郭玉國＆吳雄偉AEM: 一種高性能全釩液流電池用復合電極

【背景介紹】

化石燃料引起的環境和能源短缺問題迫使人類尋找合適的解決方法——清潔、可再生能源，如風能、太陽能等。清潔能源的間斷性和不穩定性造成大量電能的浪費，亟需大型儲能設備以提高其利用率。全釩液流電池表現出低成本、高效率、高循環性能、容量和功率可靈活設計等優點，成為當前最具有應用前景的大規模儲能裝置之一。目前針對電極材料的研究主要是碳電極。特別是石墨氈電極具有很強的耐酸腐性、優良的導電性、在較寬的電勢范圍內表現為化學惰性和低成本等特點, 從而在釩電池得到了廣泛應用。然而石墨氈電極表現出低的電化學活性，抑制釩電池大電流放電性能和電池效率，阻礙了其在釩電池中的發展。因此，開發一種高電化學活性的電極材料對于釩電池在產業化推廣上具有重大意義。

【成果簡介】

近日，來自中科院化學所郭玉國研究員，湖南農業大學吳雄偉副教授（共同通訊）等人通過水熱反應將還原氧化石墨烯原位生長在石墨氈纖維表面制備成復合電極。與空白電極相比，該復合電極對正負極釩離子均表現出更優異的電催化性能，大大提高了電池電壓效率和放電容量，最大電流密度達到300 mA cm^-2，特別在電流密度為150 mA cm^-2條件下充放電500圈表現出穩定的能量效率，通過一系列研究表明電極表面的含氧官能團與氧化石墨烯表面活性官能團反應生成內表面高導電和外表面高催化活性的還原氧化石墨烯層。rGO-GF復合電極的形成機理如下圖：

石墨氈纖維表面上的含氧官能團能夠與氧化石墨烯缺陷位點上的含氧和含氫基團發生交聯反應。rGO和石墨氈纖維之間形成的化學鍵和物理吸附能夠在石墨氈纖維表面形成較強的粘附作用力。同時氧化石墨烯分子間的脫水，有助于在石墨氈纖維表面生長大尺寸的還原石墨烯層，提高復合電極的比表面積。復合電極表現出豐富的含氧官能團，高的導電率，顯著的循環穩定性。電化學性能結果顯示在200 mA cm^-2，電壓效率為74.5%，能量效率為72.0%。

【圖文導讀】

圖1 rGO-GF復合電極的形貌表征

(a)石墨氈; (b)循環前 (c)循環后; (d)更高倍率; (e) rGO-GF復合電極; (f)使用FIB-SEM 記錄SEM圖; (b), (c),(e), (f)中SEM圖中使用的氧化石墨烯濃度為2 g L^-1。

?圖2 rGO-GF復合電極的元素組成與結構分析

(a) GF, rGO-1-GF, rGO-2-GF, 和 rGO-3-GF 電極材料的XPS圖譜; (b) 在高分辨率下擬合C1峰 (c) 在高分辨率下擬合O1s峰 ；(d) 和 (e) 化學組成； (f)氧化石墨烯和還原氧化石墨烯的拉曼光譜。

圖3 rGO-GF復合電極的CV和EIS測試

(a) 在循環伏安測試電解液0.05 MVOSO₄ +3.0 M H₂SO₄分別對 GF, rGO-1-GF, rGO-2-GF, and rGO-3-GF 電極材料的循環伏安測試，掃速為10 mV s^-1； (b) GF, rGO-1-GF, rGO-2-GF 和 rGO-3-GF的交流阻抗測試。

圖4 rGO-GF復合電極的充放電測試

分別使用 GF 和rGO-2-GF 電極的釩電池的電化學性能 (a) 電流密度為150 mA cm^-2; (b) VE, CE and (c) EE 在不同電流密度(50, 100, 120, 150 mA cm^-2); EE (d) 放電容量(e) 不同電流密度(50, 100, 120, 150, 180, 200, 250, 300 mA cm^-2); EE (f) rGO-2-GF在150 mA cm^-2 下的長循環測試.

【總結】

rGO-GF復合電極材料的制備過程安全可靠，成本低廉，安全可靠。與原始的石墨氈電極相比，這種rGO-GF復合石墨氈電極的電催化活性得到極大地提升，同時有效降低極化作用，提高電流密度和循環穩定性。復合電極性能提高歸因于快速的電子轉移速度和豐富的含氧官能團能夠加速rGO-GF電極表面的氧化還原反應速率，有望在釩液流電池中得到廣泛應用。

文獻鏈接：Q. Deng, P. Huang, W.-X. Zhou, Q. Ma, N. Zhou, H. Xie, W. Ling, C.-J. Zhou,Y.-X. Yin, X.-W. Wu,* X.-Y. Lu,* Y.-G.Guo*?. A High-Performance Composite Electrode for Vanadium Redox Flow Batteries (Adv. Energy Mater. ，2017，DOI: 10.1002/aenm.201700461 )

特別感謝:

湖南省銀峰新能源有限公司為本實驗提供的實驗材料和技術支持，得到中國國家杰出青年基金（No. 51225204），湖南省自然科學基金（No. 2015JJ3074）和長沙市科技局重點項目（No. KL403147-11)的資金支持。

【吳雄偉副教授簡介】

湖南農業大學吳雄偉副教授，畢業于中南大學，中科院化學所高級訪問學者(師從郭玉國研究員)、湖南銀峰新能源有限公司總經理兼首席科學家。其團隊長期致力于儲能與動力電池相關領域的研究及應用，包括全釩液流電池關鍵材料-電極、隔膜、電解液、集流體、電堆以及電氣控制系統的研究與開發；鋰電池負極保護及其固態電解質的研究。2011年博士畢業之后，在國內一家全釩液流電池公司負責全釩液流電池的產業化開發，組建了一支涵蓋了材料化學、冶金、機械、電力、控制、機電等一體的研發團隊，目前全釩液流電池和儲能系統正在進行產業化推廣，擔任釩電池標準委員會委員，注冊4000萬組建了湖南省銀峰新能源有限公司，有研究工作人員60余人，其中研究生30人左右，目前釩電池儲能系統(如上圖)已經銷往國內外（韓國）等地方，標志著我們產品在全球已經具有核心競爭力。

科研發表情況：已在Energy & Environmental Science，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Journal of Materials Chemistry A，Chem. Commun，J. Power sources，RSC Adv，Electrochim Acta，中國科學等國內外刊物上發表了SCI論文 32篇，申請中國專利20余項，日本專利1項。

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