新型高效石墨烯/碳毡分级结构全钒液流电池电极材料

advs83-gra-0001-m全钒液流电池(VRFB)由于具有高容量、响应快、耐过载、维护费用低等优点,是电网、风能以及太阳能的理想储能方式之一。然而,VRFB的应用还面临诸多挑战,主要问题在于电极的电化学活性较低(一般为碳毡或石墨毡),从而影响了电池的储能效率。目前,较为有效的方法是提高电极的电化学活性比表面积,以提高电化学活性位点。最近的研究发现:石墨烯能明显提高VRFB的效率。主要源于石墨烯良好的导电性可有效降低电极接触电阻、促进电荷的有效转移。另外,石墨烯的巨大比表面积可显著增加钒离子的活性反应位点。要让石墨烯在全钒液流电池中发挥出显著效果,主要应实现两方面改进:(1)避免其在电极上简单堆积,而限制了电极的有效活性面积;(2)改善其与电极间的结合强度,以增强体系的结构稳定性。

最近,中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员及其研究团队与香港城市大学合作在新型全钒液流电池储能材料方面取得重要进展。他们采用一种简单微波等离子体增强化学气相沉积法,成功制备出了具有独特分级结构的钒液流电池储能新材料。该材料的设计思路为:采用微米级钒液流电池碳毡电极为基体,在其上合成出三维致密排列的石墨烯。这种新型分级结构不仅将传统碳毡电极的比表面积提高了一个数量级,同时致密排列的石墨烯为钒离子提供了大量的催化活性位点。通过系统全面的测试,他们发现这种石墨烯/碳毡分级材料将普通碳毡的氧化还原速率(VO2+/VO2+)提高了3倍,储能效率与传统碳毡相比提高了11%。 此外,他们发现这种新型材料表现出优异的电池稳定性,充放电循环100次后形貌未发生明显变化。特别是循环后的电极材料还可以在其他电池中重复使用多次,并能表现出同样优异的性能。该研究结果对发展新型高效VRFB材料具有重要的指导意义。相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201500276)。