基于锰基配合物的液流电池的设计及其性能研究

作     者：杨永红 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许娟;邹亮亮

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：水系液流电池 锰配合物 Ni/Mn-MOF 超级电容器 

摘      要：随着科学技术的进步和经济的发展,全球对可再生能源的需求日益增加,但是大部分可再生能源(太阳能、风能、地热能等)需要配备高安全性、低成本和长寿命的储能系统作为可靠的备用电源。氧化还原液流电池(RFB)具有特殊的结构、优秀的可扩展性、灵活性和低成本,且能量和功率互不干扰,被认为是最灵活的能量存储系统之一。本论文设计开发了由高电位的锰基配合物或锰MOF作为阴极的水系混合液流电池(AHFB)。主要内容如下:1.选用乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)作为配体,在0℃的Na OH水溶液中,与Mn(III))配位,合成锰基配合物Mn(III))EDTA。然后分别以Mn(III))EDTA和甲基紫精(MV)作为阴极和阳极活性电解质,组装水系氧化还原液流电池,并测试了该电池的性能。结果显示,Mn(III))EDTA的电位为1.01 V;在25℃下,该RFB的库仑效率达到96%;经过100个充放电循环后,其初始充放电容量的48.6%被保留,平均每次循环的容量保留率约为99.5%。2.选用甲磺酸钠(MSA-Na)为配体来制备锰基配合物,以此作为阴极,与阳极甲基紫精(MV)配对,组装水系氧化还原液流电池。研究发现,当配体MSA-Na与金属Mn的摩尔比为5:1时,组装的水系氧化还原液流电池的电化学性能最佳:开路电压达到1.316 V;在电流密度30 m A cm时,RFB的能量效率达到约74%,库仑效率90%;在100个连续的充放电循环中,每个循环的容量保持率为99.2%。3.采用6-喹喔啉羧酸作为有机配体,氯化锰和氯化镍为金属源,合成出Ni/Mn双金属MOF,用于RFB的阳极。Ni/Mn-MOF在0.5 M KOH溶液中的平衡电极电位为0.527 V。与负极2,2’-双(3-羟基-1,4-萘醌)(bislawsone)组装成RFB电池后,电池电压为1.101 V;在1A g的电流密度下,电池的容量为55.8 m Ah g;经过1000次充放电循环后,58.3%的初始充放电容量可被保留,平均每循环的容量保留率约为99.96%。4.选用1,3,5-苯三甲酸作为有机配体,硝酸锰作为金属离子,通过水热法合成了Mn-MOF,同时用于超级电容器和水系混合液流电池。所制备的混合超级电容器在电流密度为0.5 A g时具有89 F g的优异比电容,在以1 A g的电流密度连续进行10,000次充放电循环后,91.8%的初始电容被保留。在组装的RFB中,以Mn-MOF为阴极,bislawsone为阳极,该电池在1 A g下的电流密度下的容量为49.17 m Ah g。经过500个充放电循环后,放电容量增长了约27.8%。