石墨毡和碳纸之所以是有效的VRFB电极，是因为它们兼具化学稳定性、电导率、多孔反应表面和机械耐久性。与大多数金属相比，它们的碳基结构能够更好地耐受强酸性钒电解液；同时，其相互连通的孔隙允许电解液流动，并为正、负极钒氧化还原反应提供大量反应位点。
理想的VRFB电极必须能够传导电子，为电解液提供大面积且易于接触的表面，在酸性和氧化性条件下保持稳定，并在压缩状态下维持受控的渗透性。石墨毡强调三维孔隙结构和电解液可达性，而碳纸则提供更薄且尺寸控制更好的电极结构。
碳基电极为何适用于VRFB
酸性电解液中的化学稳定性
VRFB电解液具有强酸性，并含有高氧化性的钒物种，尤其是在正极电解液一侧。石墨和碳材料在这些条件下比许多金属替代材料更能抵抗腐蚀和化学降解。
这种稳定性十分重要，因为电极腐蚀会增加污染、改变界面电阻并缩短电池寿命。电极必须在电池的负极和正极两侧都保持正常功能。
电导率
电极在液态氧化还原物种与双极板或集流体之间提供电子传输通道。良好的电导率能够降低欧姆损耗，并支持整个活性电极区域内的均匀电流分布。
接触质量同样重要。压缩必须在碳电极与集流体之间形成可靠接触，同时避免过度闭合孔隙。
三维多孔结构
石墨毡包含由相互连接的碳纤维构成的网络。这种结构形成了较大的三维电化学表面积，使更多钒离子能够在充放电过程中到达反应位点。
其开放孔隙还允许电解液穿过电极，而不仅仅是在电极表面流动。这有助于液流电池结构中的有效传质。
电化学活性
碳表面为V²⁺/V³⁺和V⁴⁺/V⁵⁺氧化还原电对提供反应位点。未经处理的碳材料对于许多实验室和商业电池设计而言已经具有足够的活性，但通过表面处理可以改善其反应动力学。
例如，热氧化可以引入含氧官能团，从而改善电解液润湿性和钒反应动力学。其他处理方法，包括杂原子掺杂或纳米结构引入，还可以进一步改变催化性能。
机械耐久性
电极必须承受组装压力、电解液流动、反复循环以及过充等偶发运行应力。机械强度和结构保持能力有助于防止纤维损坏、变形或电接触随时间推移而失效。
当需要具有柔顺性且能够贴合的电极时，石墨毡尤其有用。碳纸具有更高的尺寸均匀性，在必须严格控制厚度和几何形状的场合更具优势。
石墨毡和碳纸在电池中的不同作用
石墨毡：高孔隙率和良好贴合性
石墨毡厚实、纤维状且高度多孔。其主要优势包括良好的电解液渗透性、较大的可接触表面积，以及与相邻电池组件贴合的能力。
石墨毡广泛用于实验室VRFB电池，因为可以调节其厚度和压缩程度，以平衡反应面积、流动阻力和接触质量。
碳纸：薄且尺寸可控
碳纸由紧密的碳纤维网络组成，通常比石墨毡更薄且结构更均匀。其主要优势包括厚度一致、孔隙率相对可控，以及能够以可预测的方式集成到紧凑型电池组装结构中。
由于碳纸不像石墨毡那样厚重，因此在需要较小电极厚度或精确层间尺寸的场合可能更有用。不过，其柔顺性较低，这意味着界面平整度和压缩控制可能更加关键。
各项属性必须协同发挥作用
孔隙率与电接触之间的平衡
高孔隙率能够改善电解液可达性并增加反应面积，但过度压缩会使孔隙塌陷并限制流动。相反，压缩不足会增加接触电阻，并导致电流分布不均。
实际目标并不是单纯追求最大孔隙率，而是通过受控压缩，在与双极板和膜侧界面形成低电阻接触的同时，保持有用的渗透性。
润湿性与反应动力学之间的平衡
碳纤维必须能够被水性电解液充分润湿，使钒离子能够进入电极内部结构。疏水或润湿不良的区域会降低有效反应面积。
