釩電解液在納米多孔質子膜中的動態遷移規律研究

張中洋，李 娟，賈明波，田 戈

（承德萬利通實業集團有限公司，河北 承德 067000）

釩電解液在納米多孔質子膜中的動態遷移規律研究

張中洋，李 娟，賈明波，田 戈

（承德萬利通實業集團有限公司，河北 承德 067000）

考察了不同電流密度、不同溫度下電解液在納米多孔質子膜中的遷移情況，在多次充放電循環后，釩離子與水均在負極積累，正極電解液體積線性減小，負極電解液體積線性增大，同時研究了電解液遷移對充放電容量的影響，研究表明， 釩離子的跨膜遷移會導致充電與放電瓦時容量在不斷衰減。

全釩液流電池；電解液；釩遷移；水遷移；瓦時容量

全釩氧化還原液流電池（以下均簡稱為釩電池）是氧化還原液流電池的一種。它采用不同價態的釩離子溶液作為正、負極活性物質，其中正極為V4+/V5+電對，負極為V2+/V3+電對[1,2]，正、負極電解液通過外接循環泵從儲液罐導入電池中并在電極上發生氧化還原反應，電池正、負極之間以離子交換膜隔開，并通過氫離子的定向移動而導通。

釩電池中所采用的隔膜應該具備電導率高、阻釩性能好、水遷移速率低等性能[3,4]，但在實際應用中水和釩離子的跨膜遷移卻無法避免，對釩電池長期的安全、穩定運行造成一定風險，因此研究電解液遷移規律是非常必要的。目前有關釩電池隔膜材料的釩遷移和水遷移研究主要針對Nafion陽離子膜，而對于非離子型膜材料則報道較少，宋世強等[5-7]曾對納米多孔質子傳導膜的釩離子和水分子的遷移行為進行了研究，認為整體遷移方向與Nafion陽離子膜相反。本文則在不同電流密度、不同溫度下對釩電池充放電過程中電解液的遷移規律進行了研究，總結了電流密度、溫度對電解液遷移的影響規律，以供釩電池研究和生產參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

1.1.1 釩電池電堆

采用10電池電堆進行測試，電堆所用隔膜為自制PVDF基納米多孔質子傳導膜（厚度：114 μm，電導率：2.3×10-2S/cm）[8,9]，電極為4.2 mm厚碳氈（成都產），加裝石墨電極、PVC板框、端板以及集流板后壓緊組裝完成，有效電極面積為484 cm2。釩電池系統原理如圖1所示。

1.1.2 電解液系統

電解液儲罐采用帶有刻度的圓柱形透明罐體，向正、負極罐體中分別裝入相同量的 3.5價電解液，總釩濃度為1.6 mol/L，酸濃度為2.5 mol/L，通過循環泵使得電解液在儲罐與電堆之間進行充分循環，為避免負極低價態離子被氧化，測試開始前向負極罐內通入惰性氣體進行保護，保證實驗精確性。

圖1 電池系統圖Fig.1 Diagram of VFB system

1.2 測試過程

1.2.1 密度對電解液遷移性能的影響

設定溫度為25 ℃，采用恒流模式進行充放電循環測試，單電池電壓最高不超過1.7 V，充放電電流密度分別設置為30、40、50、60 mA/cm2，充放電過程中正、負極壓力相同（流量相同），每12 h記錄一次正負極儲罐液位，同時取樣進行濃度測試。

1.2.2 度對電解液遷移性能的影響

采用電流密度為40 mA/cm2進行恒流充放電循環測試，單電池電壓最高不超過1.7 V，分別控制溫度為15、25、35 ℃，充放電過程中正、負極壓力相同（流量相同），每12 h記錄一次正負極儲罐液位，同時取樣進行濃度測試。

1.2.3 液遷移對充放電性能的影響

為了檢測電解液的遷移對充放電容量的影響，實驗過程中跟蹤充放電瓦時容量的變化，并適時對正、負極電解液進行全混操作。測試中采用40 mA/cm2的電流密度進行恒流充放電，控制單體電壓不超過1.7 V。

2 結果與討論

2.1 不同電流密度對電解液遷移的影響

圖2、圖3分別為電堆在不同電流密度下運行相同時間后正、負極體積變化情況及釩離子摩爾量。如圖2所示，在某一電流密度下，隨著電堆運行時間的增長，正極儲罐中釩離子摩爾量逐漸減少，負極儲罐中釩離子摩爾量相應增加，這是因為在通常情況下充電電壓往往高于放電電壓，充電電場強度高于放電電場強度，充電過程中水合釩離子的遷移能力強于放電過程，而且充電時間長于放電時間，最終導致釩離子在負極積累。隨著電流密度的增加，正極儲罐中釩離子摩爾量減少速度逐漸降低，初步分析認為，隨著電流密度的增加，在相同的截止端電壓下，由于極化效應的增強，電解液的開路電壓逐漸降低，導致電解液內電場強度逐漸降低，釩離子遷移能力減弱。

此外，由于電解液中的氫離子、釩離子常以水合離子形式存在，水合氫離子、水合釩離子在電堆循環過程中在負極的積累導致負極滲透壓高于正極，自由水遷向負極，長時間運行后，如圖3所示，正極電解液體積線性減小，負極電解液體積線性增大，且在電流密度逐漸增大的過程中，液位的變化也在逐漸減小，與圖2一一對應。

圖2 不同電流密度下釩離子摩爾量變化情況Fig.2 Change of vanadium ions molar quantity at different current densities

