全钒液流电池中多孔碳电极材料的研究进展

许越王雪菲周勤聂红娇

摘要：全钒液流电池是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，其中电极是其关键组成部分。各种类型的碳基材料是应用最广泛的电极材料。本文对多孔碳电极在全钒液流电池中的应用进行了综述。

关键词：多孔电极；液流电池；碳基材料

全钒液流电池具有循环寿命长、充放电特性良好、功率和容量独立设计、安全、环保的特性，是大规模高效储能技术的首选技术之一。本文对全钒液流电池用多孔碳电极材料的研究进展进行了综述。

1. 石墨烯基电极材料

Nia等人[1]通过一步电沉积生成了还原石墨烯片，将此复合材料作为正半电池反应的电极。在充放电循环中过电位明显下降，主要是由于石墨烯片为钒离子的反应提供了大量的活性位点。

Park等人[2]开发了一个由碳纳米纤维和纳米管（CNFS/CNT）组成的分层电子和离子混合导电网络。CNF的大边缘平面缺陷的形成与CNT壁的平面内侧壁的快速电子转移率相结合，使VFB的性能得到了明显增强。

2. 氮掺杂碳材料

在碳结构中引入额外的杂原子会导致碳和杂原子（如N、P、S）之间的电负性增加，从而改变碳材料的电子特性，引起钒离子的加速吸附，提高电化学活性。Wang等人[3]首次使用化学气相沉积法生成了氮掺杂的CNT。由于CNT的多孔结构，可以促进钒电解液的扩散，而额外的氮掺杂改变了CNT的电子特性，使钒离子的化学吸附得到改善。

Yang等人[4]使用金属酞菁作为前体合成了氮掺杂的CNT。酞菁拥有交替的氮碳环结构，分子结构中结合了大量的氮，可以同时作为氮和碳前体进行反应。当铁被用作金属中心时，可以实现较高的活性。其活性的提高主要是由于活性表面积的增加，同时，导电性和润湿性的提高改善了电极和液体电解质之间的接触。

3. 静电纺丝基碳材料

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，具有低成本、通用性和简单性等优点。电纺纳米纤维以及纳米纤维毡被认为是解决全钒液流电池电极关键问题的最有前途的候选材料[6-7]。

在静电纺丝碳纳米纤维中掺入其他掺杂物，如炭黑、CNT、Bi、石墨纳米颗粒、CeO2、V2O3、TiO2、ZrO2、Mn3O4和Ni等，可以催化钒的氧化还原反应，有效改善电极性能。

此外，更高的石墨化温度将提高碳基纤维的石墨化程度，同时极大地影响纤维的表面和结构特性，对全钒液流电池性能有直接影响。在1200°C的惰性气体下热处理的样品，由于石墨层的数量和完整性的增加，电极的导电性能显著增加。然而，当石墨化程度在1300°C进一步增加时，石墨层将相互连接并形成一个包含较少的边缘平面位点和杂原子的长程有序结构，尽管该结构的电导率增加，但电化学活性将下降[8]。

全钒液流电池作为最有前途的储能系统之一，近年来引起了极大的关注。改善电极的传输性能、长期稳定性和表面特性是开发全钒液流电池高性能电极材料的关键。

参考文献

[1]Nia P. M., Abouzari-Lotf E., Woi P. M., Alias Y., Ting T. M., Ahmad A., Jusoh N. W. C. Electrodeposited reduced graphene oxide as a highly efficient and low-cost electrocatalyst for vanadium redox flow batteries[J]. Electrochim Acta, 2019, 297: 31-9.

[2] Park M., Jung Y. J., Kim J., Lee H. I., Cho J. Synergistic effect of carbon nanofiber/nanotube composite catalyst on carbon felt electrode for high-performance all-vanadium redox flow battery[J]. Nano Lett. 2013, 13: 4833-9.

[3]Wang S., Zhao X., Cochell T., Manthiram A. Nitrogen-doped carbon nanotube/ graphite felts as advanced electrode materials for vanadium redox flow batteries[P]. J. Chem. Lett, 2012, 3: 2164-7.

[4]Yang D., Lee J. Y., Jo S. W., Yoon S. J., Kim T. H., Hong Y. T. Electrocatalytic activity of nitrogen- doped CNT graphite felt hybrid for all-vanadium redox flow batteries[J]. Int. J. Hydrog. Energy, 2018, 43: 1516-22.

[5]Opar D. O., Nankya R., Lee J., Jung H. Assessment of three-dimensional nitrogen-doped mesoporous graphene functionalized carbon felt electrodes for high-performance all vanadium redox flow batteries[J]. Appl. Surf. Sci., 2020, 531:14739.

[6]张宇, 张华民. 电力系统储能及全钒液流电池的应用进展[J]. 新能源进展, 2013, 08(15): 38-49.

[7]于超群, 龙云泽, 刘现峰, 王学艳, 刘一楷, 张海宁. 载药静电纺丝纤维研究及应用进展[J]. 青岛大学学报(医学版), 2023, 03(09): 02-17.

[8]Wei G., Su W., Wei Z., Jing M., Fan X., Liu J., Yan C. Effect of the graphitization degree for electrospun carbon nanofibers on their electro chemical activity towards VO2+ /VO2+ redox couple[J]. Electrochim. Acta, 2016, 199: 147-53.

基金项目：山东省大学生创新创业训练计划项目资助（S202310452097）

作者简介：许越（2002-），女，汉族，本科生，临沂大学化学化工学院应用化学专业，研究方向：新能源材料与器件