论文总字数：18051字

摘 要

全钒氧化还原液流电池（简称钒电池）是一种大规模高效的储能技术，在风电、光伏发电和电网调峰等领域中都有着极其广泛的应用前景。钒电池的活性物质钒以离子的状态溶解于一定浓度的硫酸溶液中，因此电解液的稳定性对电池的性能影响很大。本文通过单体电池实验，考察了草酸、草酸铵、丙三醇、2-甲基咪唑四种添加剂的加入对电解液的电化学性能及钒电池的影响，重点考察添加剂的加入对电池容量衰减的影响。实验表明，质量分数为1%的丙三醇和2-甲基咪唑作为负极添加剂的加入，不影响电解液的黏度，并且能够较好地抑制钒离子的穿透和水迁移，从而有效地降低了钒电池的容量衰减。

关键词：全钒液流电池 电解液 添加剂 容量衰减

The Influence of Additives on Electrolyte and Vanadium

Redox Flow Battery

Abstract

Vanadium redox flow batteries (VRB) are the outstanding talents for the large amount of energy storage technologies, which have very wide application prospect in the fields of wind power, photovoltaic power generation and power grid peak shaving. As the active materials of VRB, there were different concentrations of vanadium ions in the sulfuric acid solution. For this reason, stability is very important for VRB. In this paper, the influence of 4 kinds of additives for vanadium battery, such as oxalic acid, ammonium oxalate, glycerol and 2-methylimidazole on electrolyte and VRFB were investigated by single-cell experiment. Especially focusing on the influence of additives on capacity fade. The 1% (wt) glycerol and 1% (wt) 2-methylimidazole were used as additives adding into the catholyte and did not influence the electrolyte viscosity. And the results showed that the additives can reduce the capacity fade of VRFB efficiently.

Key Words: Vanadium redox flow battery; Electrolyte; Additive; Capacity fade

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 储能技术的种类 1

1.2.1 压缩空气储能 2

1.2.2 抽水储能 2

1.2.3 锂离子电池 3

1.2.4 钠硫电池 3

1.2.5 液流储能 4

1.3 全钒液流电池 5

1.3.1 氧化还原液流电池 5

1.3.2 钒电池工作原理 6

1.3.3 钒电池结构 7

1.3.4 钒电池电解液的优化 8

1.3.5 添加剂对电解液的影响 9

1.4 本次研究的目的和意义 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验药品和仪器 11

2.2 实验方法 12

2.2.1 加入添加剂的电解液黏度的测定 12

2.2.2 电池性能研究 12

第三章 结果与讨论 15

3.1 添加剂对电解液黏度的影响 15

3.2 钒电池容量衰减 17

3.3 钒电池效率 20

第四章 结论与展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

能源是国民经济发展和人民生活的重要物质基础。化石燃料的使用促成了人类社会两次工业革命的巨大成就，同时也极大地丰富了人们的生活。然而，随着化石燃料的过度使用，能源枯竭以及环境污染等问题愈演愈烈。随着人们对环境的关注度逐渐增大，开发和推广清洁能源，对全球经济的持续发展与环境保护，都具有非常重要的战略意义。可再生能源包括太阳能、风能和潮汐能等，然而这些能源的使用会受到如地域、气候等诸多因素的影响，具有地区差异大、不稳定、能量密度低等特点，不仅加重了电网系统调峰的难度，同时还会对电网的电压、谐波等电能质量造成不良影响，限制了可再生能源的广泛使用^[1]。如果能将分散的能量以特定的形式储存起来，并连续输出，从而获得稳定且能量密度高的能量，那么可再生能源的弊端就可以得到有效地解决。因此，储能技术的开发应用就显得极为重要。

大规模的高效储能技术是解决可再生能源发电的非稳态特性的重要途径，发展储能技术已经成为世界各国关注的焦点。许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术。西方发达国家如美国德国等也相继签署设立了多项法案，旨在提高能源利用效率，为将来更多可再生能源的大规模推广应用创造条件，提高其储能技术的全球竞争力。我国政府高度重视储能技术的研究开发和实际应用，国家发展与改革委员会已将“大容量电能储存技术开发与应用”列为重点支持项目。另外，国家科技部也明确提出了大规模储能技术在风力发电中的应用示范要求，并积极支持投入储能基础理论研究和应用技术开发。

