国産材料を用いた燃料リチウム電池用膜電極の性能に関する研究 -リチウムイオン電池 - イオン電池装置
プロトン交換膜燃料式リチウム電池(pEMFC)は、高比電力、高エネルギー変換効率、低温起動、環境への配慮などの利点を持つ発電デバイスです。近年でも、燃料駆動リチウム電池の分野で研究のホットスポットとなっています。そのコア成分である膜電極(MEA)は、通常、ガス拡散層、触媒層、およびプロトン交換膜からのホットプレスプロセスによって調製されます。プロトン交換膜、触媒、カーボンペーパーなどの主要材料は、pEM-FCの電気的性能に決定的な役割を果たします。使う。現在、プロトン交換膜燃料を動力源とするリチウム電池に使用される主要材料は、ほとんどすべて輸入品です。輸入材料の代表的な供給源としては、米国デュポン社が加工したナフィオンシリーズのプロトン交換膜と、日本の東レ社が加工したTGp-H社があります。シリーズカーボンペーパー、英国のJohnsonmatthey Companyで加工された白金触媒。海外で加工された燃料式リチウム電池の主要材料は高価であり、私の国に対する独占支配の欠点があります。したがって、国産燃料式リチウム電池材料を精力的に開発し、国産材料を使用して燃料式リチウム電池のコンポーネントとスタックを開発し、燃料式リチウム電池の現地開発を行うことは、戦略的および実際的に非常に重要です。
この研究では、Shandong Dongyue Shenzhou New Materials、Beijing Jinneng Fuel Power Lithium Battery、Shanghai Hesen Electric、Shanghai Panye Hydrogen Energyなどの主要材料から国産材料を選択して、家庭用燃料力リチウム電池の多くの主要材料の中から単一セルを製造し、組成と負荷の異なる平坦化層と触媒層が電池性能に与える影響を調査しました。 国産材料に適した燃料駆動リチウム電池部品の製造プロセスを検討し、国産材料を用いた燃料駆動リチウム電池スタックの開発のために膜電極増幅試験を実施しました。(リチウムイオン電池機器)
1. テスト
1.1 5-in-1膜電極の作製
ナノ活性炭とポリテトラフルオロエチレン(pTFE)エマルジョンを一定の割合で混合し、一定量の分散剤を加え、超音波で均一に混合してスラリーを形成します。疎水性処理を施した家庭用カーボンペーパーに均一に塗布します。溶解したカーボンペーパーを330〜360°Cの高温で60分間焼結し、pTFEエマルジョンに含まれる界面活性剤と分散剤を除去します。同時に、pTFEは可塑化および焼結され、カーボンペーパー繊維の表面に均一に分散されます。平均的な疎水性ネットワークを形成します。pt/C触媒、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液、イソプロピルアルコールを含む超音波混合スラリーを、あらかじめ溶解した家庭用プロトン交換膜の表面に均一に噴霧します。最後に、準備した拡散層を触媒を噴霧したプロトン交換膜の両面に配置して、5in1膜電極接合体を形成する。
1.2 バッテリーのパッケージングと検出
このテストでは、燃料を動力源とするリチウム電池の性能を評価するために単一のセルが使用されました。電極の有効面積は5cm2と25cm2であった。この試験では、反応ガスとして水素と空気を使用し、過剰係数はそれぞれ1.5と2.0でした。動作温度と加湿温度はどちらも50°Cでした。バッテリー 反応系の圧力は常圧です。試験中、電子負荷を調整して電流出力を制御し、電圧値を記録し、性能分極曲線を測定しました。
2. 結果と考察
2.1 平坦化層へのpTFEと炭素粉末の充填が単細胞性能に及ぼす影響
pEMBCの電気的特性に及ぼすpTFEの影響を調べるために、平坦層の炭素粉末スラリーを作製する際に、pTFE質量分率が5%、10%、15%、20%、25%、30%の混合スラリーを作製した。疎水性処理された家庭用カーボン紙にpTFE含有量の異なるスラリーをコーティングし、同じプロセス条件でpEMFCを調製して組み立て、単一細胞を検出しました。
pTFE含有量が増加すると、バッテリーの性能が向上します。pTFE負荷が25%(質量分率)の場合、バッテリーの性能は最高に達します。その後、pTFE負荷を30%に上げると、代わりにバッテリーの性能が低下しています。これは、高温でpTFEが焼結して可塑化され、平らな層がベース層に均一に分布して疎水性ネットワークを形成するためである可能性があります。pTFE含有量が増加すると、平坦層の疎水性が増加し、電極が浸水する可能性が低くなります。同時に、ナノ触媒がカーボンペーパーの細孔に浸透するのを防ぐことができます。したがって、pTFE含有量の増加に伴い、バッテリーの性能が向上します。.ただし、pTFE含有量が高すぎると、疎水性ネットワークの転覆面積が大きすぎて、カーボンペーパーの細孔が減少し、ガス拡散速度が低下し、バッテリーの内部抵抗が増加し、バッテリーの性能が低下します。
