Vanadyum redoks akışlı piller için en etkili elektrot malzemesi poliakrilonitril bazlı grafit, havada 4 saat boyunca 450 derece C'de termal olarak aktive edildi . Bu işlem spesifik yüzey alanını arttırır. Gram başına 6,5 m2 oksijen/karbon atom oranını yükseltir 0.12 ve bir voltaj verimliliği üretir Cm2 başına 100 mA'da yüzde 86,5 . Ortaya çıkan elektrot, 15.000 şarj-deşarj döngüsünü aşan bir döngü ömrü boyunca yüzde 80'in üzerinde bir enerji verimliliği sağlayarak, işlenmemiş keçeye kıyasla seviyelendirilmiş depolama maliyetini doğrudan yaklaşık yüzde 8 oranında azaltır.
Elektrot Malzemesi Akış Pillerindeki Gereksinimler
Bir akışlı akü elektrodu, sıvı elektrolitin, katı elektrodun ve akım toplayıcının buluştuğu üç fazlı bir arayüz sağlamalıdır. Performansı belirleyen temel fiziksel özellikler arasında yüksek elektrik iletkenliği, elektrokimyasal reaksiyonlar için geniş spesifik yüzey alanı, elektrolit tarafından iyi ıslanabilirlik ve yukarıdaki potansiyellerde konsantre sülfürik asitte elektrokimyasal korozyona karşı aşırı direnç yer alır. SHE'ye karşı 1,5 V .
- Düzlem boyunca elektrik iletkenliği aşılmalıdır cm başına 5 S 2 ila 4 mm'lik tipik sıkıştırılmış kalınlıkta ohmik kaybı en aza indirmek için.
- En az spesifik yüzey alanı Gram başına 3 m2 Pratik akım yoğunluklarında yük aktarım direncini cm2 başına 1 ohm'un altında tutmak gerekir.
- 1,6 M vanadyum elektrolit ile temas açısının altına düşmelidir 60 derece Aktivasyon sonrasında gözeneklerin tamamen ıslanmasını ve kullanımını sağlar.
- Korozyon oranı altında kalmalı Saatte cm2 başına 1 mikrogram olumlu tarafta 20 yıllık yığın ömrünü garanti etme potansiyeli var.
Karbon Keçe, Kağıt ve Kumaşın Karşılaştırmalı Performansı
Akış aküsü elektrotlarına üç karbon bazlı substrat hakimdir. Etkinleştirmeden önceki ham özellikleri, verimlilik için ulaşılabilir tavanı belirler. Aşağıdaki tablo en yaygın türlerin başlangıç özelliklerini özetlemektedir.
| Malzeme | Başlangıç Yüzey Alanı (m2/g) | Elektriksel İletkenlik (S/cm) | Düzlem İçi Geçirgenlik (m2) |
|---|---|---|---|
| Grafit Keçe | 0,5 ila 1,2 | 8.5 | 5 x 10 üssü eksi 10 |
| Karbon Kağıdı | 0,2 ila 0,8 | 45.0 | 1 x 10 üssü eksi 12 |
| Karbon Kumaş | 0,8 ila 2,0 | 12.0 | 8 x 10 üssü eksi 10 |
Grafit keçe, yüksek hacimsel gözenekliliği ve düşük maliyeti nedeniyle tercih edilmektedir. Karbon kağıdı en yüksek toplu iletkenliği sunar ancak düşük geçirgenliğe sahiptir, bu da onu yalnızca ince elektrotlara sahip akışlı hücre mimarileri için uygun kılar. Karbon kumaş bir denge sağlar ancak sıkıştırılabilirliği sınırlıdır, bu da bipolar plaka ile daha yüksek temas direnci sağlar.
Termal ve Kimyasal Aktivasyon Stratejileri
İşlenmemiş karbon elektrotlar hidrofobiktir ve elektrokatalitik olarak inerttir. Aktivasyon, vanadyum redoks reaksiyonları için aktif bölgeler olarak görev yapan karbonil, karboksil ve hidroksil gibi oksijen içeren fonksiyonel grupları devreye sokar. Standart termal aktivasyon protokolü kesin bir sırayı takip eder.
- Grafit keçesini oda sıcaklığından 450 derece C Hava atmosferinde dakikada 5 derece C hızla.
- 450 derece C'de tutun 4 saat mekanik bütünlükten ödün vermeden yüzde 2 ila 3'lük bir kütle kaybına ulaşmak.
- Termal şoku önlemek için çıkarmadan önce doğal olarak 80 derece C'nin altına soğutun.