1.2 储能技术的种类

目前已经开发的多种电能储存技术，主要可分为物理储能技术和化学储能技术两大类。已经实现商业化或者达到示范应用水平的物理储能技术主要有抽水储能、飞轮储能、

压缩空气储能、超导储能及超级电容器；化学储能技术主要有铅酸电池、钠硫电池、液流电池、金属空气电池及先进二次电池，如镍氢电池、锂离子电池。不同的应用领域对于不同的储能技术有着不同的要求。以下对于几种大规模储能技术作一些简单的介绍。

表1-1 几种主要储能技术及其特点^[1]

1.2.1 压缩空气储能

燃气轮机在发电时，发电机与同轴的空气压缩机同时转动，产生压缩空气，利用此压缩空气使燃料燃烧发电，然而这一过程需要消耗大量的电能。如果通过其它的途径提供发电时所需的压缩空气，燃气轮机的全部输出都用于发电，同样大小的燃气轮机可提供更多的电能。利用用电低谷时的电力把空气压缩并储存，用电高峰时再通过气体涡轮机发电，这样不用增加涡轮机设备就可以增加高峰时的发电量，起到削峰填谷、平衡负载的作用。压缩空气储槽的建设方式主要有地下岩洞储槽和海底储槽两种。地下岩洞储槽是在坚实的岩石中挖掘出空洞，岩洞周围岩石的耐压性和气密性要好；海底储槽是将气密性好、耐压性高的储槽沉在海底，通过海水的压力提高储槽的耐压性。

1.2.2 抽水储能

抽水储能是目前技术上较为完善的大规模储能方式，它有传统的江河大坝高低位储水池方式和新型的海水抽水储能、地下储水抽水储能方式两种。传统的江河大坝高低位储水池方式受设置条件、地形及环境的制约较大；而新型的海水抽水储能、地下储水抽水储能方式受环境及地形的制约较小，建设成本相对较低。抽水储能可将电网负荷低时的多余电能转变为势能的形式储存，在用电高峰时再转变为电能，在电力系统中具有调峰填谷、调频、调幅等多种功能，可以提供几小时到几天的储存能量释放。海水抽水储能发电系统的“低位储水库”是大海，将海水抽水到高位储水池储存即可。与淡水抽水发电相比，海水抽水发电节省建设费用，但由于使用海水，所以对水管及抽水设备的耐蚀性方面有特殊要求。

1.2.3 锂离子电池

锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。其中，液态锂离子电池是指Li 嵌入化合物为正、负极的二次电池。锂电池根据正极材料分类主要有钴酸锂、磷酸铁锂等。锂离子电池负极材料主要有石墨、软炭、硬炭等。在石墨中有天然石墨、石墨碳纤维。在软炭中常见的有石油焦、针状焦、碳纤维、中间相炭微球等。锂离子电池具有高储能密度，输出电压高，能量效率可以达到90%以上，高低温适应性强，可以在–20~60℃的环境下使用。但锂离子电池均一性、安全性较差，而且电池组合及保护电路复杂，这些因素制约了锂离子电池在动力电池和大规模储能领域的应用。

1.2.4 钠硫电池

钠硫电池是1967年美国福特（Ford）公司首先发明的。钠硫电池主要是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等组成。负极的活性物质是熔融的金属钠，正极的活性物质是硫和钠硫化物熔盐，由于硫是绝缘体，所以一般是将其填充在导电多孔的炭或石墨毡里，具有良好钠离子传导性能的β-Al₂O₃既起到了固体电解质的作用，又起到了隔膜的作用，固体电解质只传导Na ，而对电子是绝缘体，外壳则一般用不锈钢等金属材料。钠硫电池充放电过程中电化学反应式如下：

负极： 2Na 2Na 2e^-

请支付后下载全文，论文总字数：18051字