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南方科技大学赵天寿院士/魏磊副教授Adv. Energy Mater.：微观传质与界面动力学协同强化的液流电池高性能多孔电极

时间：2023-11-27 来源：浏览：

南方科技大学赵天寿院士/魏磊副教授Adv. Energy Mater.：微观传质与界面动力学协同强化的液流电池高性能多孔电极

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【研究背景】

储能可以实现电力的稳定可控输出，满足可再生能源大规模接入并网的要求，对建设以风光电为主的新型电力系统、实现双碳目标具有重要意义。在各类储能技术中，液流电池（RFB）容量与功率解耦、寿命长、响应快速、本征安全，回收残值高，受到了广泛关注。尽管有诸多优势，但较高的建造成本仍限制了该技术的进一步商业化应用。解决此问题的最有效方法是在保持能量效率的前提下减少极化损失，提升功率密度来减小电堆体积。电池运行过程中，活化损失主要受到电极/电解液界面的电化学反应影响。欧姆损失由离子和电子传导影响，浓度损耗受到质量传输影响。所有的极化损失都和多孔电极的材料、结构、表面特性密切相关。因此，科学的设计多孔电极来减少电池极化损失，对提高RFB的功率密度和降低系统成本至关重要。

【工作介绍】

近日，南方科技大学赵天寿院士课题组通过无金属基底原位生长的方式制备了高性能垂直石墨烯多孔电极，该电极有效结合了三维垂直石墨烯结构的设计和原子掺杂，极大地增强了电极/电解液界面反应动力学，发展了针对液流电池微观传质与界面动力学协同强化的新方法，使得液流电池循环寿命和功率密度等关键指标显著提升。相关论文以“Metal-free fabrication of nitrogen-doped vertical graphene on graphite felt electrodes with enhanced reaction kinetics and mass transport for high-performance redox flow batteries”在Advanced Energy Materials（AEM）上发表。郭瑾聪和潘律名为共同第一作者。赵天寿院士，魏磊副教授，韩美胜副研究员为共同通讯作者。

【内容表述】

本研究通过一种无金属基底的热化学气相沉积方法设计了三维垂直石墨烯结构和原子掺杂的复合电极（NVG@GF），增强了质量传输特性和反应动力学，实现微观传质与界面动力学协同强化（图1）。

图1 NVG@GF复合电极的制造工艺示意图

本工作具体探讨了该复合电极的生长机理、微观结构及成分等方面（图2）。

图2 NVG@GF复合电极微观结构及成分表征

电化学循环性能测试结果显示，NVG@GF电极在高电流密度下具有出色的性能，表明其在实际应用中具有极大的潜力。此外，在电池长循环测试评估结果表明：NVG@GF电极在循环1500圈后，能量效率仍超过80.2%，证实了电极的非凡稳定性。

图3 复合电极电化学性能测试

由于液流电池中能量载体处于流动状态，活性物质传输与电化学反应进行耦合设计与分析是重要的。通过多维多物理场仿真分析发现，垂直石墨烯结构的引入改善了原始碳毡微观的活性物质传质，提供了更多充足反应物的电化学反应界面。同时，优化的操作条件使得宏观传质在整个多孔电极区域高度均匀化，保证了低局部极化与高功率输出。密度泛函理论计算证据进一步表明，复合电极的设计有强离子吸附性，有效改善了反应动力学。

图4 多物理场模拟及密度泛函理论计算结果

【结论】

本工作提出了一种无金属基底的原位生长方式设计了微观传质与界面动力学协同强化的液流电池高性能电极，该电极有效结合了三维垂直石墨烯结构的设计和原子掺杂，极大地增强了电极/电解液界面的电化学反应特性和反应动力学，实现了微观传质与界面动力学的协同强化，适用于高性能氧化还原液流电池。

Jincong Guo, Lyuming Pan, Jing Sun, Dongbo Wei, Qiuxia Dai, Junhui Xu, Quanlong Li, Meisheng Han, Lei Wei, Tianshou Zhao, Metal-free Fabrication of Nitrogen-doped Vertical Graphene on Graphite Felt Electrodes with Enhanced Reaction Kinetics and Mass Transport for High-performance Redox Flow Batteries, Advanced Energy Materials, 2023.

