通過釩氧化還原液流電池的電極設計實現反應物的均勻分布

DOI：10.1016/j.apenergy.2019.114198

在流場結構的釩氧化還原電池中，提高電極在通面和面內方向的透水性是至關重要的，因為它可以促進反應物的均勻分布，降低濃度過電位，從而提高電池性能。采用靜電紡絲法制備了直徑為7～12μm（平均10μm）的單軸取向碳纖維電極。由于取向結構的滲透性增強，在電流密度為100 mA cm^?2時，與所制備電極組裝的電池的能效為84.4%，比傳統電紡纖維電極的能效高13.2%。通過調節對準的纖維相對于流動通道的取向，進一步調整了面內方向上的滲透性。結果表明，當排列的纖維的取向垂直于流動通道的方向時，電池可提供最大的放電容量和最高的極限電流密度（?900 mA cm^-2）。電池性能的這種提高可歸因于通過最大限度地沿著垂直于流動通道的方向滲透而使反應物和電流的面內分布更均勻，正如三維模型所證明的那樣。

圖1.（a）3D計算域的示意圖。（b）液流通道和電極的剖視圖。（c）氣流對與x軸成θ角的對齊纖維的滲透率。

圖2.（a）靜電紡絲原理圖和制造常規ECF的條件。（b）傳統電紡墊的數碼照片。 （c）-（e）不同放大倍數下常規ECF的SEM圖像。（f）靜電紡絲的示意圖以及制造對齊ECF的條件。（g）對齊的電紡墊的數碼照片。（h）-（j）在不同放大倍數下對齊的ECF的SEM圖像。

圖3.（a）-（c）在電流密度為60、80和100 mA cm^-2的情況下，具有常規ECF和對準的ECF電極的電池的充放電曲線。（d）兩種電極的CE和VE比較。（e）兩種電極的EE比較。（f）具有常規ECF和對齊的ECF電極的電池的極化曲線。

圖4.垂直方向，對角線方向和平行方向配置的示意圖。（a）–（c）：蛇形通道的3D視圖，其排列的纖維電極方向不同。（d）–（f）：三種配置的俯視圖：紅線表示通道中的主要流動方向，黑線表示纖維方向。

圖5.在電流密度為60至250 mA cm^-2的情況下，三種不同排列的對齊電極的充放電曲線。

圖6.（a）具有三個不同的對齊電極排列的電池的CE和VE。（b）具有三個不同的對齊電極排列的電池的EE。三個不同電極配置的（c）極化曲線和（d）放電容量。

圖7.對準電極的垂直方向組件的循環性能。（a）效率和（b）200個循環內的比容量。

圖8.（a）–（c）三種布置的切割平面上的速度大小和矢量z=0.1 mm。（d）–（f）三種布置在切割平面上的電流密度分布z=0.1 mm。（g）-（i）物種V²⁺在切割平面上的濃度分布z=0.1 mm。