全釩液流電池（VFB）作為大型電化學儲能技術，自問世以來，在可再生能源發(fā)電領域備受關注。將儲能技術應用于可再生能源發(fā)電，可有效解決再生能源發(fā)電存在的間歇性和并網(wǎng)困難等問題。全釩液流電池采用水系電解液，因此表現(xiàn)出優(yōu)越的安全性，而且正負極之間也不存在元素的交叉污染。全釩液流電池的循環(huán)壽命高達10000次以上，其使用壽命不低于10年。

全釩液流電池的工作原理如圖1所示。其中活性物質(zhì)電解液存儲在儲罐中，通過磁力泵輸送到電堆中，進行電化學反應后再輸送回儲罐中。從原理圖可以看出，全釩液流電池的功率和容量相互獨立，可以通過增加電解液的量來增大儲電容量，這是全釩液流電池的獨特優(yōu)勢。

圖1 全釩液流電池工作原理

VFB的容量取決于所使用的電解液濃度和體積，而功率則由電池的電極面積和數(shù)量決定。電化學反應發(fā)生時，電解液中的活性物質(zhì)，即不同價態(tài)的釩離子組分會在電極表面進行氧化還原反應，因此電極的性能對于釩離子參與電化學反應的速度和反應總量有直接影響，對VFB的性能起著至關重要的作用。

創(chuàng)新點及解決的問題

本文介紹了釩液流電池電極材料的研究現(xiàn)狀。詳細介紹了電極種類、電極材料的改性途徑、改性效果，并對電極的老化機制進行了分析。全釩液流電池（VFB）電極材料改性的方法主要包括增加電極催化活性和增大電極電化學反應面積兩種方式。通過對電極進行熱處理、酸處理，可以改變電極表面結(jié)構，提高電極催化活性，從而提高電極反應可逆性。通過在電極表面生長碳納米管或者負載石墨烯、氧化銥等而制備的復合電極材料，以及采用天然廢棄物制備的多孔碳電極，可以達到同時提高電極表面催化活性和增大電極電化學反應面積的效果。還可以通過制備電極和雙極板復合一體化電極，降低電池的接觸電阻，減小電池極化。而電極的化學降解及電化學降解對于電極的壽命會產(chǎn)生影響，而且對電池負極的影響比正極更加明顯。最后，總結(jié)了VFB電極材料的現(xiàn)狀并展望了未來研究發(fā)展的方向。

重點內(nèi)容導讀

1 釩電池電極種類

2 電極的改性研究

2.1 電極表面催化活性改性

2.1.1 碳氈表面含氧官能團的作用

2.1.2 碳氈表面含氮官能團的作用

2.2 電極表面積的改性研究

2.2.1 碳氈/碳納米管復合電極

圖2 未修飾碳氈（a）和CF/CNF/CNT復合電極（b）SEM圖

2.2.2 碳氈/石墨烯復合電極

圖3 未修飾碳氈（a）和碳氈/納米碳纖維/碳納米管復合電極（b）SEM圖

2.2.3 碳氈/金屬氧化物復合電極

圖4 CeO2/ECNFs電極的SEM（a）、TEM（b）圖

圖5 PbO2修飾的碳氈電極SEM照片（b）

圖6 未修飾的碳氈電極和PC修飾碳氈電極在不同倍率下：（a）能量效率對比曲線；（b）放電容量對比

2.5 其它釩電池電極的研究

圖7 傳統(tǒng)電極/雙極板和一體化電極/雙極板的面電阻對比

2.6 釩電池電極老化機制的研究

圖8 傳統(tǒng)電極/雙極板和一體化電極/雙極板在40 mA/cm2電密下充放電性能

結(jié) 論

電極作為釩電池的重要組成部分，對電池的能量效率和能量密度有很大的影響。本文綜述了釩電池電極材料的研究進展和現(xiàn)狀，總結(jié)了電極性能改進的方法以及改性的結(jié)果，這對于全釩液流電池專用電極材料的商業(yè)化生產(chǎn)具有理論指導意義。現(xiàn)如今商業(yè)化的石墨氈材料主要用于耐火、隔熱材料，其表面結(jié)構以及厚度都不是依據(jù)釩液流電池電極材料特性加工生產(chǎn)的，因此在規(guī)格型號及性能方面并非完全滿足釩電池的需求，隨著釩液流電池商業(yè)化的推廣，加強石墨氈材料本體性能的研究工作以及加快釩液流電池電極材料標準化生產(chǎn)，對于液流電池結(jié)構設計、性能優(yōu)化具有重要意義。從降低電池本體電阻提高性能角度考慮，大力開發(fā)一體化電極，優(yōu)化其制造工藝，降低成本是電極材料的發(fā)展方向之一。盡管對電極的改性工作投入了大量研究，但是這樣的工作都無形中增加了電極的生產(chǎn)步驟和成本，因此還需要積極探索簡易的電極優(yōu)化方法，并加強對電極本體性能的研究，這不但為電極材料的甄選提供依據(jù)，也是電極材料發(fā)展的方向之一。有關電極的使用壽命，雖然在循環(huán)過程中的老化機制有了初步的研究成果，但是對于電極材料老化的抑制、解決方法還未有報道，這是電極材料未來研究的重要方向。

引用本文

蘇秀麗, 楊霖霖, 周禹, 林友斌, 余姝媛. 全釩液流電池電極研究進展[J]. 儲能科學與技術, 2019, 8(1): 65-74.

SU Xiuli, YANG Linlin, ZHOU Yu, LIN Youbin, YU Shuyuan. Developments of electrodes for vanadium redox flow battery. Energy Storage Science and Technology, 2019, 8(1): 65-74.

原標題:【本刊推薦*研究進展*蘇秀麗等】全釩液流電池電極研究進展