石墨相氮化碳在聚合物电解质膜中的研究进展

燃料电池因具有能源转换效率高、近零污染、低噪音等优点受到广泛关注。聚合物电解质膜作为燃料电池的重要组成部件之一,其性能优劣决定了电池的实际表现。为解决聚合物电解质膜在稳定性及离子传导率方面存在的不足,无机纳米材料掺杂作为常规的改性手段应用到聚合物电解质膜材料中。近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_4)因其独特的结构特征和优秀的物化性能,被广泛应用于聚合物电解质膜材料的制备和改性。本文主要综述了g-C_(3)N_4的结构和性质,总结了g-C_(3)N_4基复合膜的制备方法,重点对目前g-C_(3)N_4在聚合物电解质膜中的研究和应用情况进行了综述,展示了其在聚合物电解质膜改性方面的重要成果,并对其在该领域未来的发展做出展望。

基于互穿网络技术构筑环境友好型聚合物电解质膜及其电化学性能

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为反应型乳化剂,丙烯酸丁酯(BA)、丙烯腈(AN)和丙烯酸(AA)为单体,利用互穿网络技术通过乳液聚合法制备了环境友好型聚合物电解质膜(M-ABAA),采用FTIR、XPS、SEM、TEM和TG对M-ABAA进行了表征;通过CV、EIS和充放电测试考察以M-ABAA为电解质膜组装的CR2032电池的电化学性能。结果表明,当m(AMPS)∶m(BA)∶m(AA)∶m(AN)=1∶3∶2∶2时,制备的M-ABAA(M2)的离子电导率为0.98 mS/cm,抗拉强度为7.53 MPa,断裂伸长率为90.4%,吸液率为150%,热收缩率为4%。M2与目前锂离子电池主流的正负极材料(LiCoO_(2)、LiMn_(2)O_(4)、LiFePO_(4)、NCM811)具有较好的相容性,普适性较好。以M2为电解质隔膜,金属锂为负极,分别以LiCoO_(2)和石墨为正极组装成半电池,0.2 C倍率下的首次放电比容量分别为141.3和347.1 mA·h/g,100圈循环后容量保持率分别为94.8%和85.0%;2.0 C倍率下,放电比容量分别为119.8和239.0 mA·h/g。

高温聚合物电解质膜燃料电池催化剂的研究进展

高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFCs)是一类将化学能转换为电能的能量转换装置,与传统的低温聚合物膜燃料电池相比具有诸多优势.目前HT-PEMFCs主要是以铂作为催化剂.铂基催化剂对于燃料电池氧还原反应(ORR)和氢氧化反应(HOR)有好的催化活性,但在HT-PEMFCs中通常需要高载量的铂基催化剂,以缓解磷酸在铂表面强吸附对活性表达的限制,其存在成本高、活性不足、长时间运行下活性降低及载体腐蚀等问题.本文总结了最近关于HT-PEMFCs催化剂的研究进展,系统分析了贵金属、非贵金属催化剂在HTPEMFCs中的应用前景,并对现阶段HT-PEMFCs催化剂的发展应用进行了展望.

碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能

燃料电池作为一种清洁高效的能量转换装置,被认为是构建未来社会可再生能源结构的关键一环。不同于质子交换膜燃料电池(PEMFC),碱性聚合物电解质燃料电池(APEFC)的出现使非贵金属催化剂的使用成为可能,因而受到了日益广泛的关注和研究。APEFC的关键结构是膜电极,主要由聚合物电解质膜和阴阳极(含催化层、气体扩散层)组成,膜电极是电化学反应发生的场所,其优劣直接决定着电池性能的好坏。因此,基于现有的碱性聚合物电解质及催化剂体系,如何构筑更加优化的膜电极结构,使APEFC发挥出更高的电池性能是亟待开展的研究。本文首先通过模板法在碱性聚合物电解质膜的表面构建出有序的锥形阵列,再将具有阵列结构的一侧作为阴极来构筑膜电极,同时,作为对比,制备了由无阵列结构的聚合物电解质膜构筑而成的膜电极,最后对基于两种不同膜电极的APEFC的电化学性能进行了对比研究。实验结果表明,锥形阵列结构可以将APEFC的峰值功率密度由1.04 W·cm^(−2)显著提高到1.48 W·cm^(−2),这主要归因于在APEFC的阴极侧具有锥形阵列结构的聚合物电解质膜的亲水性的提升和催化剂电化学活性面积的增加。本工作为碱性聚合物电解质燃料电池的膜电极结构设计与优化提供了新思路。

