秸秆碳复合电极对钒液流电池内多组分传输过程影响机制研究

The two major challenges facing the field of redox flow batteries are the development of materials with high ion/electron transport and electro-catalytic properties, and a profound understanding of the phenomena and laws of multi component transport in the system. In this project, experimental and numerical studies will be conducted for following aspects: 1) the synergy between synthesis process of carbon materials and thermal/electrochemical properties, and the coupling mechanism between structure and electron transfer; 2) the mechanism of interaction between inter system mass and energy transport and dynamics of electrochemical reactions. The conversion of straw to carbon composite electrode material will be obtained by experiment, and based on the experimental results, a mathematical model is established to study the transfer phenomena of multi-component in the system. Finally, the electrode will be improved according to the experiment and simulation results.

开发具有高离子/电子传输和电催化性能的材料，以及深刻理解系统内多组分传输现象和规律，是液流电池储能领域所面临的重要挑战。本课题使用农业废弃物作为原料制作碳复合电极，对其合成过程与热-电性能的协同匹配规律及其结构与电子传递的耦合机制，以及其在液流电池系统内部对质量、能量的传递与电化学反应动力学的相互作用机制进行实验和模拟研究。通过实验手段获得秸秆向碳复合电极材料的转换规律，并基于实验结果建立数学模型研究各组分在电池内部的传输现象，获得各组分的传递规律，最后根据实验和模拟结果对电极进行改进。本项目研究内容涉及多个学科交叉，具有重要的学术意义和科学价值，研究成果对于掌握农业废弃物利用及液流电池关键基础问题与基本设计原理具有重要的现实意义。

开发具有高离子/电子传输和电催化性能的材料，以及深刻理解系统内多组分传输现象和规律，是当今国际液流电池储能领域的研究热点。同时，农业废弃物的资源化利用是当今农业与农村可持续发展的一个重要课题，也是一项十分重要而紧迫的研究任务。本项目以秸秆碳复合电极对钒液流电池内多组分传输过程影响机制为研究对象，针对秸秆碳复合材料热-电性能合成控制及成型机理、液流电池内秸秆碳复合电极材料热-电性能与组分传输匹配规律研究开展研究，具体包括：.首先，使用秸秆作为原料制作碳复合电极，获得了秸秆碳材料的材料学、热力学和电化学特性，研究了前驱体和活化剂比例、粘结剂以及碳化温度等工艺条件对材料性质和结构的匹配规律，揭示了秸秆碳复合材料热-电性能合成控制及成型机理，为低成本碳电极的设计提供依据。其次，建立了液流电池多组分传输数学模型，发展了相应数值求解方法，揭示出秸秆碳复合电极材料热-电性能与组分传输匹配的规律，为实现后续研究即系统内各组分传输过程的优化匹配奠定一定的基础。最后，构建秸秆碳复合电极液流电池系统，并进行实际电池性能测试，结果显示使用秸秆碳复合电极可以满足大电流充放电的需要，在200 mA cm-2的电流密度下，使用秸秆碳复合电极的电池放电容量为11.7 Ah L-1，使用碳纸为电极的电池的放电容量仅为8 Ah L-1，比后者高46%。结果表明秸秆碳复合电极表面具有比表面积大、表面无序化程度高，具有丰富的缺陷位以及较高的官能团含量等特点，可以为氧化还原反应提供更多的活性位点，反应活性得到大幅提升，因此制得的碳复合电极表现出良好的充放电性能。本项目发现的以提高比表面积和吸附性为目标的碳复合电极合成控制和组分传输规律的成果，能够为新型碳复合电极的设计和液流电池系统提供科学理论与方法支撑。.基于以上成果，项目负责人共发表标注基金资助的SCI检索论文1篇，EI检索论文1篇，国际会议论文2篇，参与国内外学术会议12人次。项目执行期间，项目组共有2位硕士毕业。