Электрохимия, 2021, T. 57, № 8, стр. 485-491

Исследование наноструктурированных углеродных войлочных материалов в качестве электродов ванадиевых проточных аккумуляторных батарей

В. А. Комаров a*, А. Н. Воропай b**, М. Н. Ильина a, Т. В. Горячева a

a Государственный университет “Дубна”
Дубна, Россия

b ЗАО “МПОТК “Технокомплект”
Дубна, Россия

* E-mail: svarogber2013@gmail.com
** E-mail: voropay@techno-com.ru

Поступила в редакцию 10.10.2020
После доработки 20.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Аннотация

Проточные ванадиевые аккумуляторные батареи набирают большую популярность в мире и уже опережают свинцовые аккумуляторы по величине установленной мощности, но сильно отстают от литий-ионных батарей. Большое распространение данных систем сдерживает в том числе и низкая удельная мощность, ввиду того, что электрокаталитическая активность электродных материалов по отношению к ионам ванадия низкая, поэтому поляризационное сопротивление при высоких плотностях тока является значительным. В данной работе исследуется метод модификации войлочных электродов для снижения удельного сопротивления ячейки проточного аккумулятора. Модификация проводится методом термического каталитического разложения пропан/бутана на поверхности углеродного волокна. Показано, что нанесение нитевидных наноструктур снижает удельное поверхностное сопротивление ячейки проточного аккумулятора с 11 до 3.9 Ом см2.

Ключевые слова: ванадиевые проточные батареи, углеродный войлок, площадь поверхностного сопротивления, никель, углеродное нановолокно

Список литературы

  1. Nguyen, T. and Savinell, R.F., Flow Batteries, Electrochem. Soc. Interface, 2010, vol. 19, p. 54. https://doi.org/10.1149/2.F06103if

  2. Lüth, T., König, S., Suriyah, M., and Leibfried, T., Passive components limit the cost reduction of conventionally designed vanadium redox flow batteries, Energy Procedia, 2018, vol. 155, p. 379. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.11.040

  3. Wu, X., Xu, H., Lu, H., Zhao, H., Fu, H., Shen, H., Xu, H., and Dong, H., PbO2-modified graphite felt as the positive electrode for an all-vanadium redox flow battery, J. Power Sources, 2014, vol. 250, p. 274. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.11.021

  4. Bevilacqua, N., Eifert, L., Banerjee, R., Köble, K., Faragó, T., Zuber, M., Bazylak, A., and Zeis, R., Visualization of electrolyte flow in vanadium redox flow batteries using synchrotron X-ray radiography and tomography – Impact of electrolyte species and electrode compression, J. Power Sources, 2019, vol. 439, p. 227071. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227071

  5. Eifert, L., Banerjee, R., Jusys, Z., and Zeis, R., Characterization of Carbon Felt Electrodes for Vanadium Redox Flow Batteries: Impact of Treatment Methods, J. Electrochem, Soc., 2018, vol. 165, p. A2577. https://doi.org/10.1149/2.0531811jes

  6. Kim, K.J., Park, M.-S., Kim, Y.-J., Kim, J.H., Dou, S.X. and Skyllas-Kazacos, M., A technology review of electrodes and reaction mechanisms in vanadium redox flowbatteries, J. Mater. Chem. A, 2015, vol. 3, p. 16913. https://doi.org/10.1039/C5TA02613J

  7. Yue, L., Li, W.S., Sun, F.Q., Zhao, L.Z., and Xing, L.D., Highly hydroxylated carbon fibres as electrode materials of all-vanadium redox flow battery, Carbon, 2010, vol. 48, p. 3079. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.04.044

  8. Sun, B. and Skyllas-Kazacos, M., Chemical modification of graphite electrode materials for vanadium redox flow battery application – part II. Acid treatments, Electrochim. Acta, 1992, vol. 37, p. 2459. https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)87084-D

  9. Wu, Y. and Holze, R., Electrocatalysis at Electrodes for Vanadium Redox Flow Batteries, Batteries, 2018, vol. 4, p. 47. https://doi.org/10.3390/batteries4030047

  10. Wang, W.H. and Wang, X.D., Investigation of Ir-modifed carbon felt as the positive electrode of an all-vanadium redox flow battery, Electrochim. Acta, 2007, vol. 52, p. 6755. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.04.121

  11. Yao, C., Zhang, H., Liu, T., Li, X., and Liu, Z., Carbon paper coated with supported tungsten trioxide as novel electrode for all-vanadium flow battery, J. Power Sources, 2012, vol. 218, p. 455. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.06.072

  12. Kim, K.J., Park, M.S., Kim, J.H., Hwang, U., Lee, N.J., Jeong, G., and Kim, Y.J., Novel catalytic effects of Mn3O4 for all vanadium redox flow batteries, Chem.Commun., 2012, vol. 48, p. 5455. https://doi.org/10.1039/C2CC31433A

  13. Sun, B. and Skyllas-Kazacos, M., Modification of graphite electrode materials for vanadium redox flow battery application–I. Thermal treatment, Electrochim. Acta, 1992, vol. 37, p. 1253. https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R

