论文总字数：23375字

摘 要

随着世界不可再生能源日益减少，太阳能等新能源开发受到制约，人们将目光转向可用作大储能的钠硫电池，但钠硫电池一直存在集流体的腐蚀问题需要进一步探讨解决。本文探讨了316L和430不锈钢在高温硫化钠环境中腐蚀的规律，通过XRD、SEM和EDS等测试方法对316L、430不锈钢进行物相分析和形貌、能谱分析。此外，本文重点使用动电位极化曲线法对316L、430不锈钢以及直流镀Ni-W合金在不同温度下的硫化钠环境中进行腐蚀电化学性能测试。分析结果发现，随着温度升高，316L不锈钢、430不锈钢和直流镀镍钨合金的腐蚀速率升高，其耐腐蚀性能下降；直流镀镍钨合金在300℃、350℃、400℃下的硫化钠中腐蚀24h后的腐蚀速率分别是2.32×10^-6 g/(cm²∙s)、1.24×10^-4 g/(cm²∙s)、3.45×10^-3 g/(cm²∙s)。其腐蚀速率与316L不锈钢，430不锈钢相差较小，直流镀Ni-W合金耐腐蚀性能不佳，需要进一步提高。

关键词： 钠硫电池 不锈钢集流体 硫化钠 动电位极化曲线

Electrochemical Performance of Stainless Steel Electrode in High Temperature Sulfide

Abstract

As the world's non-renewable energy sources are declining and the development of new energy such as solar energy is restricted, people will turn their attention to sodium-sulfur batteries that can be used for large energy storage. However, the problem of corrosion of current collectors in sodium-sulfur batteries has to be further explored. This article discusses the corrosion of 316L and 430 stainless steels in high temperature sodium sulfide environments. The phase analysis and morphology analysis of 316L and 430 stainless steels are performed by XRD, SEM and EDS. In addition, this paper focuses on the electrochemical electrochemical performance tests of 316L, 430 stainless steel and DC-plated Ni-W alloys in sodium sulfide environments at different temperatures using potentiodynamic polarization curve method. The results of the analysis showed that the corrosion rate of 316L stainless steel, 430 stainless steel, and DC nickel-plated tungsten alloys increased as the temperature increased, and their corrosion resistance decreased; the DC-plated nickel-tungsten alloys were vulcanized at 300°C, 350°C, and 400°C. The corrosion rates after 24 h corrosion in sodium were 2.32×10-6 g/(cm2∙s), 1.24×10-4 g/(cm2∙s), and 3.45×10-3 g/(cm2∙s), respectively. The corrosion rate is smaller than that of 316L stainless steel and 430 stainless steel. The corrosion resistance of DC-plated Ni-W alloy is not good and needs further improvement.

Key Words: Sodium-sulfur battery Stainless steel current collector Sodium sulfide Potentiopolarization curve

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1钠硫电池简介 1

1.1.2钠硫电池原理及特点 2

1.1.3集流体简介 3

1.2 钠硫电池集流体腐蚀与防护方法 4

1.2.1钠硫电池不锈钢集流体的腐蚀 4

1.2.2钠硫电池不锈钢集流体腐蚀的常见防护方法 4

1.3 高温硫化物中不锈钢电极的电化学性能测试 5

1.4 本课题研究意义 5

第二章 实验 7

2.1 实验药品和仪器 7

2.2 实验 8

2.2.1样品的准备 8

2.2.2 静态浸泡腐蚀实验 11

2.2.3腐蚀速度测试 11

2.2.4物相分析 11

2.2.5形貌及能谱分析 12

2.2.6极化曲线测试 12

第三章 实验结果分析与讨论 13

3.1 高温硫化钠环境中腐蚀研究 13

3.1.1 腐蚀速度分析 13

3.1.2 物相分析 14

3.1.3 形貌分析 16

3.2 动电位极化曲线分析 19

3.2.1316L不锈钢极化曲线分析 19

3.2.2 430不锈钢极化曲线分析 19

3.2.3直流镀Ni-W合金极化曲线分析 20

3.2.4 430不锈钢在不同硫含量的硫化钠环境下腐蚀的极化曲线分析 22

第四章 结论 23

参考文献 25

致 谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1钠硫电池简介

当今世界，随着经济快速发展，随之而来的是人类对能源需求的日益提高。同时，人类也面临着气候、环境等问题。因此，发展清洁能源已成为不可替代的趋势，只有大力开发清洁能源，才能减少人们对石油，煤炭等不可再生能源的依赖，达到保护地球环境的目的。而风能、太阳能发电存在不稳定、不连续等一系列问题，在这样的大环境下，人们想到了储能技术的开发。目前，电力方面的储能技术可以分为三类^[1]：第一类，这类技术可以直接储存电磁能。例如超导储能技术等；第二类储能技术是把电能转化为机械能储存。第三类就是把电能转化为化学能储存。这类技术目前应用很广泛。例如钠硫电池，锂电池，超级电容器等，这类储能技术应用广泛，需要大力开发。由于各个储能技术的优劣势不一样，所以储能技术也有各自的应用范围。而钠硫电池是一种优良的储能电池。

钠硫电池最开始是在1966年被Ford公司所提出，在当时主要是设想将它用作汽车的动力电池部分。但由于钠硫电池存在安全性问题以及技术方面有难题需要攻克，这导致钠硫电池在动力电池方面发展不太顺利，而同样作为动力电池的锂电池相比之下有很多优点^[2-3]。但是如果把钠硫电池作为首选的大储能电池则有很多优越性可言，如果能够好好开发则有很好的发展前景。这使得许多国家和公司投入了钠硫电池的开发。比如来自美国犹太州的Beta电能公司，来自英国的氯化物无声公司，来自德国西部的BBC公司，最后还有比较著名的来自日本的NGK公司^[4]。这里我们引用比较知名的日本NGK公司。在1980年到1990年这十年间，NGK公司首先选择和日本东京电力公司展开合作开发钠硫电池，其目的是为了将其用作储能方面。到二十世纪九十年代。日本方面已经可以正式开始正式运行世界上第一个通过钠硫电池来储存能源的储能系统。到如今日本的NGK公司在世界上已经建成超过一百座钠硫电池储能站，并且全部投入运行^[5,6]。钠硫电池它是一种特性良好的二次电池它有很多优点，比如说能量密度高、比功率高、原材料廉价、很稳定、使用寿命长等优点。除此之外，由于钠硫电池以金属钠和单质硫分别作为阳极和阴极，所以原材料相对来说成本不高，并且其资源比较丰富。同时，钠硫电池也是二次电池中比较成熟并且具有发展潜力的一种储能电池。但现在钠硫电池存在较为严重的耗能与安全问题^[7-8]，在长期循环运行中又存在失效及性能退化的问题^[9]。目前，主要应用于电池储能领域。它在发电系统中已被大量应用于风力发电、应急电源、削峰填谷等方面^[10]。目前，国际上多个国家把钠硫电池作为一种储能电池相继投入钠硫电池的研究。

1.1.2钠硫电池原理及特点

钠硫电池(NaS)是把钠作为负极，硫作为正极，在电解质里形成电极的。首先，钠硫电池作为一种正在研究的新型的大型储能电池，它与其他的储能电池有许多不同之处。例如，钠硫电池包含熔融电极和固体电解质，其中，钠硫电池负极的活性物质为金属钠，而正极活性物质为硫和多硫化钠熔盐。钠硫电池存在数个单体电池，这些电池组合在一起就可以完成储能任务，达到储能电池的目的。钠硫电池结构图见图1-1。

图1-1 钠硫电池的内部结构

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