Ang pinaka-epektibong electrode material para sa vanadium redox flow na mga baterya ay a Ang polyacrylonitrile-based graphite ay naramdamang thermally activated sa 450 degrees C sa loob ng 4 na oras sa hangin . Ang paggamot na ito ay nagpapataas ng partikular na lugar sa ibabaw sa 6.5 m2 bawat gramo , itinataas ang oxygen-to-carbon atomic ratio sa 0.12 , at gumagawa ng boltahe na kahusayan ng 86.5 porsyento sa 100 mA bawat cm2 . Ang nagreresultang electrode ay naghahatid ng kahusayan sa enerhiya na higit sa 80 porsiyento sa isang cycle na buhay na lumampas sa 15,000 charge-discharge cycle, na direktang binabawasan ang levelized na halaga ng imbakan ng humigit-kumulang 8 porsiyento kumpara sa hindi ginagamot na nadama.
Materyal na Electrode Mga Kinakailangan sa Daloy ng Baterya
Ang isang daloy ng baterya electrode ay dapat magbigay ng isang tatlong-phase interface kung saan ang likido electrolyte, solid electrode, at kasalukuyang kolektor. Ang mahahalagang pisikal na katangian na namamahala sa pagganap ay kinabibilangan ng mataas na electrical conductivity, sapat na tiyak na surface area para sa mga electrochemical reactions, mahusay na pagkabasa ng electrolyte, at matinding pagtutol sa electrochemical corrosion sa concentrated sulfuric acid sa mga potensyal na nasa itaas. 1.5 V laban sa SIYA .
- Dapat lumampas ang through-plane electrical conductivity 5 S bawat cm upang mabawasan ang pagkawala ng ohmic sa isang tipikal na naka-compress na kapal na 2 hanggang 4 mm.
- Tukoy na lugar sa ibabaw ng hindi bababa sa 3 m2 bawat gramo ay kinakailangan upang mapanatili ang isang paglaban sa paglipat ng singil sa ibaba 1 ohm bawat cm2 sa praktikal na kasalukuyang mga density.
- Ang contact angle na may 1.6 M vanadium electrolyte ay dapat bumaba sa ibaba 60 degrees pagkatapos ng pag-activate, tinitiyak ang kumpletong basa ng butas at paggamit.
- Ang rate ng kaagnasan ay dapat manatili sa ilalim 1 microgram kada cm2 kada oras sa positibong panig na potensyal na magagarantiya ng 20-taong stack life.
Comparative Performance ng Carbon Felt, Papel, at Tela
Tatlong carbon-based na substrate ang nangingibabaw sa daloy ng mga electrodes ng baterya. Ang kanilang mga hilaw na katangian bago ang pag-activate ay nagdidikta sa matamo na kisame para sa kahusayan. Ang talahanayan sa ibaba ay nagbubuod ng mga paunang katangian ng mga pinakakaraniwang uri.
| materyal | Inisyal na Surface Area (m2/g) | Electrical Conductivity (S/cm) | Through-Plane Permeability (m2) |
|---|---|---|---|
| Nadama ang Graphite | 0.5 hanggang 1.2 | 8.5 | 5 x 10 hanggang sa kapangyarihan ng minus 10 |
| Carbon Paper | 0.2 hanggang 0.8 | 45.0 | 1 x 10 hanggang sa kapangyarihan ng minus 12 |
| Carbon Cloth | 0.8 hanggang 2.0 | 12.0 | 8 x 10 hanggang sa kapangyarihan ng minus 10 |
Mas gusto ang graphite felt para sa mataas na volumetric porosity nito at mababang gastos. Ang carbon paper ay nag-aalok ng pinakamataas na bulk conductivity ngunit naghihirap mula sa mababang permeability, ginagawa itong angkop lamang para sa flow-through na mga arkitektura ng cell na may manipis na mga electrodes. Ang carbon cloth ay nagbibigay ng balanse ngunit may limitadong compressibility, na nagreresulta sa mas mataas na contact resistance sa bipolar plate.
Thermal at Chemical Activation Istratehiya
Ang mga hindi ginagamot na carbon electrodes ay hydrophobic at electrocatalytically inert. Ang pag-activate ay nagpapakilala ng mga functional na pangkat na naglalaman ng oxygen tulad ng carbonyl, carboxyl, at hydroxyl na nagsisilbing aktibong mga site para sa mga reaksyon ng vanadium redox. Ang karaniwang thermal activation protocol ay sumusunod sa isang tumpak na pagkakasunod-sunod.
- I-rampa ang graphite na naramdaman mula sa temperatura ng silid hanggang 450 degrees C sa bilis na 5 degrees C kada minuto sa isang hangin na kapaligiran.
- Hawakan sa 450 degrees C para sa 4 na oras upang makamit ang mass loss na 2 hanggang 3 porsiyento nang hindi nakompromiso ang mekanikal na integridad.
- Natural na palamig hanggang sa ibaba 80 degrees C bago alisin upang maiwasan ang thermal shock.
