具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池性能特性

热再生电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)可有效地将低温热能转化为电能,但其较为严重的氨渗透现象严重影响电池的产电稳定性。本文通过可视化证明了TRAB阳极氨与电解液的自分层现象,基于此构建了一种具有高浓度氨腔室的立式热再生氨电池,通过构建高浓度氨腔室和阳极氨传输阻挡层来调控氨分布,从而缓解电池中氨渗透过程。研究结果表明,与常规结构的热再生氨电池相比,具有氨腔室的热再生电池通过调控阳极氨分布解决了氨渗透的问题,在较高氨浓度(6mol/L)条件下获得了更高的输出功率、产电量以及更稳定的产电性能。此外,多孔泡沫铜阳极可以阻挡氨向下传输,进一步缓解氨渗透。具有合适孔隙密度(80PPI)的多孔电极在获得较大反应面积的同时保证了其内部良好的物质传输,使电池获得最佳的输出功率(10.8mW)。

不同Cu2+浓度下热再生氨电池产电及Cu2+去除特性

热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)在废弃资源回收方面展现出独特优势和良好应用前景。通过构建TRAB来处理含Cu^2+废液并回收电能和铜资源,实验中研究了不同Cu^2+浓度对电池产电性能和废液Cu^2+去除效果的影响。研究结果表明,当阴极废液Cu2+浓度低于0.2 mol/L时,随着Cu^2+浓度的增加,电池最大输出功率不断增加,电池输出电压和产电周期不断增加,促使批次获得电量和能量密度也不断增加。同时采用TRAB技术去除废液中铜离子具有较高的去除效率,而且去除率随着废液中铜离子浓度的增加而增加。后续研究采用TRAB结合电凝法的两步处理法有望进一步提高处理效果,具有较好的经济性和应用前景。

采用泡沫铜电极的热再生氨电池性能数值模拟

以采用泡沫铜电极的热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)为研究对象,建立了多孔介质内物质传输与电化学反应耦合的稳态模型,计算获得了电池性能及多孔电极内物质传输特性,并研究了电解质浓度和电极孔隙率对电池性能的影响。研究结果表明,从主流区界面到多孔电极内部,阳极氨和阴极铜离子浓度逐渐降低,存在一定的浓度梯度,而且随着反应电流的增大,浓度梯度明显增大。在一定的范围内分别增大阳极氨浓度和阴极铜离子浓度,从主流区向多孔电极内物质传输增强,电池性能均能不断提升;随着硫酸铵浓度的增大,电解质电导率增大,电池性能逐渐提升,但增幅逐渐减小。此外,多孔电极孔隙率也会影响电池性能,本研究中TRAB在电极孔隙率为0.6时获得最高的最大功率(15.3 mW)。

不同基底材料复合电极对热再生氨电池产电性能的影响

针对热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)铜电极局部结构易被腐蚀断裂这一问题,构建了骨架结构相对较稳定的复合电极并应用于TRAB,研究了不同基底材料复合电极的电镀特性及其对TRAB产电特性和最大功率输出的影响。研究结果表明,与其他基底材料复合电极的电池相比,采用泡沫镍基底材料复合电极的TRAB虽电极表面积和镀铜量相对较小,但是具有较低的物质传输阻力和最小的欧姆内阻,从而获得最大的电压输出、最大的产电量和能量密度、最高的库仑效率和最高的功率输出(11.5 mW)。可见,泡沫镍作为TRAB复合电极的基底材料是一个相对较好的选择,同时需针对复合电极孔隙大小的影响规律开展后续研究。

