Nghiên cứu Vật liệu Carbon Thấm Nanostructure làm Điện cực của Pin Vanadium Chảy

Russian Journal of Electrochemistry - Tập 57 - Trang 892-897 - 2021
V. A. Komarov1, A. N. Voropay1,2, M. N. Il’ina1, T. V. Goryacheva1
1Dubna State University, Dubna, Russia
2CJSC Technocomplekt, Dubna, Russia

Tóm tắt

Các pin vanadium chảy đang ngày càng được ưa chuộng trên thế giới và hiện đã vượt qua pin chì-axit về dung lượng lắp đặt, nhưng vẫn còn xa so với pin lithium-ion. Sự phân bổ rộng rãi của các hệ thống này cũng bị hạn chế bởi mật độ công suất thấp, do hoạt động điện xúc tác của các vật liệu điện cực đối với các ion vanadium là thấp, do đó, điện trở phân cực ở mật độ dòng cao là đáng kể. Do đó, trong nghiên cứu này, phương pháp biến đổi của các điện cực thấm để giảm tính điện trở của một ô pin chảy được thực hiện. Việc biến đổi được thực hiện bằng phương pháp phân hủy xúc tác nhiệt của propane/butane trên bề mặt của sợi carbon. Việc ứng dụng các cấu trúc nano sợi đã cho thấy khả năng giảm điện trở của pin tái sạc chảy từ 11 xuống còn 3.9 Ω cm2.

Từ khóa

#pin vanadium chảy #vật liệu carbon thấm #điện cực #hoạt động điện xúc tác #điện trở phân cực #cấu trúc nano