聚吲哚/聚丙烯腈聚合物基电解质膜的制备及性能

为代替纤维素纸(C-P)基电解质膜用于铝空气电池,利用静电纺丝技术制备了聚吲哚/聚丙烯腈(PIN/PAN)聚合物基电解质膜。采用SEM和FTIR对PIN/PAN纤维表面形貌及化学组成进行了分析。通过电化学工作站和电池测试系统分析了PIN含量对PIN/PAN聚合物基电解质膜离子电导率、离子扩散系数及固态铝空气电池放电性能的影响。结果表明,PIN/PAN纤维的孔隙率、吸液率、断裂伸长率与加入的PIN含量有关,同时对碱性溶液具有良好的吸附能力及机械性能,其中,PIN含量(以PAN溶液的质量为基准,其中,溶剂为N,N-二甲基甲酰胺,下同)为4%的PIN/PAN纤维(记为4%PIN/PAN纤维)的吸液率达496%、孔隙率为87.1%、断裂伸长率为8.7%,分别是C-P的3.2、1.1、3.8倍。基于PIN/PAN纤维制备的PIN/PAN聚合物基电解质膜可有效提升固态铝空气电池性能。其中,4%PIN/PAN聚合物基电解质膜在3、5、7 m A/cm^(2)电流密度下,放电时长比C-P铝空气电池分别提升约18%、32%、38%,离子电导率为6.7×10^(–4)S/cm,离子扩散系数为2.69×10^(–8)cm^(2)/S。

1~5 kW高温聚合物电解质膜燃料电池堆的理论模拟与组装测试

以大尺寸单电池(有效工作面积为165 cm2)和多片单电池组装而成的电堆为研究对象,通过数值模拟和实验测试相结合的方法探究了单电池数量对高温聚合物电解质膜燃料电池堆输出性能、单池一致性和热管理的影响。模拟结果显示,当电堆的单池数量从10片增加至60片时,平均单池电压从0.6414 V略微降低至0.6404 V,且单池之间电压极差从1.8 mV增加至6.5 mV;单池间的平均工作温度从431.01 K升高至433.90 K,且每单池自身工作温度的极差从6.95 K增加至10.22 K。表明随着电堆单池数量的增加,电堆的平均单池电压呈轻微下降趋势,且单池间电压极差变大,单池电压一致性有所下降,单池间的温差变大,其单池自身的均温一致性也有所降低,电堆热管理难度增加。在模拟结果的指导下分别组装了30、60和120片单池的高温膜燃料电池堆,在氢/空干气、33 A的恒流放电条件下,测得30、60和120片单池电堆的平均单池电压分别为0.6566、0.6548和0.6552 V,单池极差从24 mV增加到59 mV,与模拟结果显示出良好的一致性,验证了模拟结果的有效性。在氢/空干气计量系数为1.5/2.5的操作条件下,展示出了优异的输出性能,三个电堆在80 A电流放电时的输出功率分别达到1.35、2.64和5.28 kW。研究结果可为千瓦级高温聚合物电解质膜燃料电池堆的设计和组装测试提供理论和实践指导。

聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究

聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 mL/h的雾化量可以将电池内部平均温度降低10℃;非持性雾化后,在全工作电压范围内的电池性能得到明显提升。与未使用雾化相比,在6.0 V条件下雾化20 min的电池的电流输出增加20%。雾化技术还可以重新激活搁置的电池;雾化协同送风使电池性能几乎重新恢复到出厂前的状态,同时促进了电池高电流输出时的稳定性。电池极限输出功率比出厂前高出约24.9%。

