《釩液流電池用離子交換膜的研究》7500字（論文）

––PAGE21–PAGE2\t"/kns8s/defaultresult/_blank"釩液流電池用離子交換膜的研究目錄TOC\o"1-2"\h\u27512釩液流電池用離子交換膜的研究 131368摘要 19027關鍵詞：全釩液流電池；兩性離子交換膜 1263651研究背景 2253412實驗 2221812.1主鏈聚合物的制備 2197502.2主鏈聚合物的接枝功能化 571422.3膜的性能測試 6258083數(shù)據(jù)及分析 10181183.1膜的吸水溶脹分析 1056873.2膜的核磁共振氫譜分析 1114323.3膜的掃描電鏡分析 1495443.4膜的離子交換容量分析 15102283.5膜的拉伸分析 16146333.6膜的電池性能曲線分析 17160153.7膜的面電阻及電導率分析 18136333.8膜的釩離子滲透率分析 1826283結論 1921339參考文獻 21摘要以對三聯(lián)苯，N-甲基哌啶酮，三氟苯乙酮作聚合物主鏈，將1，3-丙烷磺酸內酯側鏈接枝到不含芳基醚鍵的聚芳基哌啶主鏈上，采用聚合接枝法制備兩性功能化離子交換膜，利用季銨離子Donnan效應降低釩滲透率，磺酸基團提高質子傳導率，從而制備性能優(yōu)異的應用于全釩液流電池的兩性膜。制備的膜具有良好的吸水溶脹及機械性能能夠滿足全釩液流電池的安裝及操作要求，在全釩液流電池體系的應用中體現(xiàn)出了良好的電池性能,在60-200mA·cm-2下對膜的膜的電池的庫倫效率(CE)，電壓效率(VE)和能量效率(EE)進行了測試和研究，70-ps的CE在100mA·cm-2之后，70-ps的CE測試值均在99%以上。在60-200mA·cm-2的情況下100-ps的VE均高于Nafion212，在60-100mA·cm-2100-ps的VE測試值均大于90%；100-ps的樣品表現(xiàn)出了非常優(yōu)秀的能量效率，在200mA·cm-2下的測試值為81%。還對膜的面電阻以及電導率進行了測試，100-ps的面電阻最小為8.767Ω·cm2低于Nafion212的8.788Ω·cm2。關鍵詞：全釩液流電池；兩性離子交換膜1研究背景當今情況下社會資源短缺，石油資源預計還可以開采41年，天然氣資源預計還可以維持67年，地球環(huán)境遭受到破壞水土流失土地荒漠化嚴重，二氧化碳濃度增加，全球變暖，海平面上升，據(jù)統(tǒng)計每天約有75個物種面臨滅絕，在最近全球提出碳達峰，碳中和的大背景下，全球能源架構更趨多元化，可再生能源比重持續(xù)上升，全球持續(xù)推進電氣化進程，2020年煤炭等化石能源在全球一次能源占比下降。在新能源的開發(fā)和利用中，新能源的儲存和能量轉化是一個非常重要的問題，研制可以調節(jié)儲存容量，能夠快速存儲和釋放能量，能夠長時間使用且對環(huán)境造成的污染小的能量轉化裝置是在新能源開發(fā)的同時也蓬勃發(fā)展起來的引起人們密切關注的關鍵技術之一。但是例如風能，太陽能等能源存在間歇，不穩(wěn)定，不可控的特點，為了解決這一問題將這些能源利用起來服務于人類社會，電池便得到發(fā)展機遇，而在眾多電池中全釩液流電池因為通過不同價態(tài)的釩離子間相互轉化實現(xiàn)電能的存儲與釋放，是眾多化學電源中唯一使用同種元素組成的電池系統(tǒng)，具有能夠防止電解液交叉污染,降低運行成本，快速充放電，能量效率高，深度放電性能良好等優(yōu)點，可將不穩(wěn)定的電能輸入變?yōu)檫B續(xù)，安全可靠的輸出，解決了規(guī)模化利用太陽能，風能發(fā)電過程中的重大儲能技術問題，獲得了快速發(fā)展的機會。2實驗2.1主鏈聚合物的制備一般來講,陽離子交換膜的釩離子滲透率以及水遷移比較嚴重，陰離子膜的質子傳導率比較低，化學穩(wěn)定性差，而兩性膜既具有較高的質子傳導率同時還可以通過道南效應降低釩離子滲透率，所以本實驗設計制備一種釩電池用兩性膜，同時共混法制備兩性膜容易在制膜過程中導致沉淀的產(chǎn)生，而且單體的比例受限；輻射接枝法制備條件較難且步驟較多，同時輻射可能導致聚合物主鏈斷裂，所以本實驗設計采用合成含有陰陽離子基團的聚合物后制膜，這種方法可以通過調節(jié)單體結構和投料比例可以控制聚合物結構，進而對隔膜在釩電池中的性能進行調節(jié)。