高效能复合电极应用于全钒液流电池

高效能复合电极应用于全钒液流电池

  全钒液流电池(VRFB)是一种电化学能源储存设备,通过在电解液中的VO + /VO 2+与V 2+ /V 3+氧化还原物质来储存和释放电能。即由改变储存槽的体积大小,它可以储存kWh到MWh级别的电能。为了改善其能量效率,国立台湾科技大学研究团队聚焦在碳材表面改性方式,如酸处理、热活化、水活化、电浆处理、使用氮掺杂剂以及用金属氧化物或复合材料的改性。研究发现,将简单、便宜、高氧空缺浓度和具导电性的W 18 O 49纳米线作为催化剂来增强电极的电化学活性,当使用在全钒液流电池中,更显示出高效能和长时间的稳定性。


近年来,由于化石燃料逐渐耗尽与环境保护政策的订定,风力与太阳能发电等可再生能源的需求快速提升。然而,为改善可再生能源不稳定供电的特性,能源储存系统的使用十分重要。目前已有多种不同的储能技术被开发出来,其中,全钒液流电池(VRFB)因为拥有高弹性的功率与电容量设计、较长寿命、低成本等特性,广受到各界的关注。其正极端反应离子为VO + /VO 2+,负极端则为V 2+ /V 3+,因为两极皆利用钒离子的价态转换来发电,故减轻了离子渗透所带来的损失影响;此外,由于这些离子的氧化还原反应皆发生在极板上,故电极在电池中扮演相当重要的角色。一般而言,全钒液流电池常用碳材做为电极材料,例如碳纸、碳毡、石墨毡等,然而,未经处理的碳材具有疏水、动力学可逆性差等特性,为解决这些问题,电化学活化、酸处理、热处理等处理方式被相继开发。本研究团队曾利用竹子型纳米碳管附着于官能化石墨毡表面来改善电极的可逆性与活性[1];而为了准确控制石墨毡电极表面的官能基数量,本团队也成功开发出高温水蒸气活化法[2]与高温二氧化碳活化法[3]等两种有效的处理方式;此外,为进一步加强电池的效能,研发各种金属氧化物改质石墨毡也是本团队所重视的。其中,铌掺杂氧化钨纳米线表现了良好的电化学催化活性与可逆性[4],由使用适量且分布均匀的氧化钽纳米颗粒改性石墨毡,全钒液流电池展现了高度的稳定性与效能提升[5]。由上述例子可知,适量且分布均匀的金属氧化物纳米颗粒能提供石墨毡表面更高的亲水性与更多的反应活性点,进而显著地提升电池的效率。

获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

根据先前研究经验,合适的金属氧化物作为全钒液流电池的催化剂必需有几个特性:在酸性溶液中具高稳定性、土壤中常见之元素、无毒和易于制备。研究团队由一步骤的水热法于石墨毡表面上合成出简单、低价且导电的W 18 O 49纳米线作为催化剂,并于450°C的氩气中退火(以W 18 O 49 – GF表示)或是氢/氩混合气中退火(以HW 18 O 49 -GF表示)2小时。因为W 18 O 49具有不寻常的缺陷结构和纳米尺寸的单斜晶相,因此它有利于沿[010]方向的强异向性生长行为,进而形成一维纳米棒或纳米线,而其表面大量的氧空缺不仅提供了催化钒离子氧化还原反应的活性点,也提高了电导率。在氢/氩混合气中退火之后,W 18 O 49的结晶度降低是归因于晶格氧还原而产生的晶格缺陷。此外,低价态W 4+和W 5+的增加可能与带正电的氧空缺产生以及伴随电荷补偿电子的形成有关。因此,HW 18 O 49 -GF的颜色与W 18 O 49 -GF的颜色有所不同,前者为深蓝色,而后者是蓝色,此颜色差异源自于HW18 O 49 -GF的氧缺陷程度不同。研究人员将W 18 O 49 -GF和HW 18 O 49 NWs-GF在全钒液流电池中进行充放电测试,于0.7 V至1.6 V之的电位下以80 mA cm-2的电流密度进行评估,其中HW 18 O 49 NWs- GF不仅显示出最高的能量效率,且具有最长的放电时间。HW 18 O 49 -GF的高电化学性能归因于以下特性。首先,大量氧空缺的存在充当钒离子氧化还原反应的活性点;其次,由于特殊的一维结构,HW 18 O 49 -GF具备了电荷传输通道,从而降低了电阻;第三,亚化学计量的HW 18 O 49 -GF使电解质易于在复合电极内扩散。因此,使用HW 18 O 49 -GF作为复合电极的全钒液流电池显示出显著提高的效率和出色的稳定性。

高效能复合电极应用于全钒液流电池

参考文献

[1] Y.-C. Chang, Y.-C. Shih, J.-Y. Chen, G.-Y. Lin, N.-Y. Hsu, Y.-S. Chou, C.-H. Wang, RSC Advances, 6 (2016) 102068-102075. 10.1039/C6RA22035E

[2] DM Kabtamu, J.-Y. Chen, Y.-C. Chang, C.-H. Wang, J. Power Sources, 341 (2017) 270-279. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.12.004

[3] Y.-C. Chang, J.-Y. Chen, DM Kabtamu, G.-Y. Lin, N.-Y. Hsu, Y.-S. Chou, H.-J. Wei, C. -H. Wang, J. Power Sources, 364 (2017) 1-8. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.103

[4] DM Kabtamu, J.-Y. Chen, Y.-C. Chang, C.-H. Wang, J. Mater. Chem. A, 4 (2016) 11472-11480. 10.1039/C6TA03936G

[5] AW Bayeh, DM Kabtamu, Y.-C. Chang, G.-C. Chen, H.-Y. Chen, G.-Y. Lin, T.-R. Liu, TH Wondimu, K.- C. Wang, C.-H. Wang, ACS Sustain. Chem. Eng., 6 (2018) 3019-3028. 10.1021/acssuschemeng.7b02752

作者简介:王丞浩教授任职于国立台湾科技大学材料科学与工程系,并同时担任副研发长一职。目前研究领域专注在催化剂与电极,并应用于燃料电池、电解水、超级电容、液流电池以及CO2光还原等领域。

你可能感兴趣的文章:

上一篇:

下一篇:


标签