Nano Res.│大规模储能液流电池用大尺度高性能石墨烯复合电极制备

文章简介

“30-60 碳达峰-碳中和”背景下，不可再生能源将逐渐被可再生能源替代。然而，以风能和太阳能为代表的新能源发电存在不连续和不稳定的问题，必须配备储能装置，储能迎来巨大发展机遇。液流电池因其功率与能量分离、循环寿命长、安全可靠、可快速和深度充放电等优点成为最有潜力的大规模储能技术之一。目前，发展最成熟的钒液流电池仍遇到成本高和能量密度低的商业瓶颈。电极材料性能优劣决定电池功率模块成本和电池转化效率。常用的石墨毡或碳毡电极材料存在比表面积低和催化性能差等缺点，严重影响电池功率和效率，进而影响电池成本。因此，开发商业化高电导率、高比表面积和优异催化性能的电极材料，可促进大规模储能液流电池的商业化发展。

长沙理工大学联合中科院北京纳米能源所、中南大学和沈阳欧特真空科技有限公司自主开发一种大面积石墨烯气相沉积设备（图1所示），成功制备大面积、高性能、低成本液流电池专用的石墨烯复合电极。该复合电极具有较高的比表面积、电导率和较好的活性钒离子催化性能，从而显著提高了钒电池的能量效率和功率密度，有效地降低钒电池成本，促进钒电池产业化发展。该研究成果已经实现了成果转化落地，目前正在进行中试设备和工艺研发，预计很快可实现液流电池电极产业化应用。

1. 大尺度石墨烯复合电极的制备

以H₂为还原剂，CH₄为C源，采用CVD法制备石墨烯复合电极。通过控制反应时间、温度等条件，探究石墨烯负载量对电极电化学性能的影响，得到一种大面积生长石墨烯复合电极的简单有效方法。为液流电池高性能商业化电极发展提供新的有效途径。

图1 化学气相沉积法制备大尺度石墨烯复合电极

2. 石墨烯复合电极的电化学和电池性能

图2 石墨烯复合电极电化学性能

该石墨烯复合电极表现出对钒离子电堆较好的催化活性以及高的电导率。因此装有石墨烯复合电极的钒液流电池功率密度可达到1189 mW•cm^‒2，是目前常用碳毡电极的1.8倍（648 mW•cm^‒2）（图2所示）。为评估石墨烯复合电极在大规模钒液流电池产品上应用的可靠性，在装有石墨烯复合电极的小型钒液流电池电堆上进行了充放电性能测试。结果显示电堆的电压效率和能量效率高达87.7%和85.8%，在循环500圈后，没有明显衰减，说明石墨烯复合电极具有较好的稳定性和电池性能。基于上述良好的电导率、催化性能和电池性能，石墨烯复合电极将会成为大规模储能液流电池的商业化电极材料。

图3 石墨烯复合电极在钒液流电池电堆中的性能

作者简介

本论文第一作者为长沙理工大学材料科学与工程学院硕士研究生龙婷，通讯作者为长沙理工大学丁美教授、贾传坤教授和中南大学陈根副教授。

通讯作者：

丁美，博士，特聘教授，湖南省 “团队百人计划”核心成员，入选2019年度湖南省湖湘高层次人才聚集工程-创新人才项目。主要研究方向为储能液流电池用新型氧化还原分子的设计合成和高密度信息存储用单分子磁体的合成。在Adv. Energy Mater., Nat. Nanotechnol.，Small等国际期刊上发表多篇高质量科研论文。申请10余项专利，已实现多项专利技术转化。

陈根，博士，副教授，湖南省青年百人计划，入选2018年度湖南省湖湘高层次人才聚集工程-创新人才项目。主要从事锂离子电池负极硅碳材料商用化研究、新型负极材料开发、镍钴锰正极材料再生回收等。在国际知名期刊发表100余篇学术论文，包括Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Nano Energy，Small等，被引用3200余次，H-index 32。曾获得国家优秀自费留学生奖学金，电化学会ECS Edward G. Weston Summer Fellowship等多项荣誉奖励。

贾传坤，博士，教授，湖南省“团队百人计划”负责人，入选2018年度湖南省湖湘高层次人才聚集工程-创新人才项目。主要从事储能电池系统研发工作，在Science Advances, Small, iScience等期刊上发表论文70余篇，3篇入选2019年热点文章，9篇入选高被引文章，受邀撰写英文专著3章。获授权专利15项（其中PCT国际专利1项），多项专利技术已成功转化落地。

文章信息

Ting Long, Yong Long, Mei Ding^*, Zhizhao Xu, Jian Xu, Yiqiong Zhang, Mingliang Bai, Qijun Sun, Gen Chen^* & Chuankun Jia^*. Large scale preparation of 20 cm × 20 cm graphene modified carbon felt for high performance vanadium redox flow battery. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3564-z.

w