本實驗采用合成含有陰陽離子基團的聚合成不同比例的三單體聚合主鏈，加入1，3-丙烷磺酸內酯進行功能化控制其功能化程度，制備出質子傳導率高，釩離子滲透率低，機械性能良好，電池性能高的全釩液流電池用聚亞芳基哌啶兩性均質膜，并對不同功能化城的聚亞芳基哌啶兩性膜的結構，機械性能，電池性能以及釩離子的滲透和電導率等進行了研究和探討。2.1.1實驗原料及儀器實驗原料規(guī)格產(chǎn)地對三聯(lián)苯純度為99%阿拉丁公司1-甲基-4-哌啶酮純度≥98.0%阿拉丁公司2,2,2-三氟苯乙酮純度為98%安耐吉化學1，3-丙磺酸內酯純度為99%阿拉丁公司三氟乙酸純度為99%安耐吉化學三氟甲磺酸純度為99%安耐吉化學無水甲醇AR富宇試劑無水乙醇AR富宇試劑二氯甲烷AR富宇試劑乙酸乙酯AR富宇試劑二甲基亞砜AR富宇試劑實驗儀器型號廠家磁力攪拌器DF-101S鞏義予華儀器有限公司電熱恒溫干燥箱DHG-9037A上海精宏實驗設備公司紫外分光光度計TU-1900北京普析通用儀器有限公司電子分析天平AR2140美國Ohaus公司臺式高速離心機TG-16-WS湖南湘儀儀器公司電化學工作站IVIUM-N-STATN27133荷蘭Ivium公司傅里葉變換紅外光譜儀Nicolet6700美國賽默飛世爾科技公司藍電電池測試系統(tǒng)CT2001武漢市藍博測試設備有限公司拉力測試儀CMT8502深圳市新三思材料檢測有限公司核磁共振波譜儀DZF-6020富宇試劑二甲基亞砜AR富宇試劑2.1.2制備主鏈聚合物為了制備功能化程度不同的功能化產(chǎn)物，采取三單體進行聚合合成含有磺酸基團比例不同的單體聚合物，以100-ps的對三聯(lián)苯，N-甲基哌啶酮，三氟苯乙酮聚合物單體為例，控制N-甲基哌啶酮與三氟苯乙酮的摩爾數(shù)之和為對三聯(lián)苯的1.4倍，N-甲基哌啶酮的摩爾數(shù)與對三聯(lián)苯相同，即在50ml單口燒瓶中加入稱量好的1.842g對三聯(lián)苯，0.951gN-甲基哌啶酮，置于冰水中進行磁力攪拌，加入8ml二氯甲烷，調整磁力攪拌轉速使液面中間出現(xiàn)小漩渦，緩慢滴加1ml三氟乙酸，緩慢滴加6.4ml三氟甲磺酸，此時液面呈現(xiàn)靛藍色，反應5h，每隔一小時觀察其反應狀態(tài)，反應結束后在無水甲醇中進行析出。析出后磁力攪拌一小時，然后過濾取固體加去離子水以及無水碳酸鉀進行洗滌，重復水洗至堿性，將產(chǎn)物放入烘箱進行干燥。做90%，80%同100%主鏈，只需改變單體比例。不同比例的單體聚合物反應時間隨比例的降低逐漸延長，100%，90%，80%，70%反應時間分別為5h，6h，7h，8.5h。制備的流程示意圖如圖所示：圖6.主鏈聚合物合成流程示意圖2.2主鏈聚合物的接枝功能化2.2.1丙磺酸內酯功能化產(chǎn)物的的制備以制備100-ps的功能化產(chǎn)物為例，稱量1g100%的主鏈聚合物，2倍當量的1，3-丙烷磺酸內酯加入50ml燒瓶中，用量筒量取30ml二甲基亞砜，80℃進行反應12h，反應完成后將溶液進行離心，取上清液在乙酸乙酯中進行析出，用乙酸乙酯洗滌數(shù)次取白色粉末狀固體進行干燥獲得丙磺酸內酯功能化產(chǎn)物。制備90%-ps，80%-ps，70%-ps的功能化產(chǎn)物同100%-ps，只需改變1，3-丙烷磺酸內酯的質量。功能化的示意圖如圖所示：圖7.主鏈聚合物功能化流程示意圖2.2.2丙磺酸內酯功能化產(chǎn)物鑄膜分別取100-ps，90-ps，80-ps，70-ps的丙烷磺酸內酯功能化產(chǎn)物0.15g溶解于4.5ml二甲基亞砜（DMSO）中配制成鑄膜液，完全溶解后將鑄膜液9000轉離心10分鐘，用濾膜將鑄膜液過濾，調平烘箱放入干凈的玻璃板，將鑄膜液倒在玻璃板上，其規(guī)格為5×5cm，然后85攝氏度烘干12h，使烘箱充分烘干溶劑二甲基亞砜，烘干完全后用干凈的鑷子將膜小心取下，將制備的膜放入3m硫酸中24h，待膜與酸離子完全置換后，將其取出放入去離子水，以除去膜中多余的自由酸。為了與商業(yè)化用膜Nafion進行性能的比較，裁取5cm×5cm的Nafion進行活化：取出30%的過氧化氫溶液稀釋成5%的過氧化氫溶液，將Nafion膜放入5%的過氧化氫溶液中，將其放入80攝氏度的水浴鍋中水浴1.5小時，再將膜取出用去離子水沖洗，再將Nafion膜放入3M硫酸中，再將其放入80攝氏度的水浴鍋中水浴1.5小時完成Nafion的活化。