Tedavi sonrasında O/C oranı 0,03'ten 0.12 su temas açısı düşer 125 derece ila 55 derece ve VO2 pozitif ila VO2 pozitif iyon reaksiyonu için tepe akım yoğunluğu şu kadar artar: yüzde 35 döngüsel voltametride. Konsantre nitrik asidin kaynatılmasıyla asit muamelesi 30 dakika benzer bir oksidasyon derecesine ulaşır ancak deiyonize suda en az 2 saat durulanması gereken artık nitratlar bırakabilir.
Metal ve Metal Oksit Katalizör Modifikasyonu
Katalitik nanopartiküllerin aktif karbon yüzeyine bırakılması, yük transfer direncini daha da azaltır. Bizmut, iridyum oksit ve manganez oksit en çok çalışılan değiştiricilerdir. Elektro çökeltilmiş bizmut yüklemesi cm2 başına 15 mikrogram keçe elektrot üzerinde V3 pozitif iyon azaltımının başlangıç potansiyelini V2 pozitif iyon azaltımına kaydırır. 60mV ve yük aktarım direncini azaltır cm2 başına 2,8 ohm ila cm2 başına 1,2 ohm .
Hidrotermal olarak doğrudan karbon fiberlerin üzerinde büyütülen manganez oksit nanotelleri, elektrotun spesifik kapasitansını arttırır. cm2 başına 45 F , voltaj verimliliğini ek bir artışla artıran yerel bir tamponlama etkisi sağlar 2,5 yüzde puan yüksek hızlı darbe sırasında. Ancak bu katalizörlerin uzun vadeli stabilitesinin tekrarlanan potansiyel döngü altında doğrulanması gerekir; iridyum oksit bir oranda çözünür Döngü başına 0,3 ng 2 M sülfürik asitte tespit edilebilir performans azalmasına yol açar 2.000 döngü .
Elektrot Sıkıştırma ve Hücre Düzeneğiyle İlgili Hususlar
Hücreleri istiflerken uygulanan sıkıştırma derecesi, alana özgü direnci ve elektrolit yolu boyunca basınç düşüşünü doğrudan belirler. Optimum sıkıştırma oranı bu iki faktörü dengeler. 3 mm kalınlığındaki keçe için sıkıştırma 2,1 mm (yüzde 30 gerinim) elektrot ile grafit bipolar plaka arasındaki temas direncini azaltır cm2 başına 0,8 ohm ila cm2 başına 0,35 ohm toplam yığın direncini yaklaşık olarak azaltır yüzde 25 .
Eş zamanlı olarak gözenekliliğin yüzde 85'ten yüzde 75'e düşürülmesi, elektrolit basıncı düşüşünü iki kat artırır. 1.8 . Dakikada 120 L akış hızına sahip 10 kW'lık bir baca için bu, ilave bir 0,6 bar yaklaşık tüketen pompa işinin Yığın güç çıkışının yüzde 1,2'si . Grafit keçe için optimum sıkıştırma penceresi bu nedenle Yüzde 20 ve 25 başlangıç kalınlığı.
Uzun Süreli Dayanıklılık ve Bozunma Mekanizmaları
Çalışma koşulları altında elektrot bozulması öncelikle karbon yüzeyinin pozitif taraftaki elektrokimyasal oksidasyonundan kaynaklanır. Bir grafit keçe tutuldu 1,6 V'ye karşı SHE 1000 saat boyunca yarım hücre testinde kayıplar Başlangıçtaki oksijen fonksiyonel gruplarının yüzde 15'i bu da voltaj verimliliğinde bir düşüşe neden olur yüzde 3 . Bu potansiyelde ölçülen karbon korozyon akımı cm2 başına 8 mikroamper kütle kayıp oranına karşılık gelir 1.000 saatte cm2 başına 0,12 mg .
Operasyonel ömrünü uzatmak için, periyodik potansiyel tersine çevrilmesi veya kısa bir katodik darbe, kayıp fonksiyonel grupların bir kısmını yeniden oluşturabilir. Hızlandırılmış yaşlanma testinde, bir hücre, bir her 500 döngüde 60 saniye boyunca eksi 0,8 V darbe kurtarıldı İlk voltaj verimliliğinin yüzde 80'i 5.000 döngüden sonra, işlenmemiş kontrol hücresi yalnızca muhafaza edildi yüzde 65 . Bu yerinde yenileme stratejisi, yeni nesil akışlı akü yığınlarının akü yönetim sistemlerine entegre ediliyor.
