موثرترین ماده الکترود برای باتری های جریان ردوکس وانادیوم الف است گرافیت مبتنی بر پلی اکریلونیتریل در دمای 450 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت در هوا به صورت حرارتی فعال می شود. . این درمان باعث افزایش سطح خاص به 6.5 متر مربع در هر گرم ، نسبت اتمی اکسیژن به کربن را به 0.12 ، و بازده ولتاژی را تولید می کند 86.5 درصد در 100 میلی آمپر بر سانتی متر مربع . الکترود به دست آمده بازده انرژی بالاتر از 80 درصد را در طول عمر چرخه ای بیش از 15000 چرخه شارژ-تخلیه ارائه می دهد که به طور مستقیم هزینه ذخیره سازی را تا حدود 8 درصد در مقایسه با نمد تصفیه نشده کاهش می دهد.
مواد الکترود الزامات در باتری های جریان
یک الکترود باتری جریان باید یک رابط سه فازی را فراهم کند که در آن الکترولیت مایع، الکترود جامد و کلکتور جریان به هم می رسند. خواص فیزیکی ضروری که بر عملکرد حاکم هستند عبارتند از رسانایی الکتریکی بالا، سطح ویژه کافی برای واکنش های الکتروشیمیایی، ترشوندگی خوب توسط الکترولیت، و مقاومت شدید در برابر خوردگی الکتروشیمیایی در اسید سولفوریک غلیظ در پتانسیل های بالاتر. 1.5 ولت در مقابل SHE .
- رسانایی الکتریکی از طریق صفحه باید بیشتر شود 5 S بر سانتی متر برای به حداقل رساندن تلفات اهمی در ضخامت فشرده معمولی 2 تا 4 میلی متر.
- سطح ویژه حداقل 3 متر مربع در هر گرم برای حفظ مقاومت انتقال بار زیر 1 اهم بر سانتی متر مربع در چگالی جریان عملی لازم است.
- زاویه تماس با الکترولیت وانادیوم 1.6 مولار باید کمتر شود 60 درجه پس از فعال سازی، اطمینان از خیس شدن و استفاده کامل منافذ.
- نرخ خوردگی باید زیر باقی بماند 1 میکروگرم در سانتی متر مربع در ساعت در جنبه مثبت پتانسیل برای تضمین یک عمر پشته 20 ساله.
عملکرد مقایسه ای نمد کربن، کاغذ و پارچه
سه بستر مبتنی بر کربن بر الکترودهای باتری جریان غالب هستند. خواص خام آنها قبل از فعال سازی سقف قابل دستیابی را برای کارایی دیکته می کند. جدول زیر مشخصات اولیه رایج ترین انواع را خلاصه می کند.
| مواد | سطح اولیه (m2/g) | رسانایی الکتریکی (S/cm) | نفوذپذیری از طریق صفحه (m2) |
|---|---|---|---|
| نمد گرافیت | 0.5 تا 1.2 | 8.5 | 5*10 به توان منهای 10 |
| کاغذ کربن | 0.2 تا 0.8 | 45.0 | 1*10 به توان منهای 12 |
| پارچه کربن | 0.8 تا 2.0 | 12.0 | 8*10 به توان منهای 10 |
نمد گرافیتی به دلیل تخلخل حجمی بالا و هزینه کم ترجیح داده می شود. کاغذ کربنی بالاترین رسانایی حجیم را ارائه میدهد، اما از نفوذپذیری کم رنج میبرد، و آن را تنها برای معماری سلولهای جریان با الکترودهای نازک مناسب میکند. پارچه کربنی تعادل را فراهم می کند اما تراکم پذیری محدودی دارد و در نتیجه مقاومت تماس بیشتری با صفحه دوقطبی ایجاد می کند.
استراتژی های فعال سازی حرارتی و شیمیایی
الکترودهای کربن تصفیه نشده آبگریز و از نظر الکتروکاتالیستی بی اثر هستند. فعال سازی گروه های عاملی حاوی اکسیژن مانند کربونیل، کربوکسیل و هیدروکسیل را معرفی می کند که به عنوان مکان های فعال برای واکنش های ردوکس وانادیوم عمل می کنند. پروتکل استاندارد فعال سازی حرارتی از یک توالی دقیق پیروی می کند.
- نمد گرافیت را از دمای اتاق به سطح شیب دار افزایش دهید 450 درجه سانتیگراد با سرعت 5 درجه سانتیگراد در دقیقه در اتمسفر هوا.
- برای 450 درجه سانتیگراد نگه دارید 4 ساعت برای دستیابی به کاهش جرم 2 تا 3 درصد بدون به خطر انداختن یکپارچگی مکانیکی.
- برای جلوگیری از شوک حرارتی، قبل از برداشتن به طور طبیعی تا زیر 80 درجه سانتیگراد خنک کنید.
