Tehokkain elektrodimateriaali vanadiini-pelkistysvirtausakkuihin on a polyakryylinitriilipohjainen grafiittihuopa lämpöaktivoituna 450 asteessa 4 tunnin ajan ilmassa . Tämä käsittely lisää ominaispinta-alaa 6,5 m2 grammaa kohden , nostaa happi-hiiliatomisuhteen 0.12 , ja tuottaa jännitehyötysuhteen 86,5 prosenttia 100 mA per cm2 . Tuloksena oleva elektrodi tuottaa yli 80 prosentin energiatehokkuuden yli 15 000 lataus-purkausjakson aikana, mikä vähentää suoraan varastointikustannuksia noin 8 prosenttia verrattuna käsittelemättömään huopaan.
Elektrodin materiaali Flow-akkujen vaatimukset
Virtausakkuelektrodin on tarjottava kolmivaiheinen liitäntä, jossa nestemäinen elektrolyytti, kiinteä elektrodi ja virran kerääjä kohtaavat. Suorituskykyä sääteleviä keskeisiä fysikaalisia ominaisuuksia ovat korkea sähkönjohtavuus, suuri ominaispinta-ala sähkökemiallisia reaktioita varten, hyvä elektrolyytin kostuvuus ja äärimmäinen sähkökemiallisen korroosionkestävyys väkevässä rikkihapossa ylimmillä potentiaaleilla. 1,5 V vs. SHE .
- Läpi tason sähkönjohtavuuden tulisi ylittää 5 S per cm ohmisen häviön minimoimiseksi tyypillisellä 2–4 mm:n kokoonpuristetulla paksuudella.
- Ominaispinta-ala vähintään 3 m2 grammaa kohden vaaditaan varauksensiirtovastuksen ylläpitämiseksi alle 1 ohmin per cm2 käytännön virrantiheydillä.
- Kosketuskulman 1,6 M vanadiinielektrolyytin kanssa tulee laskea alle 60 astetta aktivoinnin jälkeen, mikä varmistaa huokosten täydellisen kostutuksen ja käytön.
- Korroosionopeuden tulee pysyä alle 1 mikrogramma per cm2 tunnissa positiivisella puolella potentiaalin taata 20 vuoden pinon käyttöikä.
Hiilihuovan, paperin ja kankaan vertaileva suorituskyky
Kolme hiilipohjaista substraattia hallitsee virtausakkuelektrodeja. Niiden raakaominaisuudet ennen aktivointia sanelevat tehokkuuden saavutettavissa olevan katon. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto yleisimpien tyyppien alkuperäisistä ominaisuuksista.
| Materiaali | Alkupinta-ala (m2/g) | Sähkönjohtavuus (S/cm) | Läpäisevyys tason läpi (m2) |
|---|---|---|---|
| Grafiittihuopa | 0,5 - 1,2 | 8.5 | 5 x 10 potenssilla miinus 10 |
| Hiilipaperi | 0,2 - 0,8 | 45.0 | 1 x 10 potenssilla miinus 12 |
| Hiilikangasta | 0,8 - 2,0 | 12.0 | 8 x 10 potenssilla miinus 10 |
Grafiittihuopa on edullinen sen suuren tilavuushuokoisuuden ja alhaisten kustannusten vuoksi. Hiilipaperi tarjoaa suurimman bulkkijohtavuuden, mutta kärsii alhaisesta läpäisevyydestä, joten se sopii vain läpivirtauskennoarkkitehtuureihin, joissa on ohuet elektrodit. Hiilikangas tarjoaa tasapainon, mutta sillä on rajoitettu kokoonpuristuvuus, mikä johtaa suurempaan kosketusvastukseen bipolaarisen levyn kanssa.
Lämpö- ja kemialliset aktivointistrategiat
Käsittelemättömät hiilielektrodit ovat hydrofobisia ja elektrokatalyyttisesti inerttejä. Aktivointi tuo happea sisältäviä funktionaalisia ryhmiä, kuten karbonyyliä, karboksyyliä ja hydroksyyliä, jotka toimivat aktiivisina paikkoina vanadiini-pelkistysreaktioissa. Normaali lämpöaktivointiprotokolla noudattaa tarkkaa järjestystä.
- Nosta grafiittihuopa huoneenlämpötilasta 450 astetta C nopeudella 5 astetta C minuutissa ilmakehässä.
- Pidä 450 asteessa 4 tuntia saavuttaa 2-3 prosentin massahäviö vaarantamatta mekaanista eheyttä.
- Jäähdytä luonnollisesti alle 80 asteeseen ennen poistamista lämpöshokin estämiseksi.