  14. Han, P., Wang, H., Liu, Z., Chen, X., Ma, W., Yao, J., Zhu, Y., and Cui, G., Graphene oxide nanoplatelets as excellent electrochemical active materials for VO2+/ and V2+/V3+ redox couples for a vanadium redox flow battery, Carbon, 2011, vol. 49, p. 693. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022

  15. Vazquez-Galv, J., Flox, C., Jervis, J.R., Jorge, A.B., Shearing, P.R., and Morante, J.R., High-power nitrided TiO2 carbon felt as the negative electrode for all-vanadium redox flow batteries, Carbon, 2019, vol. 148, p. 91. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.01.067

  16. Huang, R.-H., Sun, C.-H., Tseng, T.-m., Chao, W.-k., Hsueh, K.-L., and Shieu, F.-S., Investigation of active electrodes modified with platinum/multiwalled carbon nanotube for vanadium redox flow battery, J. Electrochem. Soc., 2012, vol. 159 p. A1579. https://doi.org/10.1149/2.003210jes

  17. Jin, J., Fu, X., Liu, Q., Liu, Y., Wei, Z., Niu, K., and Zhang, J., Identifying the Active Site in Nitrogen-Doped Graphene for the VO2+/VO2+ Redox Reaction, ACS Nano, 2013, vol. 7(6), p. 4764. https://doi.org/10.1021/nn3046709

  18. Wang, S., Zhao, X., Cochell, T., and Manthiram, A., Nitrogen-doped carbon nanotube/graphite felts as advanced electrode materials for vanadium redox flow batteries, J. Phys. Chem., 2012, vol. 3, p. 2164. https://doi.org/10.1021/jz3008744

  19. Golovin, Yu.I., Golovin, D.Yu., Shuklinov, A.V., Stolyarov, R.A., and Vasyukov, V.M., Electrodeposition of nickel nanoparticles onto multiwalled carbon nanotubes, Technical Physics Letters, 2011, vol. 37(3), p. 253. https://doi.org/10.1134/s1063785011030217

  20. Temirgaliyeva, T.S., Nazhipkyzy, M., Nurgain, A., Mansurov, Z.A., and Bakenov, Z.B., Synthesis of carbon nanotubes on a shungite substrate and their use for lithium–sulfur batteries, J. Engineering Phys. and Thermophys., 2018, vol. 91, p. 1295. https://doi.org/10.1007/s10891-018-1861-5

  21. Opar, D.O., Nankya, R., Lee, J., and Jung, H., Three-dimensional mesoporous graphene-modified carbon felt for high-performance vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2019, vol. 330, p. 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276

  22. Davies, T. and Tummino, J., High-Performance Vanadium Redox Flow Batteries with Graphite Felt Electrodes, J. Carbon Research, 2018, vol. 4, p. 8. https://doi.org/10.3390/c4010008

  23. Chen, J.-Z., Liao, W.-Y., Hsieh, W.-Y., Hsu, C.-C., and Chen, Y.-S., All-vanadium redox flow batteries with graphite felt electrodes treated by atmospheric pressure plasma jets, J. Power Sources, 2015, vol. 274, p. 894. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.097

  24. Shao, Y., Wang, X., Engelhard, M., Wang, C., Dai, S., Liu, J., Yang, Z., and Lin, Y., Nitrogen-doped mesoporous carbon for energy storage in vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 2010, vol. 195, p. 4375. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.01.015

  25. Sun, J., Zeng, L., Jiang, H.R., Chao, C.Y.H., and Zhao, T.S., Formation of electrodes by self-assembling porous carbon fibers into bundles for vanadium redox flow batteries, J. Power Sources, 2018, vol. 405, p. 106. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.10.035

  26. Oh, K., Moazzam, M., Gwak, G., and Ju, H., Water crossover phenomena in all-vanadium redox flow batteries, Electrochim. Acta, 2008, vol. 53. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.11.151

  27. Wei, X., Nie, Z., Luo, Q., Li, B., Chen, B., Simmons, K., Sprenkle, V., and Wang, W., Nanoporous polytetrafluoroethylene/silica composite separator as a highperformance all-vanadium redox flow battery membrane, Adv. Energy Mater, 2013, vol. 3, p. 1215. https://doi.org/10.1002/aenm.201201112

  28. Wang, Q., Qu, Z.G., Jiang, Z.Y., and Yang, W.W., Experimental study on the performance of a vanadium redox flow battery with non-uniformly compressed carbon felt electrode, Appl. Energy, 2018, vol. 213, p. 293. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.01.047

  29. Chen, J.-Y., Hsieh, C.-L., Hsu, N.-Y., Chou, Y.-S., and Chen, Y.-S., Determining the Limiting Current Density of Vanadium Redox Flow Batteries, Energies, 2014, vol. 7, p. 5863. https://doi.org/10.3390/en7095863

  30. Satola, B., Komsiyska, L., and Wittstock, G., Bulk Aging of Graphite-Polypropylene Current Collectors Induced by Electrochemical Cycling in the Positive Electrolyte of Vanadium Redox Flow Batteries, J. Electrochem. Soc., 2017, vol. 164, p. A2566. https://doi.org/10.1149/2.1261712jes

Дополнительные материалы отсутствуют.