Tài liệu tham khảo

Nguyen, T. and Savinell, R.F., Flow batteries, Electrochem. Soc. Interface, 2010, vol. 19, p. 54. https://doi.org/10.1149/2.F06103if Lüth, T., König, S., Suriyah, M., and Leibfried, T., Passive components limit the cost reduction of conventionally designed vanadium redox flow batteries, Energy Procedia, 2018, vol. 155, p. 379. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.11.040 Wu, X., Xu, H., Lu, H., Zhao, H., Fu, H., Shen, H., Xu, H., and Dong, H., PbO2-modified graphite felt as the positive electrode for an all-vanadium redox flow battery, J. Power Sources, 2014, vol. 250, p. 274. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.11.021 Bevilacqua, N., Eifert, L., Banerjee, R., Köble, K., Faragó, T., Zuber, M., Bazylak, A., and Zeis, R., Visualization of electrolyte flow in vanadium redox flow batteries using synchrotron X-ray radiography and tomography—impact of electrolyte species and electrode compression, J. Power Sources, 2019, vol. 439, p. 227071. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227071 Eifert, L., Banerjee, R., Jusys, Z., and Zeis, R., Characterization of carbon felt electrodes for vanadium redox flow batteries: impact of treatment methods, J. Electrochem. Soc., 2018, vol. 165, p. A2577. https://doi.org/10.1149/2.0531811jes Kim, K.J., Park, M.-S., Kim, Y.-J., Kim, J.H., Dou, S.X., and Skyllas-Kazacos, M., A technology review of electrodes and reaction mechanisms in vanadium redox flowbatteries, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 16913. https://doi.org/10.1039/C5TA02613J Yue, L., Li, W.S., Sun, F.Q., Zhao, L.Z., and Xing, L.D., Highly hydroxylated carbon fibres as electrode materials of all-vanadium redox flow battery, Carbon, 2010, vol. 48, p. 3079. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.04.044 Sun, B. and Skyllas-Kazacos, M., Chemical modification of graphite electrode materials for vanadium redox flow battery application—part II. Acid treatments, Electrochim. Acta, 1992, vol. 37, p. 2459.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)87084-D Wu, Y. and Holze, R., Electrocatalysis at electrodes for vanadium redox flow batteries, Batteries, 2018, vol. 4, p. 47. https://doi.org/10.3390/batteries4030047 Wang, W.H. and Wang, X.D., Investigation of Ir-modifed carbon felt as the positive electrode of an all-vanadium redox flow battery, Electrochim. Acta, 2007, vol. 52, p. 6755. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.04.121 Yao, C., Zhang, H., Liu, T., Li, X., and Liu, Z., Carbon paper coated with supported tungsten trioxide as novel electrode for all-vanadium flow battery, J. Power Sources, 2012, vol. 218, p. 455. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.06.072 Kim, K.J., Park, M.S., Kim, J.H., Hwang, U., Lee, N.J., Jeong, G., and Kim, Y.J., Novel catalytic effects of Mn3O4 for all vanadium redox flow batteries, Chem. Commun., 2012, vol. 48, p. 5455. https://doi.org/10.1039/C2CC31433A Sun, B. and Skyllas-Kazacos, M., Modification of graphite electrode materials for vanadium redox flow battery application-I. Thermal treatment, Electrochim. Acta, 1992, vol. 37, p. 1253. https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R Han, P., Wang, H., Liu, Z., Chen, X., Ma, W., Yao, J., Zhu, Y., and Cui, G., Graphene oxide nanoplatelets as excellent electrochemical active materials for VO2+/ and V2+/V3+ redox couples for a vanadium redox flow battery, Carbon, 2011, vol. 49, p. 693. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 Vazquez-Galv, J., Flox, C., Jervis, J.R., Jorge, A.B., Shearing, P.R., and Morante, J.R., High-power nitrided TiO2 carbon felt as the negative electrode for all-vanadium redox flow batteries, Carbon, 2019, vol. 148, p. 91. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.067 Huang, R.-H., Sun, C.-H., and Tseng, T.-M., Chao, W.-K., Hsueh, K.-L., and Shieu, F.-S., Investigation of active electrodes modified with platinum/multiwalled carbon nanotube for vanadium redox flow battery, J. Electrochem. Soc., 2012, vol. 159, p. A1579. https://doi.org/10.1149/2.003210jes Jin, J., Fu, X., Liu, Q., Liu, Y., Wei, Z., Niu, K., and Zhang, J., Identifying the active site in nitrogen-doped graphene for the VO2+/VO2+ redox reaction, ACS Nano, 2013, vol. 7, no. 6, p. 4764. https://doi.org/10.1021/nn3046709 Wang, S., Zhao, X., Cochell, T., and Manthiram, A., Nitrogen-doped carbon nanotube/graphite felts as advanced electrode materials for vanadium redox flow batteries, J. Phys. Chem., 2012, vol. 3, p. 2164. https://doi.org/10.1021/jz3008744 Golovin, Yu.I., Golovin, D.Yu., Shuklinov, A.V., Stolyarov, R.A., and Vasyukov, V.M., Electrodeposition of nickel nanoparticles onto multiwalled carbon nanotubes, Tech. Phys. Lett., 2011, vol. 37, no. 3, p. 253. https://doi.org/10.1134/s1063785011030217 Temirgaliyeva, T.S., Nazhipkyzy, M., Nurgain, A., Mansurov, Z.A., and Bakenov, Z.B., Synthesis of carbon nanotubes on a shungite substrate and their use for lithium-sulfur batteries, J. Eng. Phys. Thermophys., 2018, vol. 91, p. 1295. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1861-5 Opar, D.O., Nankya, R., Lee, J., and Jung, H., Three-dimensional mesoporous graphene-modified carbon felt for high-performance vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2019, vol. 330, p. 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 Davies, T. and Tummino, J., High-performance vanadium redox flow batteries with graphite felt electrodes, J. Carbon Res., 2018, vol. 4, p. 8. https://doi.org/10.3390/c4010008 Chen, J.-Z., Liao, W.-Y., Hsieh, W.-Y., Hsu, C.-C., and Chen, Y.-S., All-vanadium redox flow batteries with graphite felt electrodes treated by atmospheric pressure plasma jets, J. Power Sources, 2015, vol. 274, p. 894. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.097 Shao, Y., Wang, X., Engelhard, M., Wang, C., Dai, S., Liu, J., Yang, Z., and Lin, Y., Nitrogen-doped mesoporous carbon for energy storage in vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 2010, vol. 195, p. 4375. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.01.015 Sun, J., Zeng, L., Jiang, H.R., Chao, C.Y.H., and Zhao, T.S., Formation of electrodes by self-assembling porous carbon fibers into bundles for vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 2018, vol. 405, p. 106. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.10.035 Oh, K., Moazzam, M., Gwak, G., and Ju, H., Water crossover phenomena in all-vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2008, vol. 297, pp. 101–111. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.151 Wei, X., Nie, Z., Luo, Q., Li, B., Chen, B., Simmons, K., Sprenkle, V., and Wang, W., Nanoporous polytetrafluoroethylene/silica composite separator as a highperformance all-vanadium redox flow battery membrane, Adv. Energy Mater., 2013, vol. 3, p. 1215. https://doi.org/10.1002/aenm.201201112 Wang, Q., Qu, Z.G., Jiang, Z.Y., and Yang, W.W., Experimental study on the performance of a vanadium redox flow battery with non-uniformly compressed carbon felt electrode, Appl. Energy, 2018, vol. 213, p. 293. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.01.047 Chen, J.-Y., Hsieh, C.-L., Hsu, N.-Y., Chou, Y.-S., and Chen, Y.-S., Determining the limiting current density of vanadium redox flow batteries, Energies, 2014, vol. 7, p. 5863. https://doi.org/10.3390/en7095863 Satola, B., Komsiyska, L., and Wittstock, G., Bulk aging of graphite-polypropylene current collectors induced by electrochemical cycling in the positive electrolyte of vanadium redox flow batteries, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, p. A2566. https://doi.org/10.1149/2.1261712jes