在儲能電池中,鐵鉻氧化還原液流電池(ICRFB)具有安全性高、循環(huán)壽命長、性價比高、環(huán)境友好等優(yōu)點一直被認為是大規(guī)模儲能技術的首選之一。石墨氈常常被用于ICRFB的電極材料,但由于石墨氈本身的電化學活性和親液性較低,嚴重影響電極上的氧化還原反應速率以及離子遷移速率。鈷以及氧化鈷等鈷化合物由于具有降低化學反應勢壘,提高析氧電位等作用,常常被各個領域用作催化劑,提高化學反應速率。因此,營口理工學院王曉民教授和遼寧科技大學李成威教授團隊通過煅燒和電沉積硝酸鈷的方法,成功將鈷的氧化物引入到了石墨氈表面,并探究了氧化鈷的濃度對石墨氈電極性能的影響。
如圖1所示,SEM和XPS圖像顯示煅燒后石墨氈表面產(chǎn)生了大量的溝壑。又在經(jīng)過電沉積后如圖1(e-f)所示氧化鈷以顆粒狀牢牢的吸附在石墨氈纖維上,并且產(chǎn)生了更深的溝壑在一定程度上增加了石墨氈的比表面積。在外加直流電源下含有氧化鈷的石墨氈樣品其U-I圖像斜率(電阻)均有大幅下降。
圖1 SEM和EDS圖像(a)GF、(b)TGF、(c)0.1M、(d)0.2M、(e)0.3M、(f)石墨氈表面C的元素映射、(g)石墨氈表面Co的元素映射 將各樣品組裝成單電池并在140mAcm-2電流密度下測試充放電曲線,很明顯GF樣品的充放電曲線較短,容量較差,而0.1M、0.2M、0.3M樣品的容量均有較大提升。相較于GF分別提升了85%、59%、57%,并且其能量效率(EE)、電壓效率(VE)、庫倫效率(CE)均有提升,0.2M樣品在140mAcm-2電流密度下能量效率達到了44%,是TGF的1.25倍。并且氧化鈷修飾的石墨氈電極在140mAcm-2到260mAcm-2的電流密度內(nèi),對于電解液利用率也都高于TGF。電極性能的增強主要歸因于由于氧化鈷的存在,大量引入含氧官能團使電極表面活性點增加,并且鈷的存在可以在一定程度上對電極反應有催化作用。 圖2 (a)用各樣品組裝單電池充放電曲線圖 (b)CE、VE (c)EE (d)微分差容曲線 (e)電解液利用率圖 作者在最后通過電極動力學中的雙電層模型和Butler-Volmer 方程,對石墨氈表面的氧化鈷的催化機理進行了探討。該研究利用成本較低的煅燒和電沉積方法,制備了氧化鈷修飾的石墨氈電極,提高了原始石墨氈的電化學性能。 圖3 電極與電解液界面雙電層結(jié)構簡圖 論文信息 Research on the Performance of Cobalt Oxide Decorated Graphite Felt as Electrode of Iron-Chromium Flow Battery Hai-lin Ren, Yang Su, Shuai Zhao, Prof. Cheng-wei Li, Prof. Xiao-min Wang, Bo-han Li, Dr. Zhen Li ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202201146