李先锋/刘涛AFM: 用于实现高功率密度钒液流电池的复合电极

钒液流电池（VFB），因其设计灵活、高安全、循环寿命长、能效高而引起了广泛研究。然而，相对较高的初始成本限制了VFB的广泛应用。为了降低VFB的成本，提高功率密度被认为是最有效的方法之一。

在此，中科院大连化物所李先锋研究员、刘涛副研究员等人为降低VFB的极化损耗，以Ni-MOF为模板精心制备了一种中空多孔碳球催化剂（NMPC-A），其内外表面均可提供大量活性位点催化钒氧化还原对的氧化还原反应。为了抑制MOF基碳材料在制备过程中的多孔结构坍塌和颗粒聚集，作者引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为保护壳，因为PVP的酰胺键可以与Ni-MOF中的不饱和Ni³⁺位点配位。

此外，Ni-MOF对金属镍的催化石墨化赋予了碳球催化剂高导电性。这种具有高比表面积的催化剂可以简单地原位负载在石墨毡（GF）上，形成集成电极（NMPC-A@GF）。

图1. PVP涂层Ni-MOF的示意图及表征

因此，制备的负载NMPC-A的集成NMPC-A@GF电极表现出优异的电催化活性，因为钒离子可以同时参与空心球内外表面的反应。用该电极组装的VFB单电池在200 mA cm^-2的高电流密度下可实现82.7% 的高能效和958 mW cm^-2的峰值功率密度，远高于原始GF电极。

更重要的是，VFB可以在200 mA cm^-2下稳定运行1000次循环而没有明显的性能下降。因此，这种中空多孔碳球结构为VFB高活性电催化剂的开发提供了新思路，将显著提高VFB的功率密度，从而极大地促进VFB的商业化应用。

图2. 基于NMPC-A@GF电极的VFB的电化学性能

Highly Active Hollow Porous Carbon Spheres@Graphite Felt Composite Electrode for High Power Density Vanadium Flow Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202111267

李先锋/刘涛AFM: 用于实现高功率密度钒液流电池的复合电极

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