香港科技大学赵天寿Appl. Energy：用于高性能水系液流电池的多级有序碳纤维电极-易丝帮

香港科技大学赵天寿Appl. Energy：用于高性能水系液流电池的多级有序碳纤维电极

2020/6/19 16:37:39 易丝帮

在液流电池电极设计中，提高电极的传输性能并增大电极比表面积及活性是实现高功率密度水系液流电池的关键。然而由于纤维类型电极的特性，如何在提高电极比表面积的同时不降低甚至能增大电极的传输性能，是一个长久以来令研究者感到棘手的问题。

近日，香港科技大学赵天寿院士团队通过在定向电纺碳纤维表面上原位生长一层碳纳米纤维来设计和制备了一种新型有序多级的碳纤维（CNF-AECF）电极。这种新型多级电极通过对碳纤维的定向排列，在宏观尺度为电解质提供了更好的传输途径；而高度多孔的碳纳米纤维层更是提供了高达108 m² g^-1的大比表面积，在微观尺度为氧化还原反应提供了丰富的活性位点。这种从电极结构及电极表面设计两个层面入手同步进行设计优化的新型电极实现了电极比面积和传输性能的同时增大。

循环伏安法测试显示，在10 mV s^-1的扫描速率下，阳极峰电位差从92.77 mV降低至55.01 mV，而阴极峰电位差从92.77 mV降低至88.65 mV。将所制备的电极用作全钒液流电池的正极材料，电池可在300 mA cm^-2的电流密度下，达到80.1％的能量效率，并在400 mA cm^-2的电流密度下，达到75.0％的能量效率，与使用传统电纺碳纤维电极的全钒液流电池相比，能量效率分别提高了5.0％和6.6％。研究结果表明，这种纳米碳纤维修饰的定向多级碳纤维电极，有望实现水系液流电池的高功率密度。

图1.CNF-AECF电极的制备示意图。

图2.（a）PAN/PVP聚合物溶液的喷射路径，（b）PAN/PVP电纺纤维丝的实物照片，（c）PAN/PVP纤维丝宏观结构的SEM图像，（d）PAN/PVP/Ni（NO3）2溶液的喷射路径，（e）PAN/PVP/Ni（NO3）2电纺纤维丝的实物照片，（f）定向有序纤维丝宏观结构的SEM图像。

图3.（a）-（c）传统电纺电极（ECF）的SEM图像，（d）-（f）CNF-AECF电极的SEM图像，以及（g）酸洗后CNF-AECF纤维的SEM图像，（h）CNF-AECF纤维的TEM图像，（i）酸洗后CNF的高分辨率TEM图像。

图4.（a）CNF-AECF和ECF样品的N2吸附/脱附等温线、（b）孔径分布和（c）双层电容。

图5.（a）CNF-AECF和ECF样品的XRD图、（b）拉曼光谱、（c）XPS全扫描谱、（d）高分辨率C 1s、（e）高分辨率N 1s和（f）高分辨率O 1s光谱。

图6.（a）CNF-AECF和ECF电极在10 mV s-1扫描速率下的正极侧CV曲线，（b）CNF-AECF电极和（c）ECF电极在不同扫描速度下对VO2+/VO2+氧化还原反应的CV曲线，（d）不同扫描速度下，阴极峰电流与阳极峰电流（Ipc/Ipa）的比值，（e）峰值电流与扫描率平方根的关系，以及（f）阳极侧EIS曲线。

图7.，（a）电流密度为200 mA cm -2，SOC分别为12-93％和17-87％，（b）电流密度为300 mA cm-2，SOC分别为16-87％和26-79％，以及（c）电流密度为400 mA cm-2，SOC分别为20-78％和34–61％下仅正极侧使用CNF-AECF的电池和正负极使用ECF电极的电池充放电曲线对比两个电池在不同电流密度下的（d）CE、VE、（e）EE和（f）放电容量的对比结果。

图8.，电流密度为200 mA cm^-2时，仅正极使用CNF-AECF电极电池的（a）CE、VE和EE以及（b）比容量的500圈循环数据。

DOI:10.1016/j.apenergy.2020.115235

学者简介

///赵天寿院士

中国科学院院士、香港科技大学张英灿工程及环境学冠名讲席教授、机械及航空航天工程系讲座教授、香港科大能源研究院院长、香港科大高研院资深学人、美国机械工程师学会 Fellow、英国皇家化学学会 Fellow、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者讲座教授。

曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、两次国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究，在国际学术期刊发表SCI论文360余篇，SCI引用18000余次，h-因子达73。