2.3膜的性能測試2.3.1膜的吸水溶脹吸水率(WU)、溶脹率(SR)根據(jù)方程式，通過比較干膜和濕膜樣品的重量來測量膜的吸水率(WU，%)。ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Thong</Author><Year>2018</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="v29r2t2sl9vs24eptto5dpfxrde0twtvz2ep"timestamp="1652341243">13</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Thong,PhamTan</author><author>Sadhasivam,T.</author><author>Lim,Hankwon</author><author>Jin,Chang-Soo</author><author>Ryi,Shin-Kun</author><author>Park,WonShik</author><author>Kim,HeeTak</author><author>Roh,Sung-Hee</author><author>Jung,Ho-Young</author></authors></contributors><titles><title>HighOxidizingStabilityandIonSelectivityofHybridPolymerElectrolyteMembraneforImprovingElectrochemicalPerformanceinVanadiumRedoxFlowBattery</title><secondary-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</full-title></periodical><pages>A2321-A2329</pages><volume>165</volume><number>10</number><section>A2321</section><dates><year>2018</year></dates><isbn>0013-4651 1945-7111</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1149/2.1071810jes</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[13]根據(jù)溶脹率(SR)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Thong</Author><Year>2018</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="v29r2t2sl9vs24eptto5dpfxrde0twtvz2ep"timestamp="1652341243">13</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Thong,PhamTan</author><author>Sadhasivam,T.</author><author>Lim,Hankwon</author><author>Jin,Chang-Soo</author><author>Ryi,Shin-Kun</author><author>Park,WonShik</author><author>Kim,HeeTak</author><author>Roh,Sung-Hee</author><author>Jung,Ho-Young</author></authors></contributors><titles><title>HighOxidizingStabilityandIonSelectivityofHybridPolymerElectrolyteMembraneforImprovingElectrochemicalPerformanceinVanadiumRedoxFlowBattery</title><secondary-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</full-title></periodical><pages>A2321-A2329</pages><volume>165</volume><number>10</number><section>A2321</section><dates><year>2018</year></dates><isbn>0013-4651 1945-7111</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1149/2.1071810jes</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[13]可以定義為每個公式中濕膜和干膜之間長度變化的比率在測量吸水率和膨脹率之前，將膜在室溫下浸入去離子水ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Thong</Author><Year>2018</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[13]</style></DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="v29r2t2sl9vs24eptto5dpfxrde0twtvz2ep"timestamp="1652341243">13</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Thong,PhamTan</author><author>Sadhasivam,T.</author><author>Lim,Hankwon</author><author>Jin,Chang-Soo</author><author>Ryi,Shin-Kun</author><author>Park,WonShik</author><author>Kim,HeeTak</author><author>Roh,Sung-Hee</author><author>Jung,Ho-Young</author></authors></contributors><titles><title>HighOxidizingStabilityandIonSelectivityofHybridPolymerElectrolyteMembraneforImprovingElectrochemicalPerformanceinVanadiumRedoxFlowBattery</title><secondary-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofTheElectrochemicalSociety</full-title></periodical><pages>A2321-A2329</pages><volume>165</volume><number>10</number><section>A2321</section><dates><year>2018</year></dates><isbn>0013-4651 1945-7111</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1149/2.1071810jes</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[13]（DI）中24小時，然后用吸水紙擦拭干凈，以去除膜表面的自由水分。然后測量濕膜的重量、長度，然后將膜在100°C的真空烘箱中干燥24小時，然后再次測量。WU和SR可以使用以下等式計算：式中Ww和Wd分別為濕膜和干膜的重量；Lw和Ld分別是濕膜和干膜的長度。應該注意的是，膜的溶脹行為也可以通過考慮表面積的變化或濕膜的體積膨脹來評估。2.3.2膜的核磁核磁共振簡稱NMR，目前使用的核磁共振儀有連續(xù)波（CN）及脈沖傅里葉（PFT）變換兩種形式。