Pagkatapos ng paggamot, ang ratio ng O hanggang C ay tumataas mula 0.03 hanggang 0.12 , ang anggulo ng pakikipag-ugnayan ng tubig ay bumaba mula sa 125 degrees hanggang 55 degrees , at ang peak current density para sa VO2 positive sa VO2 positive ion reaction ay tumataas ng 35 porsyento sa cyclic voltammetry. Paggamot ng acid na may kumukulong puro nitric acid para sa 30 minuto nakakamit ng katulad na antas ng oksihenasyon ngunit maaaring mag-iwan ng mga natitirang nitrates na dapat banlawan nang hindi bababa sa 2 oras sa deionized na tubig.
Metal at Metal Oxide Catalyst Modification
Ang pagdedeposito ng mga catalytic nanoparticle sa activated carbon surface ay higit na binabawasan ang paglaban sa paglilipat ng singil. Ang bismuth, iridium oxide, at manganese oxide ay ang pinaka pinag-aralan na modifier. Isang electrodeposited bismuth loading ng 15 micrograms bawat cm2 sa isang nadama na elektrod ay inililipat ang simulang potensyal para sa V3 positibo sa V2 positibong pagbawas ng ion sa pamamagitan ng 60 mV at pinapababa ang paglaban ng paglilipat ng singil mula sa 2.8 ohm kada cm2 hanggang 1.2 ohm kada cm2 .
Ang mga nanowire ng manganese oxide na pinalaki nang hydrothermally nang direkta sa mga carbon fiber ay nagpapataas ng tiyak na kapasidad ng elektrod sa 45 F bawat cm2 , na nagbibigay ng lokal na buffering effect na nagpapabuti sa boltahe na kahusayan sa pamamagitan ng karagdagang 2.5 porsyento na puntos sa panahon ng high-rate pulsing. Gayunpaman, ang pangmatagalang katatagan ng mga catalyst na ito ay dapat ma-verify sa ilalim ng paulit-ulit na potensyal na pagbibisikleta; ang iridium oxide ay natutunaw sa bilis na 0.3 ng bawat cycle sa 2 M sulfuric acid, na humahantong sa isang performance fade na makikita pagkatapos 2,000 cycle .
Mga Pagsasaalang-alang sa Electrode Compression at Cell Assembly
Ang antas ng compression na inilapat kapag nagsasalansan ng mga cell ay direktang tinutukoy ang paglaban sa partikular sa lugar at ang pagbaba ng presyon sa electrolyte pathway. Binabalanse ng pinakamainam na ratio ng compression ang dalawang salik na ito. Para sa isang 3 mm makapal na nadama, isang compression sa 2.1 mm (30 porsiyentong strain) binabawasan ang contact resistance sa pagitan ng electrode at ng graphite bipolar plate mula sa 0.8 ohm bawat cm2 hanggang 0.35 ohm bawat cm2 , pinuputol ang kabuuang resistensya ng stack ng humigit-kumulang 25 porsyento .
Kasabay nito, ang pagbawas sa porosity mula 85 porsiyento hanggang 75 porsiyento ay nagpapataas ng electrolyte pressure drop sa pamamagitan ng isang kadahilanan ng 1.8 . Para sa 10 kW stack na may flow rate na 120 L kada minuto, ito ay isasalin sa karagdagang 0.6 bar ng pump work, na kumukonsumo ng tungkol sa 1.2 porsyento ng output ng stack power . Ang pinakamainam na window ng compression para sa graphite felt ay itinatakda sa pagitan 20 at 25 porsyento ng paunang kapal.
Long-Term Durability at Degradation Mechanisms
Ang pagkasira ng electrode sa ilalim ng mga kondisyon ng operating ay pangunahing hinihimok ng electrochemical oxidation ng carbon surface sa positibong bahagi. Isang grapayt ang nadama na hinawakan sa 1.6 V laban sa SIYA sa loob ng 1,000 oras sa isang half-cell test ay natalo 15 porsiyento ng mga paunang oxygen functional na grupo nito , na nagreresulta sa pagbaba ng kahusayan ng boltahe ng 3 porsyento . Ang kasalukuyang carbon corrosion na sinusukat sa potensyal na ito ay 8 microamps bawat cm2 , na tumutugma sa isang mass loss rate ng 0.12 mg bawat cm2 bawat 1,000 oras .
Upang pahabain ang buhay ng pagpapatakbo, maaaring muling buuin ng panaka-nakang potensyal na pagbaliktad o isang maikling cathodic pulse ang ilan sa mga nawawalang functional na grupo. Sa isang pinabilis na pagsubok sa pagtanda, ang isang cell ay sumailalim sa a minus 0.8 V pulse sa loob ng 60 segundo bawat 500 cycle nakabawi 80 porsiyento ng paunang boltahe na kahusayan pagkatapos ng 5,000 cycle, samantalang ang hindi ginagamot na control cell ay nananatili lamang 65 porsyento . Ang in-situ na diskarte sa pagbabagong-buhay na ito ay isinasama sa mga sistema ng pamamahala ng baterya ng susunod na henerasyong daloy ng mga stack ng baterya.
