探析多硫化钠溴液流储能电池的研究

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1、1¨nt{1讣壹¨rrUIl2：畸绁讣墒ojB¨28lHnH5^中国科学院研究生院博士学位论文多硫化钠／澳液流储能IU池I。冉研究指i十教mII』i．P≯{一级刖皓史抛蹙11圳培养-¨位学憾妓’t崎褪川议滴}K牛【t删f芎t员符辩垂啦会l：席术新l蛙教投摘要本论文工作系国家“863”能源技术领域支持课题的主要研究内容(课题编号2005AA516020)。目前面向大规模储能领域的多硫化钠／溴液流储能电池(PSB)使用的碳毡电极制各成本较高，而活性碳电极的应用性能较差，能量效率低于60％；制备多硫化钠的高温合成法以及硫化氢合成法，工艺复杂，成本高，不适合PSB大规模应用需求；商

2、业化阳离子交换膜选择性不高，陡期运行可造成阴、阳极离子互混构成交叉污染。本文采用浸渍还原和化学镀法成功地在碳毡基体上直接制备催化剂。化学镀法制备的催化剂分布较浸渍还原法均匀，10mgcm‘2担量即可形成连续的催化层；采用钻催化碳毡作为PSB负极，加mAcln-2循环能量效率大于80％，500h内性能衰减小于2％。活性碳电极加入了导电剂和造孔剂，初始能量效率提高至67。70％，但其传质性能仍不能满足实际应用需要．循环运行过程中电极内部发生硫累积造成效率较快衰减，其孔结构还需进一步改进。本文成功地在水相低温下配制阳极电解液并应用于PSB。采用溶液平衡模型预测了溶液组成与稳定性，

3、提高初始foH-]有利于保持阳极溶液pH恒定以及电池充电电压正常变化，而实验常使用的1．3MNa2S4+1．0MNaOHm极电解液具有足够的自分解稳定性。定性分析了PSB循环性能衰减机理与物流平衡，膜中硫沉积造成Na+传导率降低是电池效率下降的主要原因，而离子互混非常复杂，难以量化运行过程的电解质失衡、水失衡以及pH失衡。首次提出包括流体分配、离子渗透损失的漏电电流模型，并结合传质以及泵耗等因素，对大功率液流电池性能进行综合分析与优化，提出由子模块组群的电堆结构，集成并测试了1千瓦和5千瓦级PSB液流储能系统。此外，该系统设计成功应用于全钒液流储能电池。关键词：多硫化钠／溴

4、液流储能电池；催化电极：阳极电解液；循环性能；系统放大儿AbstractHantaoZhou(ChemicalEngineering)DirectedbyProfessorHuaminZhangTheworkdescribedinthisthesisissupportedbyNational863ProgramofChina(No．2005AA516020)．Atpresent，therearestillseveraltechnicalobstaclesforthecommercializationofsodiumpolysulfide／bromineflowbattery

5、(PSB)intendedforutilityscaleenergystorage．Firstly,thepreparationcostofcarbonfeltbasedelectrodesisconsiderablyhigh，whiletheactivatedcarbonbasedelectrodedemonstratesenergyefficiencylessthan60％．Inaddition，thesynthesismethodsofsodiumpolysulfidefrommeltsodiumandsulfurorH2Sareverycomplexandexpen

6、sive，sotheyarenotsuitableforlarge—scaleproduction．Furthermore，thepresentcommercializedcationexchangemembranedoesnotshow100％cationselectivity，soanionscanpermeatethroughitandcausecrossovercontaminationduringlongtermoperation．Impregnationfollowedhydrogenreduction(IR)andelectrolessplatingwerec

7、arriedouttopreparecatalystdirectlyoncarbonfelts．Thelattermethodshowsmoreuniformcatalystdispersionthantheformerthatonly10mgcm’2isneededtoformacontinuouslydepositfilm．Atcurrentdensityof40mAcm一，thePSBsinglecellusingCocoatedcarbonfeltasnegativeelectrodeillustrated