【前沿追蹤】用于下一代釩液流電池的先進雙梯度碳納米纖維/石墨氈復合電極
分類：前沿資訊
- 作者：中和儲能
- 發(fā)布時間：2022-11-21
【概要描述】【前沿追蹤】用于下一代釩液流電池的先進雙梯度碳納米纖維/石墨氈復合電極
液流電池的電極材料是其電池體系中非常重要的組成部分，雖然不直接作為反應物參與到充放電過程，但其為液流電池的充放電過程提供了反應場所，也對電池的充放電反應、結構穩(wěn)定性、使用壽命以及最終的運行效率和輸出功率起著至關重要的作用。目前而言，高功率液流電池對電極的要求更高，并且很大程度上取決于電極性能。目前提高電極性能的主要側重在對電催化活性的提高、ECSA的增大、電子電導率的增加和傳輸電阻的降低，在之前的文章中，我們以及對液流電池電極材料的主要類別以及改性手段進行了梳理，主要包括金屬顆粒裝飾、熱處理、酸處理、電化學處理、表面碳納米管修飾等手段。 上圖為液流電池的結構示意圖，由于其結構特點電化學反應容易發(fā)生在靠近質(zhì)子交換膜一側的電極上，也就是通常所說的反應區(qū)，而靠近電極板一側的電極傾向于傳導電子，通常稱為電流收集區(qū)。因此，理想的 VFB 電極應具有沿電極厚度方向的差異化的梯度結構，這樣以來，從電極反應的原理來看，電荷轉移步驟發(fā)生在靠近質(zhì)子交換膜一側的電極的外表面，而電子傳導步驟發(fā)生在靠近電極板一側的內(nèi)電極，也更加有利于液流電池整體效率的提高。 研究亮點 這項研究首次為全釩液流電池提出了一種非常先進的雙梯度碳納米纖維/碳氈復合電極的結構，并且通過多種表征驗證了所研究的雙梯度碳納米纖維/石墨氈復合電極的宏觀和微觀梯度結構，并且這種獨特的雙梯度結構碳納米纖維/石墨氈電極在電化學測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能。 研究內(nèi)容 下圖為其所提出的雙梯度結構碳納米纖維/石墨氈電極，將電極上含有碳納米纖維較多的一側放置在膜側，將碳納米纖維較少的另一側放置在極板一側。前者由于碳納米纖維的修飾而具有良好的電化學活性，并且作為催化層催化全釩液流電池的氧化還原反應；而與此同時，后者具有高電導率作為導電層可以促進電子傳導，并降低電極與雙極板之間的接觸電阻，同樣，碳納米纖維沿單根纖維徑向的微梯度分布，其上面豐富的官能團可以很好的改善石墨纖維表面的傳質(zhì)過程。這種碳納米纖維沿電極厚度方向的宏觀梯度和自身微觀梯度結構的分布會起到同時降低活化電阻、濃度電阻和歐姆電阻的作用。 這種雙梯度結構碳納米纖維/碳氈電極的生產(chǎn)工藝為先進行前期預石墨化，隨后采用改進的乙醇火焰工藝制備得到，如圖(c)所示，通過這種火焰工藝可以實現(xiàn)碳納米纖維在宏觀和微觀尺度上的梯度分布，其獲得的最佳梯度對應的燃燒時間為12min。造成這種差異的原因是在乙醇火焰燃燒過程中導電層和催化層分別位于外焰和內(nèi)焰中，內(nèi)焰中的乙醇濃度和溫度容易產(chǎn)生碳納米纖維，而相對較低的乙醇濃度和火焰外層溫度較高不利于碳納米纖維的生長，從而導致電極的雙梯度結構。 而其也對這種雙梯度結構電極的性能進行了測試。圖(a)表明具有DG-CNFs/GF-12（燃燒12min）的VFB表現(xiàn)出最低的極化電壓和最大的放電容量，因此具有優(yōu)選雙梯度結構的DG-CNFs/GF-12具有更好的電池性能。圖(b)表明具有DG-CNFs/GF-12的VFB在不同電流密度下表現(xiàn)出最大的能量效率，其能量效率（EE）下降始終小于其他三個樣品，表明其具有優(yōu)異的高倍率放電性能。圖(c)表明所有樣品的放電容量都隨著電流密度的增加而逐漸降低，而帶有 DG-CNFs/GF-12 的 VFB 始終表現(xiàn)出最大的放電容量。值得注意的是，具有DG-CNFs/GF-12的VFB的放電容量幾乎恢復到倍率性能測試前的水平，也表明了其優(yōu)異的倍率性能。如圖(d)所示，具有 DG-CNFs/GF-12的VFB 始終表現(xiàn)出最高的能量效率，并且在100 次循環(huán)后其能量效率沒有明顯衰減，表明循環(huán)穩(wěn)定性更好。 此外，研究也將雙梯度結構電極與商用碳氈進行對比測試。如下圖所示，可以看出DG-CNFs/GF-12的充電電壓低于商用碳氈，而相應的放電電壓要高得多，表明充放電過程中其極化較低，電池性能更佳。此外，采用DG-CNFs/GF-12 (30.77 Ah L -1)的VFB的放電容量比采用商業(yè)碳氈 (26.55 Ah L -1) 的放電容量高出約16%，表明其電解液利用率有所提高。此外，測試也表明雙梯度結構電極的能量效率明顯大于商用碳氈，并且隨著電流密度的增加，其能量效率降低幅度小于商業(yè)碳氈。并且最后，在 100mA cm -2的電流密度下，具有 DG-CNFs/GF-12 (82.08%) 的 VFB 的能量效率幾乎恢復到速率性能測試前（82.19%），而商用CF的EE從速率性能測試后的80.45%下降到79.55%。這些方面都表明雙梯度結構電極具有出色的高倍率放電性能。 從上述方面來看，這種雙梯度結構碳納米纖維/石墨氈復合電極倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性遠優(yōu)于商業(yè)碳氈，這也將為為下一代高功率密度全釩液流電池的高效電極的發(fā)展提供一個有前景的發(fā)展方向。 寫在最后：本公眾號致力于液流電池領域的前沿知識分享，如報道有誤或相關權益事宜，可與我們?nèi)〉寐?lián)系，我們會立即做出修正或刪除處理！謝謝您的支持！
