钒液流电池电极构效关系及其浓度场与电流场的耦合机理研究

程前; 李明佳; 吴涛; 王睿龙

西安交通大学学报 ›› 2026, Vol. 60 ›› Issue (6) : 50 -63.

程前, 李明佳, 吴涛, 王睿龙

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摘要

针对钒氧化还原液流电池（VRFB）不同种类电极构效关系的不明晰，及其传质性能与电化学性能难以兼顾的问题，以石墨毡、碳布及静电纺丝碳纤维（ECFs）等碳素类电极为研究对象，开展了电极构效关系的揭示，及其浓度场与电流密度场耦合机理的研究。首先，对3种电极的特性进行了表征，获得了影响电极性能的关键参数；其次，探究了电极种类和厚度对电池性能的影响规律，同时阐明了电极特性与电池性能间的构效关系；最后，分析了浓度场与电流密度场的耦合机理，进一步揭示了电极的优化机制。研究结果表明：石墨毡的渗透率最高，ECFs的比表面积最大。当测试面积为2 cm×2 cm时，石墨毡、ECFs、碳布的最佳厚度依次为2.0、 0.8、 1.5 mm。碳布具有优异的导电性、亲水性和可逆性，并且适中的渗透率与比表面积，能够有效协同浓度场与电流密度场。同时，随着电极厚度的增加，碳布展现出从肋下区域向膜侧迁移的高度协同性。这些特性使得采用碳布的VRFB在50 mA·cm^-2的电流密度下，其能量效率相较于石墨毡和ECFs分别高出了6.27%和36.74%。该研究为开发兼具双重性能的VRFB电极提供了理论依据与设计思路。