วัสดุอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ไหล: การเปิดใช้งานและประสิทธิภาพของกราไฟท์สักหลาด

วัสดุอิเล็กโทรดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับแบตเตอรี่วาเนเดียมรีดอกซ์โฟลว์คือ a กราไฟท์ที่ใช้โพลิอะคริโลไนไตรล์รู้สึกว่าถูกกระตุ้นด้วยความร้อนที่ 450 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 4 ชั่วโมงในอากาศ . การบำบัดนี้จะเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะให้ 6.5 ตร.ม. ต่อกรัม เพิ่มอัตราส่วนอะตอมของออกซิเจนต่อคาร์บอนเป็น 0.12 และสร้างประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าเท่ากับ 86.5 เปอร์เซ็นต์ที่ 100 mA ต่อ cm2 . อิเล็กโทรดที่ได้จะช่วยประหยัดพลังงานได้มากกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ตลอดวงจรชีวิตที่เกิน 15,000 รอบการปล่อยประจุ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการจัดเก็บในระดับโดยตรงได้ประมาณ 8 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับสักหลาดที่ไม่ผ่านการบำบัด

วัสดุอิเล็กโทรด ข้อกำหนดในแบตเตอรี่ของ Flow

อิเล็กโทรดแบตเตอรี่แบบไหลต้องมีอินเทอร์เฟซสามเฟสที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลว อิเล็กโทรดแข็ง และตัวสะสมกระแสไฟฟ้ามาบรรจบกัน คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญที่ควบคุมประสิทธิภาพ ได้แก่ ค่าการนำไฟฟ้าสูง พื้นที่ผิวจำเพาะที่เพียงพอสำหรับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ความสามารถในการเปียกตัวได้ดีโดยอิเล็กโทรไลต์ และความต้านทานต่อการกัดกร่อนทางเคมีไฟฟ้าในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่ศักย์สูงกว่า 1.5 V เทียบกับ SHE .

• ค่าการนำไฟฟ้าผ่านระนาบควรเกิน 5 ส ต่อ ซม เพื่อลดการสูญเสียโอห์มมิกในความหนาที่ถูกบีบอัดโดยทั่วไปที่ 2 ถึง 4 มม.
• พื้นที่ผิวจำเพาะอย่างน้อย 3 ตร.ม. ต่อกรัม จำเป็นต้องรักษาความต้านทานการถ่ายโอนประจุให้ต่ำกว่า 1 โอห์มต่อลูกบาศก์เซนติเมตรที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าในทางปฏิบัติ
• มุมสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์วาเนเดียม 1.6 M จะต้องลดลงด้านล่าง 60 องศา หลังจากเปิดใช้งาน รับรองว่ารูพรุนเปียกและใช้งานได้เต็มที่
• อัตราการกัดกร่อนจะต้องคงอยู่ภายใต้ 1 ไมโครกรัมต่อ cm2 ต่อชั่วโมง ที่ด้านบวกมีศักยภาพในการรับประกันอายุกอง 20 ปี

ประสิทธิภาพเปรียบเทียบของคาร์บอนสักหลาด กระดาษ และผ้า

สารตั้งต้นที่มีคาร์บอนสามชนิดควบคุมอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ไหล คุณสมบัติดิบก่อนการเปิดใช้งานจะกำหนดเพดานที่เป็นไปได้สำหรับประสิทธิภาพ ตารางด้านล่างสรุปลักษณะเบื้องต้นของประเภทที่พบบ่อยที่สุด

ผ้าสักหลาดกราไฟต์เป็นที่ต้องการเนื่องจากมีรูพรุนเชิงปริมาตรสูงและต้นทุนต่ำ กระดาษคาร์บอนมีค่าการนำไฟฟ้ารวมสูงสุดแต่มีความสามารถในการซึมผ่านต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับสถาปัตยกรรมเซลล์แบบไหลผ่านที่มีอิเล็กโทรดบางเท่านั้น ผ้าคาร์บอนให้ความสมดุลแต่มีความสามารถในการบีบอัดที่จำกัด ส่งผลให้ต้านทานการสัมผัสกับแผ่นไบโพลาร์ได้สูงขึ้น

