Page 45 - 《精细化工》2021年第4期
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第 4 期 曹德富，等: 电化学流体电容器的研究进展 ·679·
CAMPOS 等 [19] 的研究表明，相较于不规则形状的固 的机械功率。其中，润滑剂是电化学惰性的，且不
体材料，含有（类）球形固体材料的半固态浆料具 会与电解液发生反应。将这一技术运用到实际应用
有更低的黏度；第 2 种方法是在活性材料表面包覆 中，或可使泵送高黏度浆料的驱动能耗大大降低。
导电层，由于浆料中低密度的导电剂的含量被大幅 CHEN 等 [61] 利用具有三维结构的碳毡作为集流体，
降低，浆料的黏度显著降低；第 3 种方法是向体系 不添加导电剂，利用碳毡为磷酸铁锂（质量分数为
中添加适量的表面活性剂，以降低颗粒间的范德华 40%）浆料提供导电网络，测试发现该电极在流动
力，从而降低电极的黏度。MADEC 等 [57] 在浆料加 状态下仍具有良好的稳定性和较高的体积比容量，
入辛基苯酚乙氧基化物（TX-100），这种非离子型 同时由于没有添加导电剂，电极的黏度显著降低。
表面活性剂通过减少 KB 初团聚体之间的吸引力， 制作流槽垫圈的材料需要具有耐有机、耐酸碱
显著改善了浆料的流变性能和电学性能。WU 等 [59] 等特性，一般为特氟龙或特种橡胶（如含氟橡胶
通过向高负载量的硅（Si）负极浆料中加入不同比 等），流槽形状一般为长且窄的矩形。DENNISON
例的非离子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和
等 [50] 在研究流槽深度（0.5~3 mm）对流体电极的电
TX-100，其中 PVP 通过 Si—CH 2 键附着在硅纳米粒
导率和有效电容的影响时发现，随着流槽深度增加，
子表面，减轻了硅纳米粒子在浆料中的空间相互作
厚电极的电容会快速衰减，流体电极的利用率逐渐
用，从而降低了浆料的黏度；而 TX-100 由于会与
下降。其后续的研究中指出，有效充放电发生在距
电解液中的锂盐发生反应，不适于降低使用含锂盐
离集流体约 0.75 mm 的范围内 [62] 。流体电极厚度超
电解液浆料的黏度。第二种方法目前主要用于半固
过 0.75 mm，比电容和长循环性能等会受到影响。
态流体电池，可供 EFC 借鉴。此外，部分活性物质
经氧化后制备的浆料其黏度也会降低。HATZELL 3 测试与表征分析技术
等 [30] 通过酸处理的方法氧化 AC，使得活性炭颗粒
表面的酸性和亲水性增强，疏水作用减弱，从而降 探索电化学流动电极的电荷渗滤与充放电机制
低了浆料的黏度。 对于流动电极的能量存储至关重要。流动电极是动
态材料系统，具有可存储电荷、去离子化和流动的
2 用于 EFC 的器件设计 能力。在流动过程会引起底层材料排列结构的变化，
并导致材料体系的高度异构和非均匀性 [49] 。因此，
除了半固态流体电极的微结构设计外，器件对
开发测试和表征流体电极的器件和技术，对于理解
于 EFC 的电化学性能也有非常大的影响。通过对
EFC 的器件结构进行优化 [50] ，可以使其性能最大限 如何有效地实现电荷渗滤是非常重要的。
3.1 流体电极测试器件
度地发挥出来。总的来说，器件需要具有优良的密
封性和导电性，以及一定的机械强度。图 8 是 EFC DENNISON 等 [62] 开发了一种可用于测量局部
器件结构的简略示意图，主要包括集流体、隔膜、 电压的器件。图 9a 为常规的流体电池组件，包括
流槽垫圈及外壳等关键部件。 集流体、流道垫圈以及外壳等组件。图 9b 为使用特
殊电极阵列的流道垫圈，在流道内特定位置引入直
径为 0.74 mm 的不锈钢导线作为电压探针来测量电
池内部的局部电压，图 9c 为 z 轴和 x 轴方向电极阵
列的位置示意图，图 9d 和图 9e 分别为对应的等效
电路图，可以实时测量获取原位空间分布电压。实
验发现，在流动过程中，电池中存在明显的电荷梯
度，离集流体较远区域的活性材料的电阻较大，因
此未被充分利用。流体电极中的大部分充放电发生
图 8 EFC 的器件结构示意图
Fig. 8 Schematic diagram of EFC device 在距离集流体约 0.75 mm 处，流动单元内部可能存
在显著的空间梯度和分层的充电机制，降低了系统
集流体一般用碳板、碳纸等碳材料，也可以使 效率和材料利用率。SUMMER 等 [63] 建立了基于有
用金属材料（一般是铜板和铝板）。在半固态电池器 限元方法的数学模型，模拟了流道的几何形状和深
件的研究中，SOLOMON 等 [60] 采用润滑剂浸渍流体 度对电流密度分布的影响，并设计器件进行实验，
电池器件表面（LIS）的方法，证明了低流速下 LIS 模拟结果与实验数据有较好的吻合。该模型对优化
与流体电池器件的常规表面相比，可节省高达 86% 器件设计有一定的参考意义。