پس از درمان، نسبت O به C از 0.03 به افزایش می یابد 0.12 ، زاویه تماس آب کاهش می یابد 125 درجه تا 55 درجه و چگالی جریان اوج برای واکنش یونی VO2 مثبت به VO2 مثبت افزایش می یابد 35 درصد در ولتامتری سیکلی اسید درمانی با جوشاندن اسید نیتریک غلیظ برای 30 دقیقه به درجه مشابهی از اکسیداسیون دست می یابد، اما می تواند نیترات های باقیمانده ای باقی بگذارد که باید حداقل به مدت 2 ساعت در آب دیونیزه شسته شوند.
اصلاح کاتالیزور اکسید فلز و فلز
رسوب نانوذرات کاتالیزوری بر روی سطح کربن فعال، مقاومت انتقال بار را بیشتر کاهش می دهد. بیسموت، اکسید ایریدیوم و اکسید منگنز، اصلاحکنندههای مورد مطالعه هستند. یک بارگذاری بیسموت رسوب داده شده از 15 میکروگرم در سانتی متر مربع روی یک الکترود نمدی، پتانسیل شروع برای کاهش یون مثبت V3 را به V2 مثبت تغییر می دهد 60 میلی ولت و مقاومت انتقال بار را از 2.8 اهم بر سانتی متر مربع تا 1.2 اهم بر سانتی متر مربع .
نانوسیمهای اکسید منگنز که بهصورت هیدروترمال مستقیماً روی الیاف کربن رشد میکنند، ظرفیت ویژه الکترود را افزایش میدهند. 45 فارنهایت در هر سانتی متر مربع ، یک اثر بافر محلی ارائه می دهد که بازده ولتاژ را با یک مقدار اضافی بهبود می بخشد 2.5 واحد درصد در طول ضربان با سرعت بالا با این حال، پایداری طولانیمدت این کاتالیزورها باید تحت دوچرخهسواری مکرر بالقوه تأیید شود. اکسید ایریدیوم با سرعت حل می شود 0.3 نانوگرم در هر چرخه در اسید سولفوریک 2 مولار، منجر به محو شدن عملکرد پس از آن قابل تشخیص است 2000 چرخه .
ملاحظات فشرده سازی الکترود و مونتاژ سلول
درجه فشردهسازی اعمال شده هنگام انباشته شدن سلولها مستقیماً مقاومت ویژه ناحیه و افت فشار در مسیر الکترولیت را تعیین میکند. نسبت تراکم مطلوب این دو عامل را متعادل می کند. برای یک نمد با ضخامت 3 میلی متر، فشرده سازی به 2.1 میلی متر (30 درصد کرنش) مقاومت تماس بین الکترود و صفحه دوقطبی گرافیت را کاهش می دهد 0.8 اهم بر سانتی متر مربع تا 0.35 اهم بر سانتی متر مربع ، مقاومت کل پشته را تقریباً کاهش می دهد 25 درصد .
به طور همزمان، کاهش تخلخل از 85 درصد به 75 درصد، افت فشار الکترولیت را به میزان ضریب افزایش می دهد. 1.8 . برای یک پشته 10 کیلوواتی با دبی 120 لیتر در دقیقه، این به معنای افزایش جریان است. 0.6 بار از کار پمپ، که مصرف حدود 1.2 درصد از توان خروجی پشته . بنابراین پنجره فشرده سازی بهینه برای نمد گرافیتی بین آن تنظیم شده است 20 و 25 درصد از ضخامت اولیه
دوام طولانی مدت و مکانیسم های تخریب
تخریب الکترود در شرایط عملیاتی عمدتاً توسط اکسیداسیون الکتروشیمیایی سطح کربن در سمت مثبت انجام می شود. یک نمد گرافیتی نگه داشته شده است 1.6 V در مقابل SHE برای 1000 ساعت در آزمایش نیم سلولی از دست می دهد 15 درصد از گروه های عملکردی اکسیژن اولیه آن ، که منجر به افت بازده ولتاژ می شود 3 درصد . جریان خوردگی کربن اندازه گیری شده در این پتانسیل است 8 میکرو آمپر بر سانتی متر مربع ، مربوط به نرخ از دست دادن جرم از 0.12 میلی گرم در سانتی متر مربع در هر 1000 ساعت .
برای افزایش عمر عملیاتی، برگشت پتانسیل دوره ای یا یک پالس کاتدی کوتاه می تواند برخی از گروه های عملکردی از دست رفته را بازسازی کند. در آزمایش پیری تسریع شده، سلولی در معرض الف پالس منفی 0.8 ولت به مدت 60 ثانیه در هر 500 سیکل بهبود یافت 80 درصد بازده ولتاژ اولیه پس از 5000 چرخه، در حالی که سلول کنترل درمان نشده تنها باقی ماند 65 درصد . این استراتژی بازسازی درجا در حال ادغام با سیستم های مدیریت باتری نسل بعدی پشته باتری های جریان است.