バッテリーの性能は、トナーの負荷が増加すると向上します。負荷が1.6mg/cm2に達すると、バッテリーの性能が大幅に向上します。負荷が2.0mg / cm2に達すると、バッテリーの性能が最高になります。トナーの積載量を再度追加すると、積載量が2.4mg / cm2に達すると、バッテリーの性能が低下します。これは、トナーの装填が拡散層の厚さを直接決定するためです。拡散層が薄い場合、ガス移動経路は短く、電池が作動しているときに反応に参加するのに十分なガスが触媒層に到達できます。しかし、炭素粉末の充填量が低すぎると、触媒がガス拡散層に漏れ出し、三次元の反対の反応ゾーンが電極性能に影響を与える可能性があります。同様に、トナーの負荷が高すぎてはならず、そうしないと拡散層が厚くなり、ガスチャネルと電子チャネルが減少し、バッテリーカソードの「水の洪水」が発生し、バッテリーの性能が低下する可能性があります。
2.2 触媒層へのパーフルオロスルホン酸樹脂と触媒の担持が単細胞性能に及ぼす影響
パーフルオロスルホン酸樹脂の負荷が電池性能に与える影響を調べるために、さまざまな品質のパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を触媒およびイソプロパノールと超音波でスラリーに混合し、スラリーを家庭用プロトン交換膜に噴霧して、単一の電池性能試験を行いました。その結果を図3に示します。
パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量が増えると、電池の電気的特性も増加します。パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量が20%(質量分率)の場合、電池の電気的性能は最高に達します。樹脂含有量を26%に増やすと性能が低下し、パーフルオロスルホン酸樹脂含有量を30%に増やすと電池性能が急激に低下します。これは、パーフルオロスルホン酸樹脂の新しい含有量により、触媒層の反応面積が増加し、新しいプロトンチャネルが追加され、反応領域の立体効果が向上し、バッテリー性能の向上に有益であるためです。ただし、パーフルオロスルホン酸樹脂が多すぎると、電極の親水性が高まり、ガス移動容量が低下し、明らかな物質移動分極損失を示します。パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量を30%に増やすと、一方では、電極がひどく「浸水」し、他方では、過剰なパーフルオロスルホン酸樹脂は、電極の空隙率を低下させ、過度の物質移動抵抗を引き起こし、触媒を広い面積に包むと、触媒の利用率が低下し、 バッテリーの性能を急激に低下させます。
触媒負荷量が少ない場合(0.4mg/cm2など)は、電池の発電性能が悪い。これは、触媒層が薄すぎて触媒の活性中心が少ないため、反応が不十分になり、バッテリーの性能が低下することが原因である可能性があります。しかし、時間の経過とともに触媒負荷が大きくなると、代わりにバッテリーの性能が低下します。たとえば、PT 負荷が 2.0 mg/cm2 のバッテリーの性能は、電力密度が 0.8 mg/cm2 のバッテリーよりも低く、最大比電力は 360mW/cm2 未満です。これは、触媒負荷量が多いと触媒層が厚くなりすぎて反応時の物質移動が困難になり、電池性能が低下するためと考えられます。
2.3 アクティブエリアがバッテリー性能に及ぼす影響
国産材料燃料リチウム電池の使用を検討するために、活性面積25cm2の膜電極で上記の改良プロセス方法に従って国産材料を作製し、活性面積5cm2の膜電極の性能を比較した。膜電極の活性面積を5倍に拡大すると、大電流放電領域では電池性能が低下するが、0.5Vから開回路までの実際の動作電圧範囲での電池の電気的性能はほとんど減衰しない。これは、国産材料が大面積の電柱開発に有望なことを示している。
3. おわりに