連續(xù)波核磁共振儀主要由磁鐵，射頻發(fā)射器，檢測器，放大器及記錄儀等組成。磁鐵用來產(chǎn)生磁場，主要有三種:永久磁鐵，電磁鐵[磁感應強度可高達24000Gs（2.4T）],超導磁鐵[磁感應強度可高達190000Gs（19T）].頻率高的儀器，分辨率好，靈敏度高，圖譜簡單易于分析。磁鐵上備有掃描線圈，用它來保證磁鐵產(chǎn)生的磁場均勻，并能在一個較窄的范圍內連續(xù)精準變化。射頻發(fā)射器用來產(chǎn)生固定頻率的電磁輻射波。檢測器和放大器用來檢測和放大共振信號，記錄儀將共振信號繪制成共振圖譜。圖8.核磁共振氫譜示意圖將不同比例的聚亞芳基哌啶兩性膜各取5-10mg，使用氘代二甲基亞砜溶解，溶解后使用離心機進行離心，取上清液轉移至核磁針中，測試使用德國BRUKERAVANCEⅡ500MHzNMR光譜儀測試樣品的核磁共振氫譜。根據(jù)峰面積計算出各個樣品的功能化程度。2.3.3膜的電鏡膜的微觀結構使用NovaNanoSEM450場發(fā)射掃描電鏡進行測試，具體測試方法如下：取干燥后的膜材料，將其分割成0.2×0.2cm大小的方形材料，并使用雙面膠粘于觀察臺上。2.3.4膜的IEC離子交換容量（IEC）是反應膜內活性基團的濃度的大小和交換基團與反離子交換能力高低的一項性能指標，一般以每克干膜所含的交換基團的毫克當量數(shù)（meq/g,干）表示。IEC通常是通過摩爾滴定的方法測試的。將膜在玻璃板上裁成7mm款，50mm長的條，浸泡在3m硫酸中24h，使膜內充分攜帶質子，浸泡后取出轉移到去離子水中浸泡72h，將膜表面的酸洗去，取出轉移至0.01m的氯化鈉溶液中浸泡24h，使用0.01m的氫氧化鈉溶液進行滴定。2.3.5膜的拉伸用45*10mm的膜測試膜的拉伸強度，測試溫度為室溫，機器采用SANSmechanicalanalyzer，拉伸速率采取10mmmin?12.3.6膜的電池性能圖可以使用電池測試系統(tǒng)評估膜對VRFB電池性能的影響。充電和放電期間的測量用于確定庫侖效率(CE)、電壓效率(VE)和能量效率(EE)，它們由以下等式定義：其中IC和ID分別代表充電電流和放電電流，VC和VD分別是充放電電壓，T是充放電時間。使用實驗室制造的VRFB簡易單電池來測試膜的電池性能。膜的有效面積為9cm2，使用50mL3.0MH2SO4和1.5M二價和三價釩離子溶液作為負電解質，而正電解質則是50mL3.0MH2SO4和1.5M四價和五價釩離子溶液。通過LANHE電池測試儀（CT2001A，5V/3A）研究膜的電池性能（CE,VE,EE），測試期間的電流密度為40-200mAcm-2，溫度設定為30℃。將充放電處理的截止電壓設定為1.55V和1.0V，并且在80和120mAcm-2下進行充放電循環(huán)測試。當開路電壓（OCV）低于0.8V時，對單電池在50％充電狀態(tài)下的自放電耐久性進行測試并使其停止。釩電解液的配制：配制500ml釩電解液，取81.5ml濃硫酸，將濃硫酸緩慢倒入水中，并不斷用玻璃棒攪拌，轉移至容量瓶中，用去離子水潤洗燒杯壁以及玻璃棒數(shù)次轉移至容量瓶中，待溶液冷卻至室溫后進行定容，并超聲12h。2.3.7膜的面電阻及電導率膜的面積電阻（R，單位為Ω.cm2）可根據(jù)參考文獻進行測量。測試前將膜浸泡在電解質溶液中24小時。然后將膜固定在一個電導池中，該電導池由兩個填充了一定量電解質的半電池組成。電導池的兩個電極彼此保持固定距離并保持恒定的浸入深度。然后使用電化學阻抗譜(EIS)記錄帶膜和不帶膜的電池(r2)的電阻(r1)。忽略膜的厚度，面積電阻可以計算為：其中A為有效膜面積（cm2），r1為有膜電池的電阻（Ω），r2為無膜電池的電阻（Ω）。離子電導率（S.cm其中L是膜的厚度(cm)，R是膜的面積電阻(Ω.cm22.3.8膜的滲透釩離子通過膜的滲透性可以在擴散池中測量，擴散池有兩個由膜隔開的隔室.[53,54]第一個隔室(A)充滿了VOSO4溶液(1.0M)在2.0MH2SO4中，而第二隔室(B)中充滿了(1.0M)MgSO4在2.0MH2SO4中的溶液。MgSO4的作用是中和兩個隔室之間的離子力，以盡量減少滲透效應。兩個隔室在室溫下具有相同體積的溶液，并連續(xù)進行磁力攪拌。每隔12h采集一次MgSO4溶液樣品，在750nm波長處測量所有溶液的紫外可見峰，用紫外-可見分光光度計測量VO2+的濃度。