Journal of Power Sources 研究论文：全钒液流电池用石墨毡负极表面均匀、致密铋纳米颗粒的原位沉积

第一作者：任嘉友，王振宇

通讯作者：范新庄*，赵天寿*

单位：香港科技大学，南方科技大学

金属铋作为一种低成本且高效的催化剂能显著改善石墨毡电极的电化学活性，从而加速的钒液流电池的负极反应。通过原位电化学沉积将铋颗粒到修饰到石墨毡电极表面是一种高效快捷的电极活化的方法，但是传统的原位沉积方法只能得到直径较大且分散度高的铋金属颗粒，对钒液流电池能量效率的提升较为有限。为了改善铋金属颗粒在石墨毡表面的沉积形貌，进一步提升钒液流电池的性能，本文对金属铋的原位沉积过程及工艺进行了系统研究。首先，揭示了导致铋纳米颗粒直径较大且呈分散度高的机理，即具有较高钒离子浓度的正极电解液会导致大量的四价或五价钒离子跨膜传输到负极，进而与电极表面的铋金属颗粒发生反应，最终只留下直径大且分散度高的铋金属颗粒。然后，本文提出了相应的解决方案，即采用具有较低浓度的钒溶液作为正极液，从而减小从正极扩散到负极的四、五价钒离子的含量，实现金属铋在较低沉积电流密度下的均匀沉积，最终获得直径较小且致密的铋纳米颗粒，使钒液流电池的能量效率得到进一步提升。

近日， 香港科技大学赵天寿院士及范新庄博士 在 Journal of Power Sources 上发表了题为 “In-situ electrodeposition of homogeneous and dense bismuth nanoparticles onto scale-up graphite felt anodes for vanadium redox flow batteries” 的研究论文。该研究论文揭示了传统电沉积过程中铋颗粒直径较大且分散度高的机理，并提出采用具有较低钒离子浓度的正极电解液进行原位电化学沉积的方法，即使在较低的沉积电流密度下依然可以得到直径较小且致密分布的铋纳米颗粒，显著提高了钒液流电池的能量效率。

在钒电池工程化中，需要对大尺寸电极进行电化学沉积，如果沉积电流密度较大，会加剧铋离子浓度在流动方向的梯度分布，造成严重的浓差极化。因此，本文采用减小沉积电流密度的方法来降低溶液中铋离子的浓度差异，进而改善铋颗粒在大尺寸电极表面的分布。

传统铋沉积方法采用高浓度的钒溶液作为正极液，在较小的沉积电流密度下钒离子的跨膜传输较为严重，尤其是从正极扩散过来的、具有较强氧化性的四、五价钒离子会与沉积在电极表面的铋金属进行反应，最终只留下直径大且分散度高的铋金属颗粒，进而限制了钒电池性能的提高。

本文采用低浓度的钒溶液作为正极液进行铋沉积，即使在很小的沉积电流密度下也只有少量的钒离子从正极扩散到负极，进而减少了沉积在电极表面的铋纳米颗粒的溶解，最终在石墨毡负极表面得到了粒径较小且致密分布的铋纳米金属颗粒，进一步提升了钒液流电池的能量效率。

In-situ electrodeposition of homogeneous and dense bismuth nanoparticles onto scale-up graphite felt anodes for vanadium redox flow batteries

范新庄 博士简介：2006年本科毕业于西安电子科技大学，2011年博士毕业于中国海洋大学；随后在中科院金属研究所从事钒电池及其工程化研究，2018年加入香港科技大学赵天寿院士团队开展博士后研究。截止到目前，申请人主持或参与973、Theme、ITF与国青等课题20余项，发表学术论文60余篇，申请专利30余项。

赵天寿 教授简介：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、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。

赵天寿教授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。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。

任嘉友 博士介绍：2016年本科毕业于四川大学建筑环境与设备工程系，2019年获该校土木工程硕士学位，2023年博士毕业于香港科技大学机械工程专业。主要从事钒液流电池的建模和电池性能的提升的研究。

王振宇 博士介绍：2013年本科毕业于济南大学机械工程系，2016年获得东北大学机械工程硕士学位，2022年博士毕业于香港科技大学机械工程专业。主要从事钒电池电极性能提升及电池容量衰减抑制的研究。