https://doi.org/10.1002/aenm.202302521

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课题组长期招聘液流电池、锂电、锌电、固态电池、锂电热管理等电化学储能研究领域的博士后、访问学生和科研助理。组内搭建有高性能计算平台，同时能够提供南科大科学与工程计算中心、国家超级计算广州中心等超算资源。课题组提供高分辨透射电镜（HR-TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、台式X射线吸收精细结构/发射谱仪（XAFS/XES）、原位XRD以及原位Raman、原位红外等多种高端分析表征资源。欢迎感兴趣者联系及推荐weil@sustech.edu.cn

作者简介

赵天寿，中国科学院院士、能源科学与工程热物理专家。1983年毕业于天津大学热物理工程系，1986年获该校硕士学位，1995年获得美国夏威夷大学博士学位。现任南方科技大学讲席教授、南方科技大学碳中和研究院院长、中盐-南科大盐穴储能技术联合实验室主任、美国机械工程师学会(ASME) Fellow、英国皇家化学学会(RSC) Fellow。曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。入选Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。

赵院士长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术，取得了系统效率与输出功率的同时跃升。

魏磊，南方科技大学机械与能源工程系副教授，博士生导师，深圳市先进储能重点实验室副主任，中关村储能联盟液流电池储能技术专业委员会副秘书长，中盐-南科大盐穴储能技术联合实验室成员。本科和硕士分别毕业于西安交通大学材料科学与工程、能源与动力工程学院。博士毕业于香港科技大学机械工程系，长期从事电化学能源系统中能质传递强化及其调控方面研究，入选国家人才计划青年项目。近年来，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（青年）项目、深圳市自然科学基金面上项目。已在International Journal of Heat and Mass Transfer、Energy Storage Materials、Journal of Power Sources、PNAS等国际期刊发表SCI论文60余篇，先后7篇文章入选ESI高被引，H因子34（Google Scholar），授权中国专利10余项，担任Applied Energy，Applied Thermal Engineering等SCI期刊审稿人。

联系方式：weil@sustech.edu.cn

韩美胜，现为南方科技大学工学院机械与能源工程系副研究员、深圳市“鹏程孔雀计划”特聘岗位C类人才、中科院一区期刊Rare Metals青年编委、国际科学组织Vebleo Fellow和中信部电池制造高级工程师。主要从事研究方向为二次离子电池新型高性能电极材料的结构设计与合成，发表英文论文40余篇，期刊包括Advanced Materials、Nature Communications、ACS Nano、PNAS、Carbon Energy、Nano-Micro Letters、Advanced Science等，申请国家发明专利20余项，主持/参与国家自然科学基金重大项目、科技部重点专项、国家省市级与横向项目10余项。

孙静，香港科技大学能源研究院博士后，2021年于香港科技大学获博士学位，研究方向为液流电池、锌离子电池等电化学储能系统中的电化学与传质过程耦合问题。已在Science Bulletin, Energy Storage Materials, International Journal of Heat and Mass Transfer, PNAS等期刊发表SCI论文40余篇，其中第一作者论文10余篇，论文总引用900余次，H因子18，申请中国专利5项，担任International Journal of Heat and Mass Transfer责任编辑。

联系方式：jsunav@connect.ust.hk

郭瑾聪，南方科技大学工学院机械与能源工程系在读硕士生。以第一及共一在Advanced Energy Materials、Energy Advances发表文章2篇。授权国家专利3项。研究方向：液流电池、锂离子电池等电化学器件中的热质传输规律等。

潘律名，南方科技大学机械与能源工程系在读博士生，本科和硕士分别毕业于清华大学车辆与运载学院和精密仪器系。以第一作者/共同一作在PNAS、Advanced Energy Materials、Applied Energy等期刊发表论文8篇。授权国家专利5项。在研究方向：液流电池、锂离子电池等电化学器件中的热质传输规律,人工智能能源材料与系统优化。联系方式：panlm2022@mail.sustech.edu.cn

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202302521

Yang-Kook Sun教授Angew：超细微观结构&晶间屏蔽助力富Ni阴极稳定性

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