全钒液流电池电极研究进展

研究背景

全钒液流电池（VFB）作为大型电化学储能技术，自问世以来，在可再生能源发电领域备受关注。将储能技术应用于可再生能源发电，可有效解决再生能源发电存在的间歇性和并网困难等问题。全钒液流电池采用水系电解液，因此表现出优越的安全性，而且正负极之间也不存在元素的交叉污染。全钒液流电池的循环寿命高达10000次以上，其使用寿命不低于10年。

全钒液流电池的工作原理如图1所示。其中活性物质电解液存储在储罐中，通过磁力泵输送到电堆中，进行电化学反应后再输送回储罐中。从原理图可以看出，全钒液流电池的功率和容量相互独立，可以通过增加电解液的量来增大储电容量，这是全钒液流电池的独特优势。

图1  全钒液流电池工作原理

VFB的容量取决于所使用的电解液浓度和体积，而功率则由电池的电极面积和数量决定。电化学反应发生时，电解液中的活性物质，即不同价态的钒离子组分会在电极表面进行氧化还原反应，因此电极的性能对于钒离子参与电化学反应的速度和反应总量有直接影响，对VFB的性能起着至关重要的作用。

创新点及解决的问题

本文介绍了钒液流电池电极材料的研究现状。详细介绍了电极种类、电极材料的改性途径、改性效果，并对电极的老化机制进行了分析。全钒液流电池（VFB）电极材料改性的方法主要包括增加电极催化活性和增大电极电化学反应面积两种方式。通过对电极进行热处理、酸处理，可以改变电极表面结构，提高电极催化活性，从而提高电极反应可逆性。通过在电极表面生长碳纳米管或者负载石墨烯、氧化铱等而制备的复合电极材料，以及采用天然废弃物制备的多孔碳电极，可以达到同时提高电极表面催化活性和增大电极电化学反应面积的效果。还可以通过制备电极和双极板复合一体化电极，降低电池的接触电阻，减小电池极化。而电极的化学降解及电化学降解对于电极的寿命会产生影响，而且对电池负极的影响比正极更加明显。最后，总结了VFB电极材料的现状并展望了未来研究发展的方向。

重点内容导读 

1  钒电池电极种类

2  电极的改性研究

2.1  电极表面催化活性改性

2.1.1  碳毡表面含氧官能团的作用

2.1.2  碳毡表面含氮官能团的作用

2.2  电极表面积的改性研究

2.2.1  碳毡/碳纳米管复合电极

图2  未修饰碳毡（a）和CF/CNF/CNT复合电极
（b）SEM图

2.2.2  碳毡/石墨烯复合电极

图3  未修饰碳毡（a）和碳毡/纳米碳纤维/碳纳米管复合电极（b）SEM图

2.2.3  碳毡/金属氧化物复合电极

图4  CeO2/ECNFs电极的SEM（a）、TEM（b）图

图5  PbO2修饰的碳毡电极SEM照片（b）

图6  未修饰的碳毡电极和PC修饰碳毡电极在不同倍率下：（a）能量效率对比曲线；（b）放电容量对比

2.5  其它钒电池电极的研究

图7  传统电极/双极板和一体化电极/双极板的面电阻对比

2.6  钒电池电极老化机制的研究

图8  传统电极/双极板和一体化电极/双极板在40 mA/cm2电密下充放电性能

结  论

电极作为钒电池的重要组成部分，对电池的能量效率和能量密度有很大的影响。本文综述了钒电池电极材料的研究进展和现状，总结了电极性能改进的方法以及改性的结果，这对于全钒液流电池专用电极材料的商业化生产具有理论指导意义。现如今商业化的石墨毡材料主要用于耐火、隔热材料，其表面结构以及厚度都不是依据钒液流电池电极材料特性加工生产的，因此在规格型号及性能方面并非完全满足钒电池的需求，随着钒液流电池商业化的推广，加强石墨毡材料本体性能的研究工作以及加快钒液流电池电极材料标准化生产，对于液流电池结构设计、性能优化具有重要意义。从降低电池本体电阻提高性能角度考虑，大力开发一体化电极，优化其制造工艺，降低成本是电极材料的发展方向之一。尽管对电极的改性工作投入了大量研究，但是这样的工作都无形中增加了电极的生产步骤和成本，因此还需要积极探索简易的电极优化方法，并加强对电极本体性能的研究，这不但为电极材料的甄选提供依据，也是电极材料发展的方向之一。有关电极的使用寿命，虽然在循环过程中的老化机制有了初步的研究成果，但是对于电极材料老化的抑制、解决方法还未有报道，这是电极材料未来研究的重要方向。

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