全釩液流電池（VFB）作為大型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，自問(wèn)世以來(lái)，在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域備受關(guān)注。將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于可再生能源發(fā)電，可有效解決再生能源發(fā)電存在的間歇性和并網(wǎng)困難等問(wèn)題。全釩液流電池采用水系電解液，因此表現(xiàn)出優(yōu)越的安全性，而且正負(fù)極之間也不存在元素的交叉污染。全釩液流電池的循環(huán)壽命高達(dá)10000次以上，其使用壽命不低于10年。

全釩液流電池的工作原理如圖1所示。其中活性物質(zhì)電解液存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐中，通過(guò)磁力泵輸送到電堆中，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)后再輸送回儲(chǔ)罐中。從原理圖可以看出，全釩液流電池的功率和容量相互獨(dú)立，可以通過(guò)增加電解液的量來(lái)增大儲(chǔ)電容量，這是全釩液流電池的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1 全釩液流電池工作原理

VFB的容量取決于所使用的電解液濃度和體積，而功率則由電池的電極面積和數(shù)量決定。電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，電解液中的活性物質(zhì)，即不同價(jià)態(tài)的釩離子組分會(huì)在電極表面進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，因此電極的性能對(duì)于釩離子參與電化學(xué)反應(yīng)的速度和反應(yīng)總量有直接影響，對(duì)VFB的性能起著至關(guān)重要的作用。

創(chuàng)新點(diǎn)及解決的問(wèn)題

本文介紹了釩液流電池電極材料的研究現(xiàn)狀。詳細(xì)介紹了電極種類、電極材料的改性途徑、改性效果，并對(duì)電極的老化機(jī)制進(jìn)行了分析。全釩液流電池（VFB）電極材料改性的方法主要包括增加電極催化活性和增大電極電化學(xué)反應(yīng)面積兩種方式。通過(guò)對(duì)電極進(jìn)行熱處理、酸處理，可以改變電極表面結(jié)構(gòu)，提高電極催化活性，從而提高電極反應(yīng)可逆性。通過(guò)在電極表面生長(zhǎng)碳納米管或者負(fù)載石墨烯、氧化銥等而制備的復(fù)合電極材料，以及采用天然廢棄物制備的多孔碳電極，可以達(dá)到同時(shí)提高電極表面催化活性和增大電極電化學(xué)反應(yīng)面積的效果。還可以通過(guò)制備電極和雙極板復(fù)合一體化電極，降低電池的接觸電阻，減小電池極化。而電極的化學(xué)降解及電化學(xué)降解對(duì)于電極的壽命會(huì)產(chǎn)生影響，而且對(duì)電池負(fù)極的影響比正極更加明顯。最后，總結(jié)了VFB電極材料的現(xiàn)狀并展望了未來(lái)研究發(fā)展的方向。

重點(diǎn)內(nèi)容導(dǎo)讀

1 釩電池電極種類

2 電極的改性研究

2.1 電極表面催化活性改性

2.1.1 碳?xì)直砻婧豕倌軋F(tuán)的作用

2.1.2 碳?xì)直砻婧倌軋F(tuán)的作用

2.2 電極表面積的改性研究

2.2.1 碳?xì)?碳納米管復(fù)合電極

圖2 未修飾碳?xì)郑╝）和CF/CNF/CNT復(fù)合電極（b）SEM圖

2.2.2 碳?xì)?石墨烯復(fù)合電極

圖3 未修飾碳?xì)郑╝）和碳?xì)?納米碳纖維/碳納米管復(fù)合電極（b）SEM圖

2.2.3 碳?xì)?金屬氧化物復(fù)合電極

圖4 CeO2/ECNFs電極的SEM（a）、TEM（b）圖

圖5 PbO2修飾的碳?xì)蛛姌OSEM照片（b）

圖6 未修飾的碳?xì)蛛姌O和PC修飾碳?xì)蛛姌O在不同倍率下：（a）能量效率對(duì)比曲線；（b）放電容量對(duì)比

2.5 其它釩電池電極的研究

圖7 傳統(tǒng)電極/雙極板和一體化電極/雙極板的面電阻對(duì)比

2.6 釩電池電極老化機(jī)制的研究

圖8 傳統(tǒng)電極/雙極板和一體化電極/雙極板在40 mA/cm2電密下充放電性能

結(jié) 論

電極作為釩電池的重要組成部分，對(duì)電池的能量效率和能量密度有很大的影響。本文綜述了釩電池電極材料的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，總結(jié)了電極性能改進(jìn)的方法以及改性的結(jié)果，這對(duì)于全釩液流電池專用電極材料的商業(yè)化生產(chǎn)具有理論指導(dǎo)意義。現(xiàn)如今商業(yè)化的石墨氈材料主要用于耐火、隔熱材料，其表面結(jié)構(gòu)以及厚度都不是依據(jù)釩液流電池電極材料特性加工生產(chǎn)的，因此在規(guī)格型號(hào)及性能方面并非完全滿足釩電池的需求，隨著釩液流電池商業(yè)化的推廣，加強(qiáng)石墨氈材料本體性能的研究工作以及加快釩液流電池電極材料標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，對(duì)于液流電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化具有重要意義。從降低電池本體電阻提高性能角度考慮，大力開(kāi)發(fā)一體化電極，優(yōu)化其制造工藝，降低成本是電極材料的發(fā)展方向之一。盡管對(duì)電極的改性工作投入了大量研究，但是這樣的工作都無(wú)形中增加了電極的生產(chǎn)步驟和成本，因此還需要積極探索簡(jiǎn)易的電極優(yōu)化方法，并加強(qiáng)對(duì)電極本體性能的研究，這不但為電極材料的甄選提供依據(jù)，也是電極材料發(fā)展的方向之一。有關(guān)電極的使用壽命，雖然在循環(huán)過(guò)程中的老化機(jī)制有了初步的研究成果，但是對(duì)于電極材料老化的抑制、解決方法還未有報(bào)道，這是電極材料未來(lái)研究的重要方向。

引用本文

蘇秀麗, 楊霖霖, 周禹, 林友斌, 余姝媛. 全釩液流電池電極研究進(jìn)展[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2019, 8(1): 65-74.

SU Xiuli, YANG Linlin, ZHOU Yu, LIN Youbin, YU Shuyuan. Developments of electrodes for vanadium redox flow battery. Energy Storage Science and Technology, 2019, 8(1): 65-74.

原標(biāo)題:【本刊推薦*研究進(jìn)展*蘇秀麗等】全釩液流電池電極研究進(jìn)展