全钒液流电池用氮掺杂碳基电极的研究

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1、清华大学全钒液流电池用氮掺杂碳基电极的研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：武岚涛指导教师：席靖宇副研究员二○一七年五月ResearchontheNitrogen-dopedCarbonBasedElectrodeforVanadiumFlowBatteryThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinMaterialsScienceandEngineeringb

2、yWuLantaoThesisSupervisor:AssociateProfessorXiJingyuMay,2017摘要摘要全钒液流电池（简称为钒电池）因其具有容量大、寿命长、安全性好、环境友好等优点，成为近年来最受关注的大规模储能设备之一。电极是钒电池关键材料之一，其性能直接决定了钒电池的能量转化效率和功率密度。现阶段，钒电池中使用最广泛的电极材料是具有三维多孔结构的石墨毡。然而，原始石墨毡较差的电化学活性和电解液浸润性限制了钒电池性能的提升。本论文中采用氮掺杂的方法对石墨毡进行改性，得到了高活性的石墨毡复合电极，并利用完善后的电极评价方法对复合电极的电化

3、学活性进行了评估。对电极测试所用的三电极装置进行了改良，使其测试结果更加真实准确。对CV测试中电极面积和厚度的影响进行了分析，发现将体电流密度作为CV测试评估指标能更全面的反映电极的电化学活性。通过改变电化学测试电压，对钒电池中副反应的影响进行了研究。结果表明，当CV测试中电压范围过大时，待测电极表面会发生析氧或析氢副反应，对电极造成破坏并直接影响测试结果。当电池运行中充电截止电压过高时，正负极电极表面同样会有副反应发生，加速电池容量的衰减。对实验结果综合分析后，最终选定0.5~1.2V和−0.7~−0.3V分别作为正极和负极CV测试电压范围，选择1.6V为电池

4、充电截止电压，从而避免副反应对电极测试和电池运行的影响。采用多巴胺自聚合的方法将聚多巴胺直接包覆在石墨毡纤维表面，随后经过高温炭化过程，得到氮掺杂碳纳米球修饰石墨毡复合电极（NCS/GF）。对复合电极进行了多种理化表征，探究氮掺杂对石墨毡电极的作用效果以及对钒离子反应的催化机理。结果表明，复合电极的电化学可逆性和电解液浸润性要明显高于原始石墨毡电极。对XPS测试结果分析可知，氮掺杂引入的含氮官能团增加了电极表面的缺陷和空位，同时为钒离子反应提供了大量的反应活性位点，极大的提高了电极的物质传输速率和电催化效率。单电池测试结果显示复合电极在50~300mAcm−2的

5、电流密度下均表现出远高于原始石墨毡的能量效率及容量保持率。复合电极电池在150mAcm−2的高电流密度下经过343次循环后，放电容量保持率才降到50%以下。同时电池能量效率仍保持在69.4%，远高于原始石墨毡的60.3%。此外，复合电极在−15~50oC的宽温度范围内均表现出较高的能量效率且电化学性能稳定。关键词：全钒液流电池；石墨毡电极；电极评价；多巴胺自聚合；氮掺杂IAbstractAbstractRecently,vanadiumflowbattery(VFB)hasbecomeoneofthemostpromisinglarge-scaleenergys

6、toragesystemsbecauseoftheadvantageinlargecapacity,longcyclelife,securityandenvironmentfriendly.ElectrodeisoneofthekeymaterialsforVFBs,andtheperformanceofelectrodematerialsdirectlydeterminetheenergyconversionefficiencyandpowerdensity.Currently,graphitefelt(GF)withthree-dimensional(3D)

7、porousstructureisthemostwidelyusedelectrodematerialsinVFBduetothegoodconductivityandhighcorrosionresistance.However,thelowelectrochemicalactivityandpoorhydrophilicityonGFrestricttheperformanceofVFB.Inthispaper,wedescribeasimplemethodtoobtainthehighlyactivenitrogen-dopedcarbonnanosphe

8、resmodifiedg