国産黒鉛カーボンペーパー、国産パーフルオロスルホン酸プロトン交換膜、国産pt/C触媒などの燃料用リチウム電池のキーマテリアルを使用し、国産材料pEMFCをCCMプロセスで製造しました。実験的研究により、拡散層の炭素粉末の負荷とpTFEの含有量が電池の性能に大きな影響を与えると述べられています。実験条件下では、平坦化層の最適な組成と負荷は、pTFEの含有量が30%であることです。トナー装填量は2.0mg/cm2です。同様に、触媒層の組成と負荷もバッテリーの性能に直接影響します。試験条件下では、パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量は20%、触媒負荷量は1.2mg / cm2であり、これはより適切な触媒層組成です。そして積載量。本研究で作製した国産材料燃料駆動リチウム電池膜電極は、優れたI-V性能と優れた安定性を備えており、国産材料プロトン交換膜燃料駆動リチウム電池スタックの開発のための強固な基盤を築きます。
この研究では、Shandong Dongyue Shenzhou New Materials、Beijing Jinneng Fuel Power Lithium Battery、Shanghai Hesen Electric、Shanghai Panye Hydrogen Energyなどの主要材料から国産材料を選択して、家庭用燃料力リチウム電池の多くの主要材料の中から単一セルを製造し、組成と負荷の異なる平坦化層と触媒層が電池性能に与える影響を調査しました。 国産材料に適した燃料駆動リチウム電池部品の製造プロセスを検討し、国産材料を用いた燃料駆動リチウム電池スタックの開発のために膜電極増幅試験を実施しました。(リチウムイオン電池機器)
1. テスト
1.1 5-in-1膜電極の作製
ナノ活性炭とポリテトラフルオロエチレン(pTFE)エマルジョンを一定の割合で混合し、一定量の分散剤を加え、超音波で均一に混合してスラリーを形成します。疎水性処理を施した家庭用カーボンペーパーに均一に塗布します。溶解したカーボンペーパーを330〜360°Cの高温で60分間焼結し、pTFEエマルジョンに含まれる界面活性剤と分散剤を除去します。同時に、pTFEは可塑化および焼結され、カーボンペーパー繊維の表面に均一に分散されます。平均的な疎水性ネットワークを形成します。pt/C触媒、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液、イソプロピルアルコールを含む超音波混合スラリーを、あらかじめ溶解した家庭用プロトン交換膜の表面に均一に噴霧します。最後に、準備した拡散層を触媒を噴霧したプロトン交換膜の両面に配置して、5in1膜電極接合体を形成する。
1.2 バッテリーのパッケージングと検出
このテストでは、燃料を動力源とするリチウム電池の性能を評価するために単一のセルが使用されました。電極の有効面積は5cm2と25cm2であった。この試験では、反応ガスとして水素と空気を使用し、過剰係数はそれぞれ1.5と2.0でした。動作温度と加湿温度はどちらも50°Cでした。バッテリー 反応系の圧力は常圧です。試験中、電子負荷を調整して電流出力を制御し、電圧値を記録し、性能分極曲線を測定しました。
2. 結果と考察
2.1 平坦化層へのpTFEと炭素粉末の充填が単細胞性能に及ぼす影響
pEMBCの電気的特性に及ぼすpTFEの影響を調べるために、平坦層の炭素粉末スラリーを作製する際に、pTFE質量分率が5%、10%、15%、20%、25%、30%の混合スラリーを作製した。疎水性処理された家庭用カーボン紙にpTFE含有量の異なるスラリーをコーティングし、同じプロセス条件でpEMFCを調製して組み立て、単一細胞を検出しました。
pTFE含有量が増加すると、バッテリーの性能が向上します。pTFE負荷が25%(質量分率)の場合、バッテリーの性能は最高に達します。その後、pTFE負荷を30%に上げると、代わりにバッテリーの性能が低下しています。これは、高温でpTFEが焼結して可塑化され、平らな層がベース層に均一に分布して疎水性ネットワークを形成するためである可能性があります。pTFE含有量が増加すると、平坦層の疎水性が増加し、電極が浸水する可能性が低くなります。同時に、ナノ触媒がカーボンペーパーの細孔に浸透するのを防ぐことができます。したがって、pTFE含有量の増加に伴い、バッテリーの性能が向上します。.ただし、pTFE含有量が高すぎると、疎水性ネットワークの転覆面積が大きすぎて、カーボンペーパーの細孔が減少し、ガス拡散速度が低下し、バッテリーの内部抵抗が増加し、バッテリーの性能が低下します。
バッテリーの性能は、トナーの負荷が増加すると向上します。負荷が1.6mg/cm2に達すると、バッテリーの性能が大幅に向上します。負荷が2.0mg / cm2に達すると、バッテリーの性能が最高になります。トナーの積載量を再度追加すると、積載量が2.4mg / cm2に達すると、バッテリーの性能が低下します。これは、トナーの装填が拡散層の厚さを直接決定するためです。拡散層が薄い場合、ガス移動経路は短く、電池が作動しているときに反応に参加するのに十分なガスが触媒層に到達できます。しかし、炭素粉末の充填量が低すぎると、触媒がガス拡散層に漏れ出し、三次元の反対の反応ゾーンが電極性能に影響を与える可能性があります。同様に、トナーの負荷が高すぎてはならず、そうしないと拡散層が厚くなり、ガスチャネルと電子チャネルが減少し、バッテリーカソードの「水の洪水」が発生し、バッテリーの性能が低下する可能性があります。
2.2 触媒層へのパーフルオロスルホン酸樹脂と触媒の担持が単細胞性能に及ぼす影響
パーフルオロスルホン酸樹脂の負荷が電池性能に与える影響を調べるために、さまざまな品質のパーフルオロスルホン酸樹脂溶液を触媒およびイソプロパノールと超音波でスラリーに混合し、スラリーを家庭用プロトン交換膜に噴霧して、単一の電池性能試験を行いました。その結果を図3に示します。
パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量が増えると、電池の電気的特性も増加します。パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量が20%(質量分率)の場合、電池の電気的性能は最高に達します。樹脂含有量を26%に増やすと性能が低下し、パーフルオロスルホン酸樹脂含有量を30%に増やすと電池性能が急激に低下します。これは、パーフルオロスルホン酸樹脂の新しい含有量により、触媒層の反応面積が増加し、新しいプロトンチャネルが追加され、反応領域の立体効果が向上し、バッテリー性能の向上に有益であるためです。ただし、パーフルオロスルホン酸樹脂が多すぎると、電極の親水性が高まり、ガス移動容量が低下し、明らかな物質移動分極損失を示します。パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量を30%に増やすと、一方では、電極がひどく「浸水」し、他方では、過剰なパーフルオロスルホン酸樹脂は、電極の空隙率を低下させ、過度の物質移動抵抗を引き起こし、触媒を広い面積に包むと、触媒の利用率が低下し、 バッテリーの性能を急激に低下させます。
触媒負荷量が少ない場合(0.4mg/cm2など)は、電池の発電性能が悪い。これは、触媒層が薄すぎて触媒の活性中心が少ないため、反応が不十分になり、バッテリーの性能が低下することが原因である可能性があります。しかし、時間の経過とともに触媒負荷が大きくなると、代わりにバッテリーの性能が低下します。たとえば、PT 負荷が 2.0 mg/cm2 のバッテリーの性能は、電力密度が 0.8 mg/cm2 のバッテリーよりも低く、最大比電力は 360mW/cm2 未満です。これは、触媒負荷量が多いと触媒層が厚くなりすぎて反応時の物質移動が困難になり、電池性能が低下するためと考えられます。
2.3 アクティブエリアがバッテリー性能に及ぼす影響
国産材料燃料リチウム電池の使用を検討するために、活性面積25cm2の膜電極で上記の改良プロセス方法に従って国産材料を作製し、活性面積5cm2の膜電極の性能を比較した。膜電極の活性面積を5倍に拡大すると、大電流放電領域では電池性能が低下するが、0.5Vから開回路までの実際の動作電圧範囲での電池の電気的性能はほとんど減衰しない。これは、国産材料が大面積の電柱開発に有望なことを示している。
3. おわりに
国産黒鉛カーボンペーパー、国産パーフルオロスルホン酸プロトン交換膜、国産pt/C触媒などの燃料用リチウム電池のキーマテリアルを使用し、国産材料pEMFCをCCMプロセスで製造しました。実験的研究により、拡散層の炭素粉末の負荷とpTFEの含有量が電池の性能に大きな影響を与えると述べられています。実験条件下では、平坦化層の最適な組成と負荷は、pTFEの含有量が30%であることです。トナー装填量は2.0mg/cm2です。同様に、触媒層の組成と負荷もバッテリーの性能に直接影響します。試験条件下では、パーフルオロスルホン酸樹脂の含有量は20%、触媒負荷量は1.2mg / cm2であり、これはより適切な触媒層組成です。そして積載量。本研究で作製した国産材料燃料駆動リチウム電池膜電極は、優れたI-V性能と優れた安定性を備えており、国産材料プロトン交換膜燃料駆動リチウム電池スタックの開発のための強固な基盤を築きます。
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