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Nano Res.[能源]│中国石油大学(北京)徐泉教授课题组:铁铬液流电池高性能电极的制备

本篇文章版权为徐泉课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


随着环境污染和能源危机等突出的社会问题,减少不可再生能源的利用迫在眉睫。而可再生能源发电由于其间歇性和多变性在实际应用中提出了挑战。储能是促进可再生能源并网发电、提高电网可靠性、提高可再生资源利用率、延长基础设施寿命和改善电能质量的有力手段。铁铬液流电池(ICRFBs)具有安全、环保、价格低廉、可靠性高等优点,在储能领域具有广阔的应用前景。但是,尽管ICRFBs有着众多优点,反应动力学缓慢和循环稳定性差等问题仍然困扰着ICRFBs的发展,为了解决这些问题,主要研究路线是对电极微观结构和宏观结构进行设计。


研究方法


运用硅酸刻蚀方法改性碳布电极,并结合SEM观测了电极的结构变化以及XPS,EDS进行表征,通过电化学工作站、电池充放电仪测试了碳布的电化学性能和充放电循环稳定性;DFT模拟探究了硅酸改性电极的机理,为了解缺陷含量对铁铬液流电池中Cr (H2O)5Cl2+的吸附能力和电子传递能力的影响提供了宝贵的见解。


成果简介


在前期工作基础上,中国石油大学(北京)徐泉课题组通过硅酸刻蚀方法在碳布电极表面蚀刻出致密的纳米孔结构,完成了对碳布电极微观以及宏观结构的改性,通过增加碳布电极上纳米多孔结构的设计,成功地增加了电极的比表面积。所制备出的碳布电极具备丰富的缺陷位点和优异的电子传输性能可以为快速流动的电解液中提供更大有效的反应面积,提升碳布电极的性能。同时,本工作还通过改变电极压缩比,有效的降低了电极材料与离子膜之间接触电阻。
实验和DFT计算结果表明改性碳布电极对Cr(H2O)5Cl2+具有较高的吸附能力,提高了铬离子在电极表面的反应活性。增加电极的压缩比,会降低电解质扩散路径和欧姆极化。

QQ截图20240113082628.jpg


图文导读


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图1 (a) 铁铬液流电池反应机理图;(b) CC和SCC电极表面反应过程模拟图;(c) 碳布电极压缩示意图;(d) SCC电极的制备过程。


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图2 (a-c) CC、TCC和SCC电极表面整体结构的SEM图像;(d-f) CC、TCC和SCC单根电极的表面结构的SEM图像;(g)SCC电极中间体表面结构的SEM图像;(h)SCC电极中间体表面EDX图;(i) SCC电极表面缺陷孔结构的孔径分布图。


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图3 CC、TCC、SCC电极的 (a) C 1s,(b) N 1s和 (c) O 1s的XPS光谱。


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图4 (a)Cr(H2O)5Cl2+在不同碳布表面的吸附能图;(b)不同碳布表面吸附Cr(H2O)5Cl2+的电子转移数;(c) 不同碳布表面吸附Cr(H2O)5Cl2+的电荷密度差图。


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图5 在扫描速率为4mV·s-1下,CC、TCC、SCC电极 (a) 正极和 (b) 负极反应的稳态CV。(c) CC、TCC、SCC电极组装电池的电化学阻抗谱。以CC、TCC、SCC电极组装的ICRFB在140 mA·cm2电流密度下的充放电性能:(d) 电流效率(CE),(e) 能量效率(EE),(f) 电压效率(VE)。以CC、TCC、SCC电极组装的ICRFB在不同电流密度下的充放电性能:(g) 电流效率(EE),(h) 能量效率(CE),(i) 电压效率(VE)。(j) SCC在140 mA·cm²电流密度下进行了800次充放电循环测试的EE,CE和VE。


作者简介


作者简介

牛迎春,2022获得中国石油大学(北京)博士学位。2022年至今在中国石油大学(北京)从事博士后研究工作,师从徐春明院士。长期从事铁铬液流电池碳布电极改性研究,主持国家自然基金一等奖一项,获省部级一等奖1项(排名2)。在Advanced Energy Materials 、Nano. Energy等发表代表性学术论文15余篇,作为第一指导老师指导本科生团队获得 2022 年“互联网+”竞赛全国金奖。


郭超,硕士研究生就读于中国石油大学(北京),师从徐泉教授。研究方向为液流电池电极材料研发及改性,在Nano Res.等期刊发表代表性学术论文5篇。



通讯作者简介:

徐泉教授,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,国家级青年人才,中国石油大学(北京)碳中和未来技术学院副院长。专注铁铬液流电池长时储能技术开发与建设。主持国家自然基金面上项目、国际合作项目、科技部重点研发子课题和成果转化项目等共计 15 项;发表 SCI 论文 80 余篇,他引 5300 次,以第一/通讯作者在 Nat. Commun.、 Adv. Mater.、 Adv. Sci.、 Nano Energy、 Chem. Eng. J.、 Nano Res.等国内外代表性期刊发表学术论文,入选英国皇家化学会 2018、2019 年度高被引中国学者;授权发明专利 14 项,累计完成成果转化 5 项,单一专利转让金额 360 万;出版《液流电池与储能》书籍;担任 SCI 期刊 Petrol. Sci.副主编,Front. Chem. Sci. Eng.,Nano Res. Energy 青年编委,中关村储能产业联盟液流电池储能技术专委会委员、能源行业液流电池标准化技术委员会委员,中国颗粒学会青年理事,中国化工学会与英国皇家化学会会员。


文章信息


Niu Y, Guo C, Liu Y, et al. Fabrication of highly effective electrodes for iron chromium redox flow battery. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6324-4.


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