Development of modified graphite felt electrodes for the vanadium redox flow battery

Abstract

Redox flow batteries (RFBs) are one of the most promising candidates for stationary large-scale energy storage systems with regard to cost, cycle life, design flexibility, and safety. Among various RFBs, vanadium redox flow batteries (VRFBs) have the advantage of overcoming the cross-contamination of both electrolytes because VRFBs use the same V ion as the active species in both the anolyte and the catholyte. In spite of the various advantages of VRFBs, the performance of VRFBs needs to be further improved for the commercialization. The performance of VRFBs is significantly affected by the electrochemical activity of the electrode because the vanadium ion redox reactions take place at the graphite felt electrode surface during the charge-discharge process. To improve the electrochemical activity of graphite felt electrodes, facile methods for preparing nitrogen-doped carbon coated graphite felt electrodes using nitrogen-containing materials were developed. First, 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide (EMIM dca), an ionic liquid containing a high content of nitrogen, was used as an effective precursor for nitrogen doping on graphite felt surfaces. The effect of EMIM dca derived nitrogen doped graphite felt on the performance of VRFBs was investigated by various physical and electrochemical analyses. When employed in charge-discharge tests, the single cells with the nitrogen doped graphite felts showed outstanding performance. The improved performance is attributed to the high nitrogen content on the graphite felt, which increased the electrocatalytic activity of vanadium redox reactions. Second, polyacrylonitrile (PAN), which contains 26 wt% of nitrogen atoms, was employed to fabricate nitrogen-doped carbon materials on graphite felt surfaces. PAN was coated on graphite felt to improve the performance of VRFB single cell electrodes by utilizing the mechanism of the process of manufacturing carbon fiber from PAN. After optimizing the amount of PAN coated, a single cell with PAN derived nitrogen-doped graphite felt showed higher performance than a single cell with electrodes prepared by conventional treatment methods. In addition to improving the performance of the electrode by chemical methods, we examined the effect of local porosity of the electrodes on the electrolyte flow field in VRFBs at high current densities. The optimization of local porosity of the graphite felt electrode was carried out to improve the performance of VRFBs at high current density region.

Redox-Fluss-Batterien (RFBs) gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für stationäre Energiespeichersysteme im großen Maßstab in Hinblick auf Kosten, Lebensdauer, Designflexibilität und Sicherheit. Vanadium-Redox-Fluss-Batterien (VRFBs) haben gegenüber anderen RFBs den Vorteil, dass sie keine Kreuzkontamination der Elektrolyte aufweisen, da VRFBs das gleiche V-Ion als aktive Spezies sowohl im Anolyten als auch im Katholyten verwenden. Trotz der verschiedenen Vorteile von VRFBs muss die Leistung von VRFBs für die Kommerzialisierung weiter verbessert werden. Die Leistung von VRFBs wird erheblich von der elektrochemischen Aktivität der Elektrode beeinflusst, da die Vanadiumionen-Redoxreaktionen an der Oberfläche der Graphitfilzelektrode während des Lade-Entlade-Prozesses stattfinden. Um die elektrochemische Aktivität von Graphitfilzelektroden zu verbessern, wurden einfache Verfahren zur Herstellung stickstoffdotierter kohlenstoffbeschichteter Graphitfilzelektroden unter Verwendung stickstoffhaltiger Materialien entwickelt. Zunächst wurde 1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamid (EMIM dca), eine ionische Flüssigkeit mit hohem Stickstoffgehalt, als wirksame Vorstufe für die Stickstoffdotierung auf Graphitfilzoberflächen verwendet. Die Auswirkung von mit Stickstoff dotiertem Graphit, der von EMIM dca abgeleitet ist, auf die Leistung von VRFBs wurde durch verschiedene physikalische und elektrochemische Analysen untersucht. Bei Verwendung in Lade-Entlade-Tests zeigten die Einzelzellen mit den stickstoffdotierten Graphitfilzen eine hervorragende Leistung. Die verbesserte Leistung wird auf den hohen Stickstoffgehalt des Graphitfilzes zurückgeführt, der die elektrokatalytische Aktivität von Vanadium-Redox-Reaktionen erhöhte. Zweitens wurde Polyacrylnitril (PAN), das 26 Gew.-% Stickstoffatome enthält, verwendet, um mit Stickstoff dotierte Kohlenstoffmaterialien auf Graphitfilzoberflächen herzustellen. PAN wurde auf Graphitfilz aufgetragen, um die Leistung von VRFB-Einzelzellenelektroden zu verbessern, indem der Mechanismus des Prozesses zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus PAN genutzt wurde. Nach Optimierung der Menge an beschichtetem PAN zeigte eine Einzelzelle mit PAN-abgeleitetem stickstoffdotiertem Graphitfilz eine höhere Leistung als eine Einzelzelle mit über herkömmliche Behandlungsmethoden hergestellten Elektroden. Zusätzlich zur Verbesserung der Leistung der Elektrode durch chemische Methoden untersuchten wir den Effekt der lokalen Porosität der Elektroden auf das Elektrolytflussfeld in VRFBs bei hohen Stromdichten. Die Optimierung der lokalen Porosität der Graphitfilzelektrode wurde durchgeführt, um die Leistung von VRFBs im Bereich hoher Stromdichte zu verbessern.