Najučinkovitiji materijal elektrode za vanadijeve redoks protočne baterije je a grafit na bazi poliakrilonitrila koji se termički aktivira na 450 stupnjeva C tijekom 4 sata na zraku . Ovaj tretman povećava specifičnu površinu 6,5 m2 po gramu , povećava atomski omjer kisika i ugljika na 0.12 , i proizvodi naponsku učinkovitost od 86,5 posto na 100 mA po cm2 . Rezultirajuća elektroda daje energetsku učinkovitost iznad 80 posto tijekom životnog ciklusa koji prelazi 15 000 ciklusa punjenja i pražnjenja, izravno smanjujući nivelirane troškove skladištenja za približno 8 posto u usporedbi s neobrađenim filcom.
Materijal elektrode Zahtjevi za protočne baterije
Elektroda protočne baterije mora osigurati trofazno sučelje gdje se susreću tekući elektrolit, čvrsta elektroda i kolektor struje. Osnovna fizikalna svojstva koja upravljaju učinkom uključuju visoku električnu vodljivost, veliku specifičnu površinu za elektrokemijske reakcije, dobru sposobnost vlaženja elektrolitom i ekstremnu otpornost na elektrokemijsku koroziju u koncentriranoj sumpornoj kiselini pri potencijalima iznad 1,5 V naspram SHE .
- Električna vodljivost kroz ravninu trebala bi premašiti 5 S po cm kako bi se minimalizirao ohmski gubitak u tipičnoj komprimiranoj debljini od 2 do 4 mm.
- Specifična površina od najmanje 3 m2 po gramu je potreban za održavanje otpora prijenosa naboja ispod 1 ohma po cm2 pri praktičnim gustoćama struje.
- Kontaktni kut s 1,6 M vanadijevim elektrolitom mora pasti ispod 60 stupnjeva nakon aktivacije, osiguravajući potpuno vlaženje pora i iskorištenje.
- Stopa korozije mora ostati ispod 1 mikrogram po cm2 na sat s pozitivne strane potencijal za jamstvo 20-godišnjeg vijeka trajanja dimnjaka.
Usporedna izvedba karbonskog filca, papira i tkanine
Tri supstrata na bazi ugljika dominiraju elektrodama protočne baterije. Njihova sirova svojstva prije aktivacije diktiraju dostižnu gornju granicu učinkovitosti. Donja tablica sažima početne karakteristike najčešćih tipova.
| Materijal | Početna površina (m2/g) | Električna vodljivost (S/cm) | Propusnost kroz ravninu (m2) |
|---|---|---|---|
| Grafitni filc | 0,5 do 1,2 | 8.5 | 5 x 10 na stepen minus 10 |
| Karbonski papir | 0,2 do 0,8 | 45.0 | 1 x 10 na stepen minus 12 |
| Karbonska tkanina | 0,8 do 2,0 | 12.0 | 8 x 10 na stepen minus 10 |
Grafitni filc preferira se zbog svoje visoke volumetrijske poroznosti i niske cijene. Karbonski papir nudi najveću vodljivost, ali ima nisku propusnost, što ga čini prikladnim samo za protočne ćelijske arhitekture s tankim elektrodama. Karbonska tkanina pruža ravnotežu, ali ima ograničenu kompresivnost, što rezultira većim kontaktnim otporom s bipolarnom pločom.
Strategije toplinske i kemijske aktivacije
Netretirane ugljične elektrode su hidrofobne i elektrokatalitički inertne. Aktivacija uvodi funkcionalne skupine koje sadrže kisik kao što su karbonil, karboksil i hidroksil koji djeluju kao aktivna mjesta za vanadijeve redoks reakcije. Standardni protokol toplinske aktivacije slijedi točan slijed.
- Pojačajte grafitni filc sa sobne temperature na 450 stupnjeva C brzinom od 5 stupnjeva C po minuti u zračnoj atmosferi.
- Držite na 450 stupnjeva C 4 sata kako bi se postigao gubitak mase od 2 do 3 posto bez ugrožavanja mehaničke cjelovitosti.
- Ohladite prirodnim putem na ispod 80 stupnjeva C prije uklanjanja kako biste spriječili termalni šok.