กลยุทธ์การกระตุ้นด้วยความร้อนและสารเคมี

อิเล็กโทรดคาร์บอนที่ไม่ผ่านการบำบัดจะไม่ชอบน้ำและเฉื่อยทางไฟฟ้า การกระตุ้นจะแนะนำกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน เช่น คาร์บอนิล คาร์บอกซิล และไฮดรอกซิล ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดออกฤทธิ์สำหรับปฏิกิริยารีดอกซ์วานาเดียม โปรโตคอลการเปิดใช้งานความร้อนมาตรฐานเป็นไปตามลำดับที่แม่นยำ

1. ลาดกราไฟท์ที่รู้สึกได้จากอุณหภูมิห้องถึง 450 องศาเซลเซียส ในอัตรา 5 องศาเซลเซียสต่อนาที ในบรรยากาศอากาศ
2. พักที่อุณหภูมิ 450 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 4 ชั่วโมง เพื่อให้ได้การสูญเสียมวล 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์โดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ทางกล
3. ทำให้เย็นลงตามธรรมชาติจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่า 80 องศา C ก่อนนำออกเพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงจากความร้อน

หลังการรักษา อัตราส่วน O ต่อ C เพิ่มขึ้นจาก 0.03 เป็น 0.12 มุมสัมผัสน้ำลดลงจาก 125 องศาถึง 55 องศา และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงสุดสำหรับปฏิกิริยาไอออนบวก VO2 ถึงปฏิกิริยาไอออนบวก VO2 เพิ่มขึ้น 35 เปอร์เซ็นต์ ในโวลแทมเมทรีแบบวัฏจักร การบำบัดกรดด้วยการต้มกรดไนตริกเข้มข้นสำหรับ 30 นาที บรรลุระดับการออกซิเดชันที่ใกล้เคียงกัน แต่สามารถทิ้งไนเตรตที่ตกค้างซึ่งต้องล้างเป็นเวลาอย่างน้อย 2 ชั่วโมงในน้ำปราศจากไอออน

การปรับเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะและโลหะออกไซด์

การสะสมอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาลงบนพื้นผิวถ่านกัมมันต์ยังช่วยลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุอีกด้วย บิสมัท อิริเดียมออกไซด์ และแมงกานีสออกไซด์เป็นตัวดัดแปลงที่มีการศึกษามากที่สุด การโหลดบิสมัทที่เติมด้วยอิเล็กโทรดของ 15 ไมโครกรัมต่อ cm2 บนอิเล็กโทรดสักหลาดจะเปลี่ยนศักยภาพในการเริ่มต้นของ V3 เชิงบวกไปเป็นการลดไอออนบวกของ V2 60 มิลลิโวลต์ และลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุจาก 2.8 โอห์มต่อ cm2 ถึง 1.2 โอห์มต่อ cm2 .

เส้นลวดนาโนแมงกานีสออกไซด์ที่ปลูกด้วยความร้อนโดยตรงบนเส้นใยคาร์บอนจะเพิ่มความจุจำเพาะของอิเล็กโทรดเป็น 45 F ต่อ cm2 โดยให้เอฟเฟกต์การบัฟเฟอร์เฉพาะที่ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าเพิ่มเติม 2.5 คะแนนเปอร์เซ็นต์ ในระหว่างการเต้นในอัตราสูง อย่างไรก็ตาม ความเสถียรในระยะยาวของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ต้องได้รับการตรวจสอบภายใต้การหมุนเวียนที่อาจเกิดขึ้นซ้ำๆ อิริเดียมออกไซด์ละลายในอัตรา 0.3 ng ต่อรอบ ในกรดซัลฟิวริก 2 โมลาร์ ทำให้เกิดประสิทธิภาพการซีดจางที่ตรวจพบได้หลังจากนั้น 2,000 รอบ .