釩離子的擴散系數(shù)（Pincm2.min?1）通過以下等式估算：其中L是膜的厚度，V是隔室A和B中溶液的體積，S是膜的有效面積，CA是隔室A中VO2+的初始濃度，CB(t)是隔室中VO2+的濃度瞬間(t)的隔間B。離子選擇性S(S.min.cm-3)定義為離子電導率(σ)與釩滲透率(P)的比值：3數(shù)據(jù)及分析3.1膜的吸水溶脹分析圖9.膜的吸水溶脹數(shù)據(jù)對比圖經(jīng)過計算對數(shù)據(jù)進行分析，由柱狀圖可以看出產(chǎn)品的功能化程度越高，吸水率越大，溶脹率也越大，且同一功能化程度的樣品可以看出吸水率約為溶脹率的3倍，與nafion相比吸水率除100-ps的吸水率均小于Nafion212，溶脹率方面除100-ps和90-ps的溶脹率略大于Nafion212，其余溶脹率均小于Nafion212，這與功能化產(chǎn)物結構有關，功能化產(chǎn)物的無氧主鏈為疏水結構，而接枝丙烷磺酸內酯為產(chǎn)物提供的磺酸基團為親水基團，由于功能化程度越高，單位功能化產(chǎn)物的磺酸基團越多，吸水能力越大，膜的吸水率越高。低溶脹率可以使膜具有出色的尺寸穩(wěn)定性，對于VRFB的測試提供了一定的機械和化學的穩(wěn)定性等。3.2膜的核磁共振氫譜分析圖10.70-ps功能化產(chǎn)物核磁共振氫譜70-ps的核磁共振氫譜如圖所示，證明成功合成目標產(chǎn)物。圖11.80-ps功能化產(chǎn)物核磁共振氫譜80-ps的核磁共振氫譜如圖所示，證明成功合成目標產(chǎn)物。圖13.90-ps功能化產(chǎn)物核磁共振氫譜90-ps的核磁共振氫譜如圖所示，證明成功合成目標產(chǎn)物。圖14.100-ps功能化產(chǎn)物核磁共振氫譜100-ps的核磁共振氫譜如圖所示，證明成功合成目標產(chǎn)物。圖15.1，3-丙烷磺酸內酯核磁共振氫譜1，3-丙烷磺酸內酯的核磁共振氫譜如圖所示，證明成功合成目標產(chǎn)物。3.3膜的掃描電鏡分析膜的表面電鏡圖片膜的斷面電鏡圖片3.4膜的離子交換容量分析圖16.膜的IEC數(shù)據(jù)對比圖由測試結果可以看出，隨著功能化程度的增加，測試樣品的測試IEC不斷增加，其中70-ps的IEC最低為0.785mmol/g，100-ps的IEC最高為1.641mmol/g，80-ps，90-ps，100-ps的測試IEC值均大于Nafion212的0.92mmol/g，這一結構可以通過產(chǎn)物的結構看出，隨著功能化程度的增加，含磺酸基團的側鏈比例不斷增加，膜的離子交換能力不斷增加，所以滴定測出的IEC的值不斷增加。3.5膜的拉伸分析圖17.膜的拉伸性能數(shù)據(jù)圖由拉伸分析圖可以看出隨著功能化的程度提升，親水性側鏈不斷增加，拉伸強度隨著溶脹的增加而逐漸減少；隨著功能化程度越來越高，柔性側鏈逐漸增加，斷裂拉伸應變逐漸上升。100-ps的斷裂拉伸應變最大為35.04%，但是仍小于nafion249.11%；70-ps的拉伸強度最大為33.44Mpa大于nafion的拉伸強度（19.35Mpa），拉伸強度對比看來，100-ps與90-ps的拉伸強度均要高于nafion，80-ps的拉伸強度與nafion相近，70-ps的拉伸強度比nafion要小。這些數(shù)據(jù)說明制備的膜的機械性能和柔韌性可以滿足全釩液流電池的組裝和操作要求。3.6膜的電池性能曲線分析圖18.膜的單電池性能圖膜的單電池性能圖如上圖所示，分別測試膜的電池的庫倫效率(CE)，電壓效率(VE)和能量效率(EE),對膜在60-200mA·cm-2的性能進行了研究，分析CE的曲線可以看出，隨著電流密度的增加，CE的測試值不斷上升，且在同一電流密度下可以發(fā)現(xiàn)功能化程度越低的膜所展現(xiàn)出來的CE越高，充放電循環(huán)后的能量損失越低，所有功能化程度的產(chǎn)物均比Nafion212的CE高，其中70-ps的CE最高，在100mA·cm-2之后，CE測試值均在99%以上。