美韩研究团队开发出一种耐疲劳电解质膜

韩国仁川国立大学与哈佛大学联合研究团队成功开发出一种耐疲劳的电解质膜。研究团队创造了一种由Nafion和全氟聚醚(PFPE)组成的互穿网络电解质膜。Nafion是一种常用的具有质子导电性的塑料电解质,PFPE则形成了一种耐用的橡胶聚合物网络,这种橡胶的加入虽然略微降低了电化学性能,但显著提高了耐疲劳阈值和使用寿命。研究团队测试了不同PFPE比例的电解质膜,发现50%饱和度的PFPE电解质膜表现出良好的电化学性能,与原始的Nafion膜相比,这种Nafion-PFPE膜将疲劳阈值提高了175%,并将燃料电池的使用寿命延长了1.7倍。此外,未改性的Nafion膜的使用寿命为242小时,而复合膜的使用寿命达到了410小时。该研究在众多领域具有重要意义,相关研究成果发表于《Advanced Materials》。

美韩研究团队开发出一种耐疲劳电解质膜

韩国仁川国立大学与哈佛大学联合研究团队成功开发出一种耐疲劳的电解质膜。研究团队创造了一种由Nafion和全氟聚醚(PFPE)组成的互穿网络电解质膜。Nafion是一种常用的具有质子导电性的塑料电解质,PFPE则形成了一种耐用的橡胶聚合物网络,这种橡胶的加入虽然略微降低了电化学性能,但显著提高了耐疲劳阈值和使用寿命。

用于聚合物电解质膜燃料电池中的质子导电膜

聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)是 2 0世纪 6 0年代兴起的第五代燃料电池 ,以其诸多优点正引起人们越来越多的关注和研究。其中作为电解质的功能高分子膜是这类燃料电池的“心脏”,起着隔离阴阳极、绝缘电子和选择性输运质子的作用。它的性能决定着 PEMFC的输出功率、电池效率、成本及应用前景。文中对这类膜材料 (包括全氟磺酸膜、掺杂酸型膜及接枝型磺酸膜等 )的结构、性能及发展现状作了综述 ,并指出在膜材料上的突破将使燃料电池成为 2

一种新型锂离子电池用聚合物电解质复合膜的制备和性能表征

阐述了一种新型锂离子电池用PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物树脂)基聚合物电解质复合膜的制备过程.对复合膜中使用的无机TiO2纳米颗粒进行固体超强酸化处理,并进行颗粒表面酸强度H0测试、XRD晶体结构分析以及复合膜的电解液吸附率测试和电化学阻抗谱测试.采用PE无纺布支撑体作为增强材料,以浸涂方法制备复合膜,并进一步组装为锂离子电池,性能测试表明该电池具有良好的电化学性能.

聚合物质子传导电解质膜的研究进展

聚合物质子传导电解质膜(或称质子交换膜)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的电解质和隔膜,其性能在很大程度上决定了PEMFC的性能。本文对目前已商业化的全氟磺酸膜和部分氟化膜以及目前正在大力开发的非氟化质子交换膜的状况及研究进展进行了介绍,并讨论了这些质子交换膜的结构、制备、性能以及它们在燃料电池中的应用。

PVDF-PEO交联复合型聚合物电解质膜研究

对使用聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氧化乙烯(PEO)共混并添加气相SiO2组成的聚合物电解质膜中的聚偏氟乙烯进行交联处理,得到交联复合型聚合物电解质膜。交联后的聚偏氟乙烯使聚合物膜具有良好的强度,聚合物膜中未交联的聚氧化乙烯能在电解液中溶涨,使聚合物膜具有良好的电导率并与电极具有良好的复合能力。比较了聚偏氟乙烯与聚氧化乙烯投料比例对交联比例、电导率的影响,在聚合物电池中进行了电性能初步试验。结果表明,所制备的聚合物电解质膜具有良好的高低温性能,与锂具有良好的相容性,组成的聚合物锂离子蓄电池具有良好的循环性能。

复合型聚合物电解质膜的研究

报导了一种复合聚合物电解质膜的制备方法,并对其结构和电化学性能进行了研究。与普通塑料化聚合物电解质膜相比,复合电解质膜具有机械强度高、变形性小、电导率高等特点,能满足聚合物锂离子电池的规模化生产。

