플로우 배터리 전극 재료: 흑연 펠트 활성화 및 성능

바나듐 레독스 흐름 배터리에 가장 효과적인 전극 재료는 폴리아크릴로니트릴 기반 흑연 펠트는 공기 중에서 450°C에서 4시간 동안 열 활성화되었습니다. . 이 처리는 비표면적을 증가시켜 그램당 6.5m2 , 산소 대 탄소 원자 비율을 0.12 , 그리고 다음과 같은 전압 효율을 생성합니다. cm2당 100mA에서 86.5% . 생성된 전극은 15,000회 충방전 주기를 초과하는 주기 수명 동안 80% 이상의 에너지 효율을 제공하며, 처리되지 않은 펠트에 비해 균일화된 보관 비용을 약 8% 직접적으로 절감합니다.

전극재료 플로우 배터리 요구 사항

플로우 배터리 전극은 액체 전해질, 고체 전극 및 집전체가 만나는 3상 인터페이스를 제공해야 합니다. 성능을 좌우하는 필수 물리적 특성에는 높은 전기 전도성, 전기화학 반응을 위한 충분한 비표면적, 전해질에 의한 우수한 습윤성, 위 전위에서 진한 황산의 전기화학적 부식에 대한 극도의 저항성 등이 포함됩니다. 1.5V 대 SHE .

• 평면을 통한 전기 전도성은 다음을 초과해야 합니다. cm당 5S 일반적인 압축 두께 2~4mm에서 저항 손실을 최소화합니다.
• 비표면적은 적어도 그램당 3m2 실제 전류 밀도에서 cm2당 1Ω 미만의 전하 이동 저항을 유지해야 합니다.
• 1.6M 바나듐 전해질과의 접촉각은 아래로 낮아야 합니다. 60도 활성화 후 완벽한 모공습윤 및 활용을 보장합니다.
• 부식율은 이하로 유지되어야 합니다. 시간당 cm2당 1마이크로그램 긍정적인 측면에서는 20년의 스택 수명을 보장할 수 있습니다.

카본 펠트, 종이, 천의 성능 비교

3개의 탄소 기반 기판이 플로우 배터리 전극을 지배합니다. 활성화 전의 원시 속성에 따라 달성 가능한 효율성 상한선이 결정됩니다. 아래 표에는 가장 일반적인 유형의 초기 특성이 요약되어 있습니다.

흑연 펠트는 높은 체적 다공성과 저렴한 비용으로 인해 선호됩니다. 카본 페이퍼는 가장 높은 벌크 전도성을 제공하지만 투과성이 낮아 얇은 전극이 있는 흐름형 셀 아키텍처에만 적합합니다. 탄소 천은 균형을 제공하지만 압축성이 제한되어 양극판과의 접촉 저항이 높아집니다.

열적 및 화학적 활성화 전략

처리되지 않은 탄소 전극은 소수성이고 전기촉매적으로 불활성입니다. 활성화하면 바나듐 산화환원 반응의 활성 부위로 작용하는 카르보닐, 카르복실, 수산기와 같은 산소 함유 작용기가 도입됩니다. 표준 열 활성화 프로토콜은 정확한 순서를 따릅니다.

1. 흑연 펠트를 실온에서 실온으로 증가시킵니다. 섭씨 450도 공기 분위기에서 분당 5℃의 속도로.
2. 450도 C에서 유지 4시간 기계적 무결성을 손상시키지 않고 2~3%의 질량 손실을 달성합니다.
3. 열 충격을 방지하기 위해 제거하기 전에 80°C 이하로 자연 냉각시키십시오.

치료 후 O 대 C 비율은 0.03에서 0.03으로 증가합니다. 0.12 , 물 접촉각은 다음과 같이 떨어집니다. 125도 ~ 55도 VO2 양이온과 VO2 양이온의 반응에 대한 피크 전류 밀도는 다음과 같이 증가합니다. 35% 순환전압전류법에서. 비등하는 진한 질산으로 산 처리 30분 비슷한 정도의 산화를 달성하지만 최소 2시간 동안 탈이온수로 헹구어야 하는 잔류 질산염이 남을 수 있습니다.

금속 및 금속 산화물 촉매 변형

활성탄 표면에 촉매 나노입자를 증착하면 전하 이동 저항이 더욱 감소합니다. 비스무트, 산화이리듐, 산화망간은 가장 많이 연구된 개질제입니다. 전착된 비스무트 로딩 cm2당 15마이크로그램 펠트 전극에서 V3 양이온의 시작 전위를 V2 양이온 환원으로 이동시킵니다. 60mV 그리고 전하 이동 저항을 낮춰줍니다. cm2당 2.8옴 ~ cm2당 1.2옴 .

탄소섬유에 직접 열수적으로 성장한 산화망간 나노와이어는 전극의 비정전용량을 증가시켜 cm2당 45F , 추가로 전압 효율을 향상시키는 로컬 버퍼링 효과 제공 2.5% 포인트 고속 펄스 중. 그러나 이러한 촉매의 장기 안정성은 반복적인 전위 사이클링에서 검증되어야 합니다. 산화 이리듐은 다음과 같은 속도로 용해됩니다. 사이클당 0.3ng 2M 황산에서는 성능 저하가 감지될 수 있습니다. 2,000사이클 .

전극 압축 및 셀 조립 고려 사항

셀을 적층할 때 적용되는 압축 정도에 따라 영역별 저항과 전해질 경로 전체의 압력 강하가 직접적으로 결정됩니다. 최적의 압축 비율은 이 두 요소의 균형을 유지합니다. 3mm 두께의 펠트의 경우 압축 2.1mm(30% 변형) 전극과 흑연분리판 사이의 접촉 저항을 감소시킵니다. cm2당 0.8옴 ~ cm2당 0.35옴 , 총 스택 저항을 대략적으로 줄입니다. 25% .

동시에 다공도가 85%에서 75%로 감소하면 전해질 압력 강하가 1배 증가합니다. 1.8 . 분당 120L의 유량을 갖는 10kW 스택의 경우 이는 추가로 해석됩니다. 0.6바 대략 소모하는 펌프 일의 스택 전력 출력의 1.2% . 따라서 흑연 펠트에 대한 최적의 압축 창은 다음 사이로 설정됩니다. 20%와 25% 초기 두께의

장기 내구성 및 분해 메커니즘

작동 조건에서 전극 열화는 주로 양극 측 탄소 표면의 전기화학적 산화에 의해 발생합니다. 흑연 펠트가 에 고정되었습니다. 1.6V 대 SHE 반쪽 전지 테스트에서 1,000시간 동안 손실됨 초기 산소 작용기의 15% , 그 결과 전압 효율이 다음과 같이 떨어집니다. 3% . 이 전위에서 측정된 탄소 부식 전류는 다음과 같습니다. cm2당 8 마이크로암페어 , 질량 손실률에 해당 1,000시간당 cm2당 0.12mg .

작동 수명을 연장하기 위해 주기적인 전위 반전 또는 짧은 음극 펄스를 통해 손실된 기능 그룹 중 일부를 재생할 수 있습니다. 가속 노화 테스트에서, 500사이클마다 60초 동안 마이너스 0.8V 펄스 회복됨 초기 전압 효율의 80% 5,000주기 후에는 처리되지 않은 대조군 세포는 65% . 이러한 현장 재생 전략은 차세대 플로우 배터리 스택의 배터리 관리 시스템에 통합되고 있습니다.