钠离子来说，钠金属虽然具有价格低这一优势，但钠离子电池能量密度低，续航里程只有三元锂电池的67%，循环寿命短，目前供应链仍需要完善，除此之外，钠离子电池中的钠元素在高温下呈液态，它的安全性值得改善和提高。铅酸电池的比能量低、充电时间比较长、另外铅是一种有害重金属，污染环境，不妥善管理还会对身体健康产生影响4。在目前存在的电池储能系统中，被认为是最具优势和前途的是氧化还原液流电池。在各种氧化还原液流电池中，全钒氧化还原液流电池是被人们大规模使用的高效储能系统，全钒液流电池不仅容量大、寿命长，而且此设备不易起火、安全性能高，另外，循环寿命长、充放电效果好、容量和功率设计独立，因其电解液可循环利用，被认为是环境友好、环保的电池，另外在运行过程中，正负极的电解质溶液都是钒离子的不同价态，没有其它杂质离子，从而可以避免不同种类离子透过渗透膜而产生交叉污染。综合上述优势，全钒液流电池得到了长久的发展，目前已经大范围商业示范运行。1.2全钒液流电池工作原理全钒液流电池(VRFB)是在I985年由澳大利亚的Skyllas-Kazacos教授等人提出的，从此VRFB在学术界有了广泛的研究进展)。图1.1所示是全钒液流电池的结构示意图。AnolyteCatholyte图1.1全钒液流电池的结构图☒电极、电解质溶液、离子交换膜、集流体和双极板等是全钒液流电池的主要组成部分)。集流体在电池中起到收集电极电流，分配电流，从而起到可以提高电池的输出效率的作用：电极是VRFB中的核心部件，主要作用是将离子从一个物质传递到另一个物质，从而为电化学反应提供一个位置和平台：离子交换膜在电池中主要起将正负极离子分开，防止它们相互混合，还能起到防止两极因接触而短路的作用，从而可以提高电池的电解效率，全钒液流电池在使用的过程中，正极和负极的反应活性物质是不同价态的钒离子，把它们分别储存在正负极的电解液储蓄罐里，在电池开始运行时，泵装置也开始工作，将储蓄罐中的电解液分别通过泵装置送至电池内部，在电极表面发生氧化和还原反应，从而实现化学能和电能的相互转变，其电池工作原理图如图1.2所示，在放电过程中，正极电极表面的VO2+得到电子得到VO2+,负极电极表面的V2+失去电子转化为V3+,充电过程与放电过程正好相反，充电过程和放电过程相互可逆9，其充电过程的化学反应方程式如下：正极：VO2++H0-e→VO2++2HE0=1.00V负极：V3++e→V2+E0=-0.25V全反应：VO2+V++H0→VO2*+V2++2HtE0=1.25V由于电解液中存在不同形态的钒离子，所以使用的工作电压较理论值有一定的差距，一般在1.5V左右o。在这个值左右，电池可以正常工作和使用，从而输出稳定的电能，如果电压超出这个范围，就会导致电池损坏或失效，所以在使用过程中，我们要控制其电压在正常范围。图1.2全钒液流电池原理图☑1.3全钒液流电池的研究现状虽然全钒液流电池从提出至今已有多年的历史，但储存技术较高的成本和能量密度较低等问题严重限制了他们被大规模普遍使用。目前其还需要进行深度研究以解决这些问题，为了推动全钒液流电池的产业化应用，大量研究者们投入到电解液、离子交换膜、电极等关键技术的研究中，并取得了一系列突破性的成果，下面是近年来国内外主要的研究现状。1.3.1电解液作为系统中的能量存储物质，电解液的体积和浓度决定了全钒液流电池系统可储存的能量，钒离子浓度越大，比能量越高，同时电解液还需要高的稳定性，因此制备高稳定性的高浓度钒电解液来增大电池能量密度，是创造出具有优良性能VRFB的关键2。Faizur Rahmana等l]研究发现在6.0mol/LH2SO4溶液中3.0-3.5mol/L的VO2+电解液依然保持稳定。文越华等综合考虑了电极反应动力学和电池比能量等因素，得出电解液浓度在1.5-2.0mol/L和3mol/LH2SO4时是最好的。近几年，人们通过向电解液中加入适量添加剂来得到高浓度和高稳定性的电解液，L等研究发现在正极电解液中引入D-山梨醇，电解液的电化学性能有一定的提高，这主要是因为在电解液中引入了-OH官能团，从而加快了不同种电子的转移，J等研究发现添加向电解液中添加丙三醇，电解液的电化学性能提高，这主要由于电解液中增加了-OH官能团从而提高了电极的性能，Huang等通过把Mn+向阳极电解液中添加，当Mn2+浓度为0.04-0.13gL时，阳极电解液中发生反应的可逆性和电化学性能都有一定的提高，16，Peg等向正极电解液中添加三羟甲基氨基甲烷，发现电池的充放电过程中电化学性能有所提高，并且电池在放电过程中容量衰减减少。