多孔状聚合物固体电解质膜的制备与性能

采用微波热交联技术制备出了多孔状的PVDF/PMMA(聚偏氟乙烯 /聚甲基丙烯酸甲酯 )共混的固体电解质薄膜材料 ,电性能测试表明该固体电解质薄膜在室温下的电导率可达到 2 .0 5× 10 -3 S·cm-1,并具有良好的机械性能。用电导率、扫描电镜、X射线衍射和差热分析技术对该膜进行了分析 ,结果表明把PMMA掺入PVDF体系的固态电解质可以明显改善PVDF体系的固态电解质的强度 ,增加其柔韧性 ,同时也可以提高该固体电解质与电解液的亲合力 ,从而提高其吸液和保液的能力。

增塑剂对聚合物电解质膜性能的影响

为了研究聚合物锂离子蓄电池制备过程中增塑剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)对聚合物电解质膜性能的影响,采用交流阻抗法、扫描电镜SEM、拉伸强度测试等实验方法和手段,针对不同增塑剂DBP的添加量对聚合物电解质膜的微观结构、力学性能、吸附性能以及电导率的影响进行了系统的研究和分析。研究结果表明,当聚偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)与DBP比例为1∶2(质量百分比)左右时聚合物电解质膜具有较好的性能,吸液量290%,拉伸强度0.83MPa,电导率1.12×10-3S·cm-1。

燃料电池聚合物电解质膜

本文简要介绍了聚合物电解质膜燃料电池的定义、分类、工作原理及其特点,综述了国内外在燃料电池聚合物电解质领域的最新成果。对质子传导率与甲醇渗透系数的关系进行了初步探讨,详细评述了近年来AAPEM和ACPEM这两类聚合物电解质膜的研究进展,并对今后的研究趋势作了展望。

聚吡咯/聚合物固体电解质双层复合膜研究

在聚合物固体电解质 (聚乙二醇不饱和聚酯网络 -LiClO4 )中进行吡咯电化学聚合原位制得了聚吡咯 /聚合物固体电解质双层复合膜。用扫描电镜观察复合膜的界面结构 ,用循环伏安和交流阻抗法研究了复合膜的电化学掺杂脱掺杂性能。结果表明 ,聚吡咯 /聚合物固体电解质双层复合膜具有相互穿插渗透的固 /固密接界面结构 ,这种界面结构改善了聚吡咯和聚合物固体电解质间的界面接触 ,提高了聚吡咯在聚合物固体电解质中的电化学掺杂脱掺杂性能。

高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展

综述了近十几年来高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的研究进展及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用进展,指出了此类电解质目前存在的亟待解决的两个问题:咪唑类离子液体毒化Pt基催化剂和复合膜中离子液体的长期稳定性。最后对高温质子交换膜燃料电池用离子液体聚合物电解质的发展前景作了展望,即开发与Pt基催化剂相容的离子液体聚合物电解质以及预防复合膜内离子液体的流失,即提高高温质子交换膜燃料电池的性能及长期稳定性,最终提高高温燃料电池的寿命。

用于高温质子交换膜燃料电池的聚合物电解质膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池在降低燃料电池水热管理复杂性、催化剂中毒方面有明显优势;可改善电池阴阳两极尤其是阴极氧气还原反应的动力学特性,提高电池的效率。聚合物电解质膜作为关键材料之一,在高温时易失水导致质子传导率降低、机械强度和热稳定性不高等问题。本文基于磺酸、磷酸和离子液体等不同质子传递介质,对高温聚合物电解质膜进行综述,比较了各类聚合物电解质膜的优缺点及应用时存在的问题,着重探讨嵌段共聚物在高温聚合物电解质膜方面的潜在应用,指出离子液体的添加不但可作为质子载体,而且在构建嵌段聚合物结构方面可发挥"诱导剂"作用。提出通过分子设计可更好了解嵌段聚合物的空间构效关系,进而通过结构设计提高膜的质子传导性能和稳定性。