圖中還體現(xiàn)了膜的電壓效率，隨著電流密度的提升，電壓效率在逐漸下降，同一電流密度下，100-ps和90-ps的VE大于Nafion212，80-ps和70-ps的VE小于Nafion212，這一結果與面電阻有關，面電阻越小，釩離子滲透率越大，電壓效率越高，不同功能化程度的樣品中，100-ps的面電阻最小，結果也與之相符，100-ps的電壓效率最高，在60-200mA·cm-2100-ps的VE均高于Nafion212，在60-100mA·cm-2100-ps的VE測試值均大于90%；EE是全釩液流電池的能量轉化的重要的綜合指標，根據(jù)單電池性能圖可以看出，不同功能化程度的樣品的EE均大于Nafion212，其中100-ps的能量效率表現(xiàn)的最為優(yōu)秀，在200mA·cm-2下的測試值為81%。3.7膜的面電阻及電導率分析圖19.膜的面電阻性能圖由測試結果可以看出，隨著功能化程度的增加，功能化產(chǎn)物的面電阻逐漸降低，這是由于功能化程度越高，功能化產(chǎn)物所含磺酸基團越多，功能化產(chǎn)物的傳質子能力越強，其中70-ps的面電阻最大為8.927Ω·cm2，100-ps的面電阻最小為8.767Ω·cm2，100-ps的面電阻數(shù)據(jù)低于Nafion212的8.788Ω·cm2，丙磺酸內酯的接枝產(chǎn)物展現(xiàn)出了優(yōu)秀的質子傳導能力。經(jīng)過釩離子滲透測試，可以得到電導率的計算數(shù)值。3.8膜的釩離子滲透率分析由數(shù)據(jù)可以看出隨著功能化程度的提高，釩離子的滲透率逐漸提高，這一結構與產(chǎn)物的結構有關，功能化程度越高，產(chǎn)物含有磺酸基團的比例越高，磺酸基團傳導質子的同時也會使釩離子的滲透率更高。結論本文通過合成含有陰陽離子基團的聚合物后制膜的方法合成對三聯(lián)苯，N-甲基哌啶酮，三氟苯乙酮作聚合物主鏈，將1，3-丙磺酸內酯側鏈接枝到不含芳基醚鍵的聚芳基哌啶主鏈上，制備兩性功能化離子交換膜，利用季銨離子Donnan效應降低釩滲透率，磺酸基團提高質子傳導率，并將制備的兩性離子交換膜應用于全釩液流電池體系之中，通過對膜的吸水溶脹，核磁共振氫譜，掃描電鏡，離子交換容量，拉伸，單電池性能，面電阻及電導率以及釩離子的滲透率的測試可以得出以下結論：1.功能化程度越高，吸水率、溶脹率也越大，且同一功能化程度的樣品可以看出吸水率約為溶脹率的3倍；同時隨著含有磺酸基團的側鏈增加，拉伸強度隨著溶脹的增加而逐漸減少，斷裂拉伸應變逐漸上升。100-ps的斷裂拉伸應變最大為35.04%，70-ps的拉伸強度最大為33.44Mpa）；測試出的離子交換容量隨著功能化程度的增加也逐漸升高，其中70-ps的IEC最低為0.785mmol/g，100-ps的IEC最高為1.641mmol/g；釩離子滲透的結論。2.分別測試膜的電池的庫倫效率(CE)，電壓效率(VE)和能量效率(EE),對膜在60-200mA·cm-2的性能進行了研究，分析CE的曲線可以看出，隨著電流密度的增加，CE的測試值不斷上升，且在同一電流密度下可以發(fā)現(xiàn)功能化程度越低的膜所展現(xiàn)出來的CE越高，所有功能化程度的產(chǎn)物均比Nafion212的CE高，其中70-ps的CE最高，在100mA·cm-2之后，CE測試值均在99%以上。膜的電壓效率隨著電流密度的提升，逐漸下降，同一電流密度下100-ps和90-ps的VE大于Nafion212，80-ps和70-ps的VE小于Nafion212，100-ps的電壓效率最高，在60-200mA·cm-2100-ps的VE均高于Nafion212，在60-100mA·cm-2100-ps的VE測試值均大于90%；不同功能化程度的樣品的EE均大于Nafion212，其中100-ps的能量效率表現(xiàn)的最為優(yōu)秀，在200mA·cm-2下的測試值為81%。3.完成了探究的目的：1.探究主鏈聚合物的反應條件；2.主要探究聚合物側鏈接枝的反應條件；3.探究不同功能化程度的材料對膜的性能的影響。1.主鏈聚合物的反應條件為冰水浴反應，反應時間隨投料比例不同略有變化，不同比例的單體聚合物反應時間隨比例的降低逐漸延長，100%，90%，80%，70%反應時間分別為5h，6h，7h，8.5h。2.聚合物的側鏈反應條件為80攝氏度反應12h，主鏈聚合物為堿性進行投料

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