圖3 不同電流密度對電解液遷移的影響Fig.3 Influence of current densities on electrolyte transfer

2.2 不同溫度對電解液遷移的影響

分別控制溫度為15、25、35 ℃，在40 mA/cm2的電流密度下測試相同時間后，其結果如圖4及圖5所示。測試過程中發現，在相同溫度下，水合釩離子不斷由正極遷向負極，正極儲罐溶液體積線性減少，負極則相應線性增加，而且隨著溫度的不斷升高，水合釩離子由正極向負極的遷移量逐漸增加，正、負極儲罐中溶液體積的變化率逐漸升高。這是由于充電電場強度以及時間均長于放電過程，造成水合釩離子、水合氫離子在負極的不斷積累，并由此導致負極滲透壓高于正極，最終使得自由水由正極向負極遷移。在溫度逐漸升高過程中，電解液中離子活性增強，極化效應減弱，內部電場強度增加，造成離子的跨膜遷移能力增強，最終使得釩離子的由正極向負極的遷移隨著溫度的升高而增強。

圖4 不同溫度對電解液遷移的影響Fig.4 Influence of different temperatures on electrolyte transfer

圖5 不同溫度下釩離子摩爾量的變化情況Fig.5 Change of vanadium ions molar quantity at different temperatures

圖6 電解液遷移對電堆充放電容量的影響Fig.6 Influence of electrolyte transfer on charge -discharge capacity

2.3 電解液遷移對充放電容量的影響

電解液的遷移對電堆的充放電容量有較大的影響，如圖6所示，其中A、B、C、D四點處為電解液全混后采用相同條件重新運行電堆。隨著電堆運行時間的增長，電堆中釩離子的跨膜遷移使得部分釩離子在電堆內部發生自放電的副反應，充電與放電瓦時容量在不斷衰減，若重新將正、負極電解液混合再運行后發現，瓦時容量則基本能恢復至初始值，進一步證明瓦時容量的損失基本來自于釩離子的跨膜遷移。在實際的電堆運行過程中，釩離子的跨膜遷移不僅造成系統能量的浪費，而且由于副反應的熱效應以及水的大量不平衡遷移，會對電堆穩定的運行造成威脅，因此，應該嚴格對電堆隔膜材料進行評價。

3 結 論

（1）電堆在相同溫度、壓力和電流密度條件下運行時，釩離子逐漸在電池的負極積累，當電流密度逐漸增加時，釩離子遷移能力減弱，正、負極儲罐中釩離子摩爾量減少和增加速度逐漸降低，當溫度逐漸升高時，則反之；

（2）在電堆的充放電循環過程中，由于離子逐漸由正極遷向負極，導致正、負極濃度差逐漸增大，最終在滲透壓作用下，自由水同樣在電池負極積累，正極電解液體積線性減少，負極則相應線性增加；

（3）在電堆的運行過程中，釩離子的跨膜遷移會引起電堆內部副反應的發生，不僅造成系統能量的浪費，而且副反應熱會對電堆的安全造成一定威脅，因此，在釩電池裝配過程中，選擇阻釩性能好、水遷移速率低的隔膜材料至關重要；

（4）在電堆的實際運行過程中，釩遷移和水遷移不可避免，電解液的管理對于電堆的運行性能和安全性能尤為重要，本文中所針對納米多孔質子傳導膜中電解液的動態遷移規律研究則為其提供了一定的參考依據。

［1］M skyllas-Kazacos, R GRobins.All-vanadium redox battery:US Pat,No:4786567[P].1986.

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［3］格樂圖，郭偉男，范永生,等，全釩液流電池用質子傳導膜研究進展[J].化工學報，2013，64(2)：427-435．

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［5］宋士強，陳曉,等，納米多孔質子傳導膜中釩離子和水分子遷移行為研究[J].膜科學與技術，2014,34（1）:10-13．

［6］騰祥國，趙永濤,等，釩電池充放電過程離子變化規律研究[J].電源技術，2008,32（8）：541-542．

［7］趙永濤，席靖宇,等.釩電池電解液體積變化規律研究[J].化學學報，2011,69（2）：132-136．

［8］劉平，青格樂圖，郭偉男,等.質子傳導膜制備方法放大與膜性能表征[J].膜科學與技術，2012，32(2)：24—29．

［9］王保國，范小生,等.一種質子交換膜極其制備方法和應用[J].中國專利，ZL200910077024.6[P].2009-07-08．

Investigation on Vanadium Electrolyte Dynamic Transfer Across Nano-porous Proton Membrane

ZHANG Zhong-yang, LI Juan，JIA Ming-bo, TIAN Ge
(Chengde Wanlitong Industrial Group Co.,Ltd., Hebei Chengde 067000, China )

Vanadium electrolyte dynamic transfer across nano- porous proton membrane in the vanadium redox flow battery at different current densities and temperatures was investigated. The results show that vanadium ions and water accumulate in negative side eventually, the positive electrolyte increases linearly and the negative electrolyte decreases linearly. The influence of vanadium electrolyte dynamic transfer on charge/discharge capacity was also studied.The results show that the watt-hour capacity decreases gradually due to vanadium ions transfer across membrane.

Vanadium redox flow battery; Electrolyte; Vanadium ions transfer; Water transfer; Watt-hour capacity

TQ 031

： A

： 1671-0460（2015）02-0231-03

國家高科技研究發展計劃（863計劃）項目：全釩液流電池產業化關鍵技術與工藝研究，項目號：2012AA051203。

2015-01-14

張中洋（1989-），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向：主要從事儲能電池研究。E-mail：360473376@163.com。