表面氧化和其他功能化方法可以改善亲水性并加快电荷转移反应，但必须对处理程度进行控制，避免损害长期化学稳定性或机械稳定性。
正负极兼容性
石墨毡和碳纸的一项主要优势在于，它们可以作为全钒电池两侧的电极材料。它们的化学稳定性和广泛的运行兼容性能够简化电池设计和组件采购。
不过，两个半电池仍然具有不同的化学环境，因此应分别评估电极处理方式和运行限制，以适应负极和正极两侧的要求。
了解其中的权衡关系
过度压缩
过度压缩石墨毡电极会减少孔隙体积、限制电解液渗透性并增加流动阻力。它还可能改变有效反应面积，并导致电池内部传质不均匀。
因此，压缩程度应根据最终电极厚度或压缩状态进行规定，而不仅仅依据施加的压力。
压缩不足
压缩过小可能导致电极与集流体或电极与膜之间的界面出现间隙。其结果可能是界面电阻升高、电流分布不良，以及组装电池中的泄漏或旁路流问题。
活性区域内的均匀压力与标称压缩值同样重要。
未经处理的碳表面
标准石墨毡和碳纸能够提供有用的基准性能，但其固有催化活性对于某些钒反应而言可能有限。与经过适当改性的电极相比，这可能增加活化损耗并降低效率。
表面改性可以有所帮助，但会增加加工复杂性，并且必须验证其耐久性、可重复性以及与酸性电解液的兼容性。
材料和组装差异
不同电极批次之间的纤维密度、厚度、孔隙率、表面状态和切割质量可能存在差异。这些差异可能表现为电荷转移电阻、压降、电压效率或循环性能的变化。
为了进行有意义的比较，实验室应控制电极尺寸、方向、压缩程度、润湿程序和组装压力。
为电池组装选择合适的电极
最佳选择取决于电化学性能与机械集成要求之间的平衡。
对于高电解液可达性
当三维孔隙率、贴合性以及穿过电极的电解液流动是主要优先考虑因素时，应选择石墨毡。它尤其适合实验室电池，因为压缩程度和厚度可以作为可调节的设计变量。
对于受控几何形状
当薄型结构、尺寸一致性和更受控的电极轮廓十分重要时，应选择碳纸。只要电池组件足够平整且压缩界面得到良好控制，碳纸就能简化可重复的组装过程。
对于改善反应动力学
当基础电极活性导致过高的活化损耗时，可以考虑使用经过处理的碳表面。应通过充放电效率、界面电荷转移电阻和耐久性测试评估热氧化或其他表面改性方法。
根据目标做出正确选择
材料应与电池的流动设计、集流体、膜和压缩方式结合起来进行选择。
- 如果主要关注电解液传输和可接触反应面积：使用多孔石墨毡，并优化其压缩程度，在保持良好电接触的同时维持流动通道。
- 如果主要关注尺寸控制和可重复组装：使用碳纸，并严格控制其厚度、平整度和界面压力。
- 如果主要关注降低活化损耗：评估经过表面处理的碳电极，并通过电化学测试和长期循环确认其改进效果。
- 如果主要关注可靠的实验室对比：统一电极尺寸、压缩状态、润湿条件、接触电阻和组装流程。
成功的VRFB电极并不只是电导率或孔隙率最高的材料；它应当是在实际电池运行条件下保持化学稳定性、反应可达性、传质能力和接触质量的碳结构。
总结表：
| 属性 | 重要性 | 石墨毡 | 碳纸 |
|---|---|---|---|
| 化学稳定性 | 耐受酸性/氧化性电解液 | 优异 | 优异 |
| 电导率 | 降低欧姆损耗 | 良好 | 良好 |
| 孔隙率 | 提供反应位点和流动通道 | 高（三维） | 中等 |
| 机械柔韧性 | 贴合性 | 高 | 低 |
| 尺寸控制 | 厚度均匀性 | 低 | 高 |
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