不同负载下热再生氨电池产电及Cu^(2+)去除特性

热再生氨电池(thermally regenerative ammonia-based battery,TRAB)在利用低温废热产电的同时去除Cu^(2+),在含铜电镀废水的处理及资源回收方面具有独特的优势和良好的应用前景。而作为关键运行参数之一的负载不但影响电化学反应速率和产电性能,而且还会对Cu^(2+)去除效果产生影响。此外,氨渗透现象的存在极大地影响了Cu^(2+)的去除效果。本文在不同负载条件下对电池进行批次放电,探究负载对电池的产电特性及铜离子去除率的影响,利用循环伏安法探究不同氨浓度条件下阴极发生的反应。对产电后的阳极液进行热再生,探究不同再生温度对热再生过程、电池功率及Cu^(2+)去除率的影响。研究结果表明,随着负载的降低(电流增大),电池的产电量得到提升,批次处理所需的时间大幅缩短。并且较小的负载可以有效降低阴极氨渗透量,减弱副反应的发生,从而提升阴极库仑效率,因此获得较高的Cu^(2+)去除率。当负载为1Ω时获得了较大的产电量(350C),且处理时间缩短为2.1h,使得废水中Cu^(2+)的去除率达到80.5%。热再生过程对下一批次电池性能和阴极Cu^(2+)去除有重要影响,一定范围内提升再生温度有利于热再生过程的进行。

热再生电池氨再生过程强化

利用低温热能的热再生过程是热再生电池(thermally regenerative battery,TRB)系统的重要组成之一,针对TRB的产电和热再生过程,研究了使用再生电解液的TRB产电性能以及温度和强化传热传质措施对热再生过程的影响。研究结果表明,产电过程中,使用再生电解液的TRB最大功率为5.7 mW,比初始电解液的TRB(最大功率为6.5 mW)低14%;热再生过程中,提高温度可以明显强化热再生过程,采用玻璃球床和搅拌措施也可以有效提高热再生过程的性能。

流化床电极热再生氨电池性能特性

物质传输对热再生氨电池性能至关重要,本文构建流化床电极来强化物质传输和提升电池性能,研究了搅拌速率、铜颗粒含量、混合电极、氨浓度和支持电解质浓度等关键参数对流化床电极热再生氨电池性能的影响。研究结果表明,在一定范围内提高搅拌速率可以强化物质传输同时增加铜颗粒与集流器的碰撞,促进了电池性能(最大功率8.2 mW)的提升;增加铜颗粒含量和构建混合电极均有效提升电化学反应面积,电池性能明显提升;随着氨浓度的增加,阳极氨传输得到进一步增强,在氨浓度为2 mol/L时,得到最大功率13.4 mW,但在高浓度(3 mol/L)时严重的氨渗透现象致使电池性能(12.4 mW)下降;在一定范围内增加支持电解质浓度降低了电池内阻使得电池性能逐渐增加。

采用阴/阳极通流的热再生氨电池性能

构建采用阴/阳极通流的穿透电极型热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia-based Battery,TRAB),并研究了电解液/氨流量比、氨浓度、电极孔隙和支持电解质浓度对电池性能的影响。结果表明,电解液/氨流量比过低会导致氨渗透,恶化阴极性能,进而降低电池性能:通过增大流量比,可加强传质提升电池功率。一定流量比下,随氨浓度增加,电池性能逐渐提升,但过高浓度会引起氨渗透,恶化电池性能。电极孔隙密度越大,电极反应表面积越大,电池性能提升。随硫酸铵浓度增大,电解质电导率不断增大,电池性能逐渐提升,在高浓度(>2 mol·L^(-1))下,浓度增大对电池性能提升不明显。

传质对热可再生氨电池性能的影响

物质传输是影响热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia-Based Battery, TRAB)性能的一个重要因素,本文构建了基于不同传质方式的TRAB电池结构,研究了传质方式、电解液流量及氨浓度对TRAB性能的影响。研究结果表明,阴、阳极均采用蛇形流场板的TRAB性能(最大功率为71.8 mW)最佳,比阴、阳极单侧采用流场板的TRAB (67.0 mW)和双侧均采用双腔室的TRAB性能(44.4 mW)分别约高出了7.2%和61.7%对于阴、阳极均采用流场板的TRAB而言,电池性能随着电解液流量和氨浓度的增加均呈现先增后降的变化规律。