石墨复合材料和高孔隙率碳毡的结合是水系液流电池的标准配置，因为它同时解决了化学耐久性和反应效率的问题。石墨复合材料作为坚固、导电的骨架，能够抵抗电解质的腐蚀性，而碳毡则提供了一个巨大的多孔网络，最大限度地增加了电化学反应的可用表面积。
这种配置旨在最大限度地减少“过电位”——驱动电池反应所需的额外能量。通过降低电阻和增加活性表面积，这种组合显著提高了电池的整体能量效率，并确保了电解质材料的更好利用。
石墨复合集流体作用
集流体充当电池内部化学物质与外部电路之间的桥梁。在水系液流电池中，该组件面临着重大挑战。
抵抗化学侵蚀
液流电池中的电解质通常具有高酸性或腐蚀性。石墨复合材料在这些水性环境中提供了出色的耐腐蚀性。
与可能随时间降解或溶解的金属不同，石墨复合材料保持了其结构完整性。这种稳定性可防止电解质污染，并确保电池堆的长使用寿命。
确保高效的电子传输
除了耐用性之外，该组件的主要任务是高导电性。
石墨复合材料允许电子在放电期间自由流出电池，并在充电期间流回电池。高导电性对于防止电阻加热和降低系统输出的压降至关重要。
高孔隙率碳毡电极作用
虽然集流体移动电子，但电极是实际发生化学变化的地方。碳毡的物理结构在这里至关重要。
增加活性表面积
液流电池中的化学反应发生在电极表面。高孔隙率碳毡的作用类似于致密的泡沫，与平面材料相比，提供了显著增加的电化学活性表面积。
这个巨大的内部表面允许同时发生更多的反应。它将有限的几何区域转变为供电解质相互作用的大量功能区域。
降低过电位
当电池在高电流下运行时，由于动力学限制，效率通常会下降。碳毡的高表面积通过降低任何特定点的局部电流密度来对抗这一点。
这种配置在高电流充电和放电循环期间有效地降低了过电位。较低的过电位意味着更少的能量以热量的形式浪费，从而提高了电压效率。
协同作用：为什么必须结合使用
任何一种材料单独工作都不完美；它们作为一个统一的系统来优化性能。
提高材料利用率
为了使液流电池具有成本效益，它必须尽可能多地利用电解质中的活性物质。
导电集流体和高表面积电极的组合确保电解质深入渗透到电极结构中。这导致材料利用率提高，使电池能够充分利用液体燃料的全部能量容量。
平衡流动和导电性
多孔毡允许电解质液体物理地流过它，而固体复合板则在电学上引导电子流。
它们共同将离子传输（液体流动）与电子传输（电流流动）分离开来。这种分离允许工程师在不牺牲电气连接的情况下优化流速。
理解权衡
虽然这种组合很有效，但它带来了特定的工程挑战，必须加以管理以维持性能。
界面接触电阻
碳毡接触石墨复合材料的边界可能会成为瓶颈。
如果接触不良，会产生高电阻，从而抵消材料的优势。毡通常被压缩在复合材料上以确保连续的导电路径，但这需要精确的机械设计。
压缩与孔隙率
碳毡的压缩量存在微妙的平衡。
更高的压缩度可以改善与集流体的电气接触。然而，过度压缩会降低孔隙率，使电解质更难通过毡。这会增加液压和泵的能耗，降低整体系统效率。
为您的目标做出正确选择
为了有效地利用这些材料，您必须将您的设计选择与您的具体性能目标保持一致。
- 如果您的主要重点是高能量效率：优先考虑碳毡的质量，以最大限度地提高表面积并最大限度地减少过电位，从而确保在循环过程中尽可能低的能量损失。
- 如果您的主要重点是长期耐用性：关注石墨复合材料的密度和成分，以确保针对您的特定电解质化学物质具有最大的耐腐蚀性。
通过优化这两种不同碳材料之间的界面，您可以创建一个既耐化学腐蚀又电化学性能强大的液流电池堆。
总结表：
| 组件 | 主要材料 | 主要功能 | 关键优势 |
|---|---|---|---|
| 集流体 | 石墨复合材料 | 电子传输和化学屏障 | 耐腐蚀性和高导电性 |
| 电极 | 高孔隙率碳毡 | 电解质反应位点 | 增加表面积和低过电位 |
| 界面 | 压缩连接 | 最大限度地减少接触电阻 | 跨组件的高效能量传输 |
| 系统结果 | 组合堆栈 | 分离离子/电子流 | 提高材料利用率和电池寿命 |
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参考文献
- Ivan A. Volodin, Ulrich S. Schubert. Evaluation of <i>in situ</i> thermal stability assessment for flow batteries and deeper investigation of the ferrocene co-polymer. DOI: 10.1039/d3ta05809c
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