Nakon tretmana, omjer O prema C raste od 0,03 do 0.12 , kontaktni kut vode pada od 125 stupnjeva do 55 stupnjeva , a vršna gustoća struje za reakciju VO2 pozitivnih na VO2 pozitivne ione povećava se za 35 posto u cikličkoj voltametriji. Obrada kiselinom kipućom koncentriranom dušičnom kiselinom za 30 minuta postiže sličan stupanj oksidacije, ali može ostaviti zaostale nitrate koji se moraju ispirati najmanje 2 sata u deioniziranoj vodi.
Modifikacija katalizatora metala i metalnih oksida
Taloženje katalitičkih nanočestica na površinu aktivnog ugljena dodatno smanjuje otpor prijenosu naboja. Bizmut, iridijev oksid i manganov oksid najviše su proučavani modifikatori. Elektrotaloženo opterećenje bizmutom od 15 mikrograma po cm2 na filc elektrodi pomiče početni potencijal za redukciju V3 pozitivnih na V2 pozitivne ione za 60 mV i smanjuje otpor prijenosu naboja iz 2,8 oma po cm2 do 1,2 oma po cm2 .
Nanožice manganovog oksida uzgojene hidrotermalno izravno na ugljikovim vlaknima povećavaju specifični kapacitet elektrode na 45 F po cm2 , pružajući lokalni međuspremnički učinak koji dodatno poboljšava učinkovitost napona 2,5 postotnih bodova tijekom pulsiranja visoke brzine. Međutim, dugoročna stabilnost ovih katalizatora mora se provjeriti pod ponovljenim potencijalnim cikliranjem; iridijev oksid se otapa brzinom od 0,3 ng po ciklusu u 2 M sumpornoj kiselini, što dovodi do slabljenja performansi koje se može uočiti nakon 2000 ciklusa .
Kompresija elektrode i sastavljanje ćelije
Stupanj kompresije koji se primjenjuje prilikom slaganja ćelija izravno određuje otpor specifičan za područje i pad tlaka na putu elektrolita. Optimalni omjer kompresije uravnotežuje ova dva faktora. Za filc debljine 3 mm, kompresija do 2,1 mm (30 posto naprezanja) smanjuje kontaktni otpor između elektrode i grafitne bipolarne ploče iz 0,8 ohma po cm2 do 0,35 ohma po cm2 , smanjujući ukupni otpor snopa za otprilike 25 posto .
Istovremeno, smanjenje poroznosti s 85 posto na 75 posto povećava pad tlaka elektrolita za faktor od 1.8 . Za dimnjak od 10 kW s protokom od 120 L po minuti, to znači dodatni 0,6 bara rada crpke, koji troši oko 1,2 posto izlazne snage stoga . Optimalni okvir kompresije za grafitni filc stoga je postavljen između 20 i 25 posto početne debljine.
Dugotrajna trajnost i mehanizmi razgradnje
Degradacija elektrode u radnim uvjetima prvenstveno je uzrokovana elektrokemijskom oksidacijom površine ugljika na pozitivnoj strani. Grafitni filc držan na 1,6 V u odnosu na ONU za 1000 sati u polućelijskom testu gubi 15 posto svojih početnih kisikovih funkcionalnih skupina , što rezultira padom učinkovitosti napona od 3 posto . Struja korozije ugljika mjerena na ovom potencijalu je 8 mikroampera po cm2 , što odgovara stopi gubitka mase od 0,12 mg po cm2 na 1000 sati .
Kako bi se produžio radni vijek, periodično preokretanje potencijala ili kratki katodni puls mogu regenerirati neke od izgubljenih funkcionalnih skupina. U testu ubrzanog starenja, stanica podvrgnuta a minus 0,8 V puls 60 sekundi svakih 500 ciklusa oporavio se 80 posto početne učinkovitosti napona nakon 5000 ciklusa, dok je netretirana kontrolna stanica zadržala samo 65 posto . Ova strategija regeneracije na licu mjesta integrirana je u sustave upravljanja baterijama sljedeće generacije protočnih baterijskih sklopova.