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการบีบอัดอิเล็กโทรดและการประกอบเซลล์

ระดับของการบีบอัดที่ใช้เมื่อวางเซลล์ซ้อนกันจะกำหนดความต้านทานเฉพาะพื้นที่และแรงดันตกคร่อมทางเดินอิเล็กโทรไลต์โดยตรง อัตราส่วนกำลังอัดที่เหมาะสมจะรักษาสมดุลของปัจจัยทั้งสองนี้ สำหรับผ้าสักหลาดหนา 3 มม. ให้บีบอัดเป็น 2.1 มม. (ความเครียด 30 เปอร์เซ็นต์) ช่วยลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและแผ่นกราไฟท์ไบโพลาร์จาก 0.8 โอห์มต่อ cm2 ถึง 0.35 โอห์มต่อ cm2 โดยจะตัดความต้านทานสแต็คทั้งหมดโดยประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ .

ในขณะเดียวกัน การลดความพรุนจาก 85 เปอร์เซ็นต์เป็น 75 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้ความดันอิเล็กโทรไลต์ลดลงอีกปัจจัยหนึ่ง 1.8 . สำหรับปล่องขนาด 10 kW ที่มีอัตราการไหล 120 ลิตรต่อนาที นี่แปลเป็นค่าเพิ่มเติม 0.6 บาร์ ของงานปั๊มซึ่งสิ้นเปลืองประมาณ 1.2 เปอร์เซ็นต์ของเอาต์พุตกำลังสแต็ก . ดังนั้นจึงตั้งค่าหน้าต่างการบีบอัดที่เหมาะสมสำหรับสักหลาดกราไฟท์ไว้ระหว่างนั้น 20 และ 25 เปอร์เซ็นต์ ของความหนาเริ่มต้น

กลไกความทนทานและการย่อยสลายในระยะยาว

การเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรดภายใต้สภาวะการทำงานมีสาเหตุหลักมาจากการเกิดออกซิเดชันทางเคมีไฟฟ้าของพื้นผิวคาร์บอนที่ด้านบวก รู้สึกว่ากราไฟท์จับอยู่ที่ 1.6 V เทียบกับ SHE เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงในการทดสอบแบบครึ่งเซลล์จะสูญเสีย ร้อยละ 15 ของกลุ่มฟังก์ชันออกซิเจนเริ่มต้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าลดลง 3 เปอร์เซ็นต์ . กระแสการกัดกร่อนของคาร์บอนที่วัดได้ที่ศักย์นี้คือ 8 ไมโครแอมป์ต่อ cm2 ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการสูญเสียมวลของ 0.12 มก. ต่อ cm2 ต่อ 1,000 ชั่วโมง .

เพื่อยืดอายุการปฏิบัติงาน การพลิกกลับที่อาจเกิดขึ้นเป็นระยะหรือพัลส์แคโทดิกสั้นๆ สามารถสร้างกลุ่มฟังก์ชันบางส่วนที่สูญเสียไปขึ้นมาใหม่ได้ ในการทดสอบการเร่งอายุ เซลล์อยู่ภายใต้ a พัลส์ลบ 0.8 V เป็นเวลา 60 วินาทีทุกๆ 500 รอบ ฟื้นตัวแล้ว 80 เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้น หลังจาก 5,000 รอบ ในขณะที่เซลล์ควบคุมที่ไม่ได้รับการบำบัดยังคงอยู่เท่านั้น 65 เปอร์เซ็นต์ . กลยุทธ์การฟื้นฟูในแหล่งกำเนิดนี้กำลังถูกรวมเข้ากับระบบการจัดการแบตเตอรี่ของกองแบตเตอรี่โฟลว์เจเนอเรชั่นถัดไป