Käsittelyn jälkeen O:C-suhde nousee arvosta 0,03 arvoon 0.12 , veden kosketuskulma laskee 125 - 55 astetta , ja VO2-positiivisen VO2-positiivisen ionireaktion huippuvirrantiheys kasvaa 35 prosenttia syklisessä voltammetriassa. Happokäsittely kiehuvalla väkevällä typpihapolla varten 30 minuuttia saavuttaa saman hapetusasteen, mutta voi jättää nitraattijäämiä, joita on huuhdeltava vähintään 2 tuntia deionisoidussa vedessä.
Metallin ja metallioksidin katalyytin modifiointi
Katalyyttisten nanohiukkasten kerrostaminen aktiivihiilen pinnalle vähentää edelleen varauksensiirtovastusta. Vismutti, iridiumoksidi ja mangaanioksidi ovat tutkituimpia modifioijia. Sähkösaostettu vismuttilataus 15 mikrogrammaa per cm2 huopaelektrodilla siirtää V3-positiivisen V2-positiivisen ionipelkistyksen aloituspotentiaalia 60 mV ja alentaa varauksen siirtovastusta 2,8 ohmia/cm2 - 1,2 ohmia/cm2 .
Mangaanioksidin nanolangat, jotka on kasvatettu hydrotermisesti suoraan hiilikuiduille, lisäävät elektrodin ominaiskapasitanssia 45 F per cm2 , joka tarjoaa paikallisen puskurointivaikutuksen, joka parantaa jännitteen hyötysuhdetta 2,5 prosenttiyksikköä nopean pulssin aikana. Näiden katalyyttien pitkän aikavälin stabiilius on kuitenkin tarkistettava toistuvilla mahdollisilla kierroksilla; iridiumoksidi liukenee nopeudella 0,3 ng sykliä kohden 2 M rikkihapossa, mikä johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen, joka on havaittavissa sen jälkeen 2000 sykliä .
Elektrodien puristamiseen ja kennojen kokoamiseen liittyviä huomioita
Kennojen pinoamisen yhteydessä käytetty puristusaste määrittää suoraan aluekohtaisen vastuksen ja painehäviön elektrolyyttireitin poikki. Optimaalinen pakkaussuhde tasapainottaa nämä kaksi tekijää. 3 mm paksuiselle huopalle puristus 2,1 mm (30 prosentin jännitys) vähentää kosketusvastusta elektrodin ja grafiittibipolaarisen levyn välillä 0,8 ohmia/cm2 - 0,35 ohmia/cm2 , mikä vähentää pinon kokonaisvastusta noin 25 prosenttia .
Samanaikaisesti huokoisuuden vähentäminen 85 prosentista 75 prosenttiin lisää elektrolyytin paineen alenemista kertoimella. 1.8 . 10 kW:n pinolla, jonka virtausnopeus on 120 litraa minuutissa, tämä tarkoittaa ylimääräistä 0,6 baaria pumpputyöstä, joka kuluttaa n 1,2 prosenttia pinon tehosta . Siksi grafiittihuovan optimaalinen puristusikkuna on asetettu väliin 20 ja 25 prosenttia alkuperäisestä paksuudesta.
Pitkäaikainen kestävyys ja hajoamismekanismit
Elektrodien hajoaminen käyttöolosuhteissa johtuu ensisijaisesti hiilen pinnan sähkökemiallisesta hapetuksesta positiivisella puolella. Grafiittihuopa pidettiin kiinni 1,6 V vs. SHE 1000 tuntia puolisolutestissä menettää 15 prosenttia sen alkuperäisistä happifunktionaalisista ryhmistä , mikä johtaa jännitteen hyötysuhteen laskuun 3 prosenttia . Tällä potentiaalilla mitattu hiilen korroosiovirta on 8 mikroampeeria per cm2 , joka vastaa massahäviönopeutta 0,12 mg/cm2/1000 tuntia .
Käyttöiän pidentämiseksi ajoittainen potentiaalinvaihto tai lyhyt katodinen pulssi voivat palauttaa osan kadonneista toiminnallisista ryhmistä. Nopeutetussa ikääntymistestissä solulle altistettiin a miinus 0,8 V pulssi 60 sekunnin ajan 500 syklin välein toipunut 80 prosenttia alkuperäisen jännitteen hyötysuhteesta 5 000 syklin jälkeen, kun taas käsittelemätön kontrollisolu säilyi vain 65 prosenttia . Tämä in situ -regenerointistrategia integroidaan seuraavan sukupolven virtausakkupinojen akunhallintajärjestelmiin.
