在液流電池電極設計中，提高電極的傳輸性能并增大電極比表面積及活性是實現高功率密度水系液流電池的關鍵。然而由于纖維類型電極的特性，如何在提高電極比表面積的同時不降低甚至能增大電極的傳輸性能，是一個長久以來令研究者感到棘手的問題。
近日，香港科技大學趙天壽院士團隊通過在定向電紡碳纖維表面上原位生長一層碳納米纖維來設計和制備了一種新型有序多級的碳纖維（CNF-AECF）電極。這種新型多級電極通過對碳纖維的定向排列，在宏觀尺度為電解質提供了更好的傳輸途徑；而高度多孔的碳納米纖維層更是提供了高達108 m2 g-1的大比表面積，在微觀尺度為氧化還原反應提供了豐富的活性位點。這種從電極結構及電極表面設計兩個層面入手同步進行設計優化的新型電極實現了電極比面積和傳輸性能的同時增大。
循環伏安法測試顯示，在10 mV s-1的掃描速率下，陽極峰電位差從92.77 mV降低至55.01 mV，而陰極峰電位差從92.77 mV降低至88.65 mV。將所制備的電極用作全釩液流電池的正極材料，電池可在300 mA cm-2的電流密度下，達到80.1％的能量效率，并在400 mA cm-2的電流密度下，達到75.0％的能量效率，與使用傳統電紡碳纖維電極的全釩液流電池相比，能量效率分別提高了5.0％和6.6％。研究結果表明，這種納米碳纖維修飾的定向多級碳纖維電極，有望實現水系液流電池的高功率密度。
圖1.CNF-AECF電極的制備示意圖。
圖2.（a）PAN/PVP聚合物溶液的噴射路徑，（b）PAN/PVP電紡纖維絲的實物照片，（c）PAN/PVP纖維絲宏觀結構的SEM圖像，（d）PAN/PVP/Ni（NO3）2溶液的噴射路徑，（e）PAN/PVP/Ni（NO3）2電紡纖維絲的實物照片，（f）定向有序纖維絲宏觀結構的SEM圖像。
圖6.（a）CNF-AECF和ECF電極在10 mV s-1掃描速率下的正極側CV曲線，（b）CNF-AECF電極和（c）ECF電極在不同掃描速度下對VO2+/VO2+氧化還原反應的CV曲線，（d）不同掃描速度下，陰極峰電流與陽極峰電流（Ipc/Ipa）的比值，（e）峰值電流與掃描率平方根的關系，以及（f）陽極側EIS曲線。
DOI:10.1016/j.apenergy.2020.115235
學者簡介
///趙天壽院士
中國科學院院士、香港科技大學張英燦工程及環境學冠名講席教授、機械及航空航天工程系講座教授、香港科大能源研究院院長、香港科大高研院資深學人、美國機械工程師學會 Fellow、英國皇家化學學會 Fellow、國家杰出青年基金獲得者、教育部長江學者講座教授。
曾獲Croucher資深研究成就獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、兩次國家自然科學二等獎、香港科大工程學杰出研究成就獎。任國際期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主編與Energy & Environmental Science顧問編委。長期致力熱質傳遞理論和電池儲能技術的研究，在國際學術期刊發表SCI論文360余篇，SCI引用18000余次，h-因子達73。
