A vanádium redox flow akkumulátorok leghatékonyabb elektródaanyaga a poliakrilnitril alapú grafit filc 450 C-on 4 órán keresztül levegőn termikusan aktiválva . Ez a kezelés növeli a fajlagos felületet 6,5 m2 grammonként , az oxigén-szén atomarányt a 0.12 , és a feszültség hatásfokát állítja elő 86,5 százalék 100 mA/cm2-nél . Az így kapott elektróda 80 százalék feletti energiahatékonyságot biztosít a 15 000 töltési-kisütési ciklust meghaladó ciklus élettartama alatt, ami közvetlenül csökkenti a tárolás kiegyenlített költségét körülbelül 8 százalékkal a kezeletlen filchez képest.
Elektróda anyaga Követelmények az áramlási akkumulátorokkal szemben
Az áramlási akkumulátor-elektródának háromfázisú interfészt kell biztosítania, ahol a folyékony elektrolit, a szilárd elektróda és az áramkollektor találkozik. A teljesítményt meghatározó alapvető fizikai tulajdonságok közé tartozik a nagy elektromos vezetőképesség, az elektrokémiai reakciókhoz szükséges bőséges fajlagos felület, az elektrolit jó nedvesíthetősége és az elektrokémiai korrózióval szembeni rendkívüli ellenállás tömény kénsavban a feletti potenciáloknál. 1,5 V kontra SHE .
- Az átmenő sík elektromos vezetőképességének meg kell haladnia 5 S per cm az ohmikus veszteség minimalizálása tipikus 2-4 mm-es tömörített vastagságban.
- A fajlagos felület legalább 3 m2 grammonként szükséges ahhoz, hogy a töltésátviteli ellenállás 1 ohm/cm2 alatt maradjon gyakorlati áramsűrűség mellett.
- Az 1,6 M vanádium elektrolit érintkezési szögének alá kell csökkennie 60 fok aktiválás után teljes pórusnedvesedés és hasznosulás biztosítása.
- A korróziós sebesség alatt kell maradnia 1 mikrogramm per cm2 per óra pozitív oldalon, hogy garantálja a 20 éves veremélettartamot.
Szénfilc, papír és szövet összehasonlító teljesítménye
Három szénalapú hordozó uralja az áramlási akkumulátor elektródákat. Az aktiválás előtti nyers tulajdonságaik határozzák meg a hatékonyság elérhető plafonját. Az alábbi táblázat a leggyakoribb típusok kezdeti jellemzőit foglalja össze.
| Anyag | Kezdeti felület (m2/g) | Elektromos vezetőképesség (S/cm) | Átmenő sík áteresztőképesség (m2) |
|---|---|---|---|
| Grafit filc | 0,5-1,2 | 8.5 | 5 x 10 mínusz 10 hatványa szerint |
| Karbon papír | 0,2-0,8 | 45.0 | 1 x 10 mínusz 12 hatványa szerint |
| Szénszövet | 0,8-2,0 | 12.0 | 8 x 10 mínusz 10 hatványig |
A grafit nemezt előnyös nagy térfogati porozitása és alacsony költsége miatt. A szénpapír a legmagasabb ömlesztett vezetőképességgel rendelkezik, de alacsony permeabilitása miatt csak vékony elektródákkal rendelkező átfolyó cellákhoz alkalmas. A szénszövet egyensúlyt biztosít, de korlátozott az összenyomhatósága, ami nagyobb érintkezési ellenállást eredményez a bipoláris lemezzel.
Termikus és kémiai aktiválási stratégiák
A kezeletlen szénelektródák hidrofóbok és elektrokatalitikusan inertek. Az aktiválás oxigéntartalmú funkciós csoportokat, például karbonil-, karboxil- és hidroxicsoportokat vezet be, amelyek a vanádium-redox reakciók aktív helyeiként működnek. A szabványos termikus aktiválási protokoll pontos sorrendet követ.
- A grafitfilcet szobahőmérsékletről lejjebb emeljük 450 fok C percenként 5 C fokos sebességgel légkörben.
- Tartsa 450 C fokon 4 óra hogy 2-3 százalékos tömegveszteséget érjünk el a mechanikai integritás veszélyeztetése nélkül.
- Hűtse le természetesen 80 C alá, mielőtt kiveszi a hősokkot.
