DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.02.177

电纺碳纤维具有丰富的电活性位点，但作为钒氧化还原液流电池的电极，其传质阻力大。为了在保持较大比表面积的同时降低传质阻力，通过改变前驱体浓度来制备具有不同结构特性（包括孔径和孔分布）的电纺碳纤维。将聚丙烯腈浓度从9wt%增加到18wt%可得到平均直径从0.28 mm到1.82 mm的碳化纤维。同时，在保持孔隙率高于82%的情况下，中孔直径几乎从1.32 mm线性增加到9.05 mm。随后的电活性评估和全电池测试表明，钒离子通过纤维直径较大的电极的质量输运明显改善，但不会破坏电化学活性。结果表明，采用这些电极的液流电池在300 mA cm-2时，能量效率为79%，电解液利用率为74%。因此，这些结果消除了电纺碳纤维作为氧化还原液流电池电极时的传质问题，并指导了电纺碳纤维的未来发展。

图1.不同电纺碳纤维的典型SEM图像：PAN 9（a）、PAN 12（b）、PAN 15（c）和PAN 18（d），不同碳纳米纤维的纤维直径分布，（a）至（d）中的比例尺：2μm。

图2.前驱体浓度对纤维直径（a）、比表面积（b）和孔径分布（c）的影响；纤维直径对中值孔径的影响（d）。（b）中的插图显示了不同碳纤维的氮气吸附和解吸等温线。（c）中的插图显示了通过压汞法测得的孔隙率。

图3.不同电纺碳纤维的拉曼光谱（a），PAN 9拉曼光谱的典型反卷积分析（b）。

图4.不同电纺碳纤维的XPS光谱（a），不同电纺碳纤维中的氧和氮含量（b），不同电纺碳纤维的O 1s光谱（c）和N 1s光谱（d）的反卷积。

图5.（a）面电阻测量设置示意图，（b）用于面电阻测量的极化曲线。插图显示了计算出的面电阻。

图6.不同电纺碳纤维在3 M H2SO4（氮饱和）中的CV曲线（a）和通过不同方法计算的表面积（b）。

图7.（a）不同电纺碳纤维在0.1 M V（IV）+3 M H2SO4（氮饱和）中的CV曲线。扫描速率为5 mV s-1。（b）不同电纺碳纤维的V（IV）氧化反应的峰值电流。（c）不同电纺碳纤维在0.1 M V（IV）+3 M H2SO4（氮饱和）中的奈奎斯特图。交流阻抗谱是在相对于Ag/AgCl约为+0.85 V的条件下测量的。（d）钒在多孔电极中扩散所涉及的溶液电阻、电荷转移电阻和导纳的关系。（c）中的插图是在高频区域放大的奈奎斯特图。

图8.（a）含不同电纺碳纤维的钒氧化还原液流电池的极化曲线和功率密度曲线。充电状态（SOC）为100%。（b）在电流密度为100 mA cm-2下，含不同电纺碳纤维的钒氧化还原液流电池的充放电曲线。插图显示了在低电流密度（10 mA cm-2）下测得的不同SOCs下的开路电压。（c）在不同电流密度下，钒氧化还原液流电池的放电容量与循环次数的关系。（d）含不同电纺碳纤维的钒氧化还原液流电池在不同电流密度下的能效。