A kezelés után az O-C arány 0,03-ról emelkedik 0.12 , a víz érintkezési szöge felől csökken 125 fok és 55 fok között , és a VO2 pozitív VO2 pozitív ionreakció csúcsáramsűrűsége növekszik 35 százalék ciklikus voltammetriában. Savas kezelés forrásban lévő tömény salétromsavval a 30 perc hasonló oxidációs fokot ér el, de nitrátmaradványokat hagyhat maga után, amelyeket legalább 2 órán keresztül ionmentesített vízben kell öblíteni.
Fém és fém-oxid katalizátor módosítása
A katalitikus nanorészecskék lerakása az aktív szén felületére tovább csökkenti a töltésátviteli ellenállást. A bizmut, az irídium-oxid és a mangán-oxid a legtöbbet vizsgált módosító szerek. Elektromosan leválasztott bizmut töltés 15 mikrogramm per cm2 filcelektródán a V3 pozitív ionredukció kezdeti potenciálját V2 pozitívra tolja el 60 mV és csökkenti a töltésátviteli ellenállást a 2,8 ohm/cm2 – 1,2 ohm/cm2 .
A közvetlenül a szénszálon hidrotermálisan növesztett mangán-oxid nanohuzalok növelik az elektróda fajlagos kapacitását. 45 F per cm2 , olyan helyi pufferhatást biztosítva, amely további mértékben javítja a feszültség hatásfokát 2,5 százalékponttal nagyfrekvenciás pulzálás során. Azonban ezeknek a katalizátoroknak a hosszú távú stabilitását ismételt potenciálciklusokkal kell ellenőrizni; Az irídium-oxid sebességgel oldódik 0,3 ng ciklusonként 2 M kénsavban, ami után észlelhető teljesítmény-fakuláshoz vezet 2000 ciklus .
Az elektródák összenyomásával és a cella összeállításával kapcsolatos megfontolások
A cellák egymásra helyezésekor alkalmazott kompresszió mértéke közvetlenül meghatározza a területspecifikus ellenállást és a nyomásesést az elektrolit útvonalon. Az optimális tömörítési arány egyensúlyba hozza ezt a két tényezőt. 3 mm vastag filchez tömörítés a 2,1 mm (30 százalékos feszültség) csökkenti az elektróda és a grafit bipoláris lemez közötti érintkezési ellenállást 0,8 ohm/cm2 – 0,35 ohm/cm2 , csökkentve a teljes kötegellenállást körülbelül 25 százalék .
Ezzel egyidejűleg a porozitás 85 százalékról 75 százalékra való csökkentése az elektrolit nyomásesését a szorzóval növeli. 1.8 . Egy 10 kW-os kötegnél 120 l/perc áramlási sebességgel ez további 0,6 bar szivattyúmunkából, ami kb a verem kimeneti teljesítményének 1,2 százaléka . A grafit nemez optimális tömörítési ablaka ezért között van beállítva 20 és 25 százalék a kezdeti vastagságból.
Hosszú távú tartósság és lebomlási mechanizmusok
Az elektródák működési körülmények közötti lebomlását elsősorban a pozitív oldalon lévő szénfelület elektrokémiai oxidációja okozza. Egy grafit filc tartott 1,6 V kontra SHE 1000 órán keresztül félcella tesztben veszít a kezdeti oxigén funkciós csoportok 15 százaléka , ami a feszültség hatékonyságának csökkenését eredményezi 3 százalék . Az ezen a potenciálon mért szénkorróziós áram az 8 mikroamper cm2-enként , amely tömegveszteség mértékének felel meg 0,12 mg/cm2/1000 óra .
A működési élettartam meghosszabbítása érdekében az időszakos potenciálváltás vagy egy rövid katódos impulzus regenerálhatja az elveszett funkcionális csoportok egy részét. Egy gyorsított öregedési teszt során egy sejtet a mínusz 0,8 V impulzus 60 másodpercig 500 ciklusonként felépült 80 százaléka a kezdeti feszültség hatásfokának 5000 ciklus után, míg a kezeletlen kontrollsejt csak megmaradt 65 százalék . Ezt az in situ regenerációs stratégiát integrálják a következő generációs áramlási akkumulátorköteg akkumulátor-kezelő rendszerébe.
