Page 47 - 《精细化工》2021年第4期

第 4 期 曹德富，等: 电化学流体电容器的研究进展 ·681·

应力的类固体状黏弹性体，除去电场后又能迅速恢 从而更好地适用于实际应用场景。以上取决于半固
复到低黏度状态 [65] 。因此，研究流体电极的电流变 态流体电极微结构及其在流体状态下的电学、流变
学具有很大的实际意义。介质流变学是一种功能强 学和电化学特征。因此，在其微结构设计时，需要
大的技术，可以评估浆料流动条件下微观组织的演 综合考虑各方面因素以及多学科研究人员的交叉与
变 [64] ，有助于理解电荷渗滤途径和活性物质在悬浮 合作。
电极中排列情况。这些表征分析技术有助于理解流 其次，用于 EFC 的器件或装置对电极材料性能
体电极内部的电子渗滤途径，被认为是一类间接的 的分析有很大的影响。其中，集流体、隔膜等关键
分析方法，不能直接地观察电极的微观结构。 部件直接与浆料接触，对电池的影响很大。好的集
使用 SRXTM 可以获得双相（双相是指半固态 流体应具备高的导电性，良好的电化学稳定性，不
浆料存在固液两相）流动电极的三维电子渗滤途径。 与浆料发生反应，EFC 中常见的集流体材料是经特
对这些体系进行物理建模，进而可以估计材料体系 殊处理的碳材料和铜、铝等金属材料。开发具有三
的性能（孔径分布、聚集尺寸和连通性等）。HATZELL 维结构的集流体对于提升浆料的利用率有重要意
等 [49] 利用 SRXTM 技术表征了不同碳负载量浆料的 义；隔膜的国产率低、技术壁垒较高，隔膜的性能
结构特性，结果表明：低碳负载量流动电极由于碳 决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的
容量、循环以及安全性能等特性，开发性能优异的
颗粒网络不连续，导致电极材料利用率降低。目前
隔膜对提高电池的综合性能具有重要意义。
仍需要开发直接方法来观察流体电极的底层微观结
最后，结合先进的表征分析技术深入理解浆料
构，未来利用具有亚秒级 XTM 能力的同步加速器
的电荷渗滤与充电机制，浆料与集流体、固体材料
源，将会帮助人们更好地理解在流动过程中浓缩悬
（活性材料，导电剂）与电解液等之间的界面科学
浮电极的形变动力学。
问题，特别是利用先进的测试技术，实时测量浆料
4 结束语与展望 的导电性和黏度随剪切速率的变化，结合三维扫描
技术重构流体电极的三维微结构，建立理论模型，
EFC 是一种可用于大规模储能领域的电化学储 分析半固态浆料内部固体颗粒三维结构对电极导电
能技术，得益于其高功率和较长的循环使用寿命， 及流变特性的影响机制，对实现可扩展的能量存储
能够同时响应能源波动与消耗的快速变化，有望用 至关重要。
于即时和持续利用可再生能源领域。目前，对于 EFC 在上述基础上，围绕典型应用场景，最终实现
的研究主要集中于流体电极微结构设计（主要包括 高效、实用的基于 EFC 的储能器件的设计与开发。
活性材料和电解液）、用于 EFC 的器件研发以及先
参考文献：
进的表征和测试技术等方面。
[1] CARBAJALES D M, BARNHART C J, BENSON S M. Can we
首先，半固态流体电极是 EFC 的核心部分，其 afford storage? Adynamic net energy analysis of renewable electricity
微结构设计是实现高性能 EFC 器件的关键。由于 generation supported by energy storage[J]. Energy Environ Sci, 2014,
7(5): 1538-1544.
EFC 的能量密度远低于锂离子电池等二次电池，提
[2] CHU S, MAJUMDAR A. Opportunities and challenges for a
高其能量密度是主要发展方向之一。目前，提高 EFC sustainable energy future[J]. Nature, 2012, 488(7411): 294-303.
能量密度的有效方法主要有两种：（1）使用高比容 [3] DING C, ZHANG H M, LI X F, et al. Vanadium flow battery for
energy storage: Prospects and challenges[J]. The Journal of Physical
量的电极材料并结合非对称结构设计来提升 EFC 的 Chemistry Letters, 2013, 4(8): 1281-1294.
电压窗口，从而提高器件的能量密度；（2）在活性 [4] PARK M, RYU J, WANG W, et al. Material design and engineering
of next-generation flow-battery technologies[J]. Nature Reviews
材料/电解液界面上或电解液内引入可发生快速法
Materials, 2017, 2: 16080.
拉第反应的材料或氧化/还原电对，以提供额外的电 [5] ARMAND M, TARASCON J M. Building better batteries[J]. Nature,
2008, 451(7179): 652-657.
荷存储，进而达到提高流体电极整体的功率和能量
[6] DUNN B, KAMATH H, TARASCON J M. Electrical energy storage
密度的目的。而且，半固态流体电极是动态材料系 for the grid: A battery of choices[J]. Science, 2011, 334(6058): 928-935.
统，在流动过程会引起底层材料排列结构的变化， [7] BUDT M, WOLF D, SPAN R, et al. A review on compressed air
energy storage: Basic principles, past milestones and recent
并导致材料体系的高度异构和非均匀性，破坏电极 developments[J]. Applied Energy, 2016, 170: 250-268.
内部存在的三维导电网络，从而降低电极的电化学 [8] PRESSER V, DENNISON C R, CAMPOS J, et al. The electrochemical
flow capacitor: A new concept for rapid energy storage and recovery
性能。因此，通过半固态流体电极微结构设计与调 [J]. Advanced Energy Materials, 2012, 2(7): 895-902.
控，尽可能地促使半固态流体电极内部形成连续导 [9] NGUYEN T, SAVINELL R F. Flow batteries[J]. The Electrochemical
Society Interface, 2010, 19(3): 54-56.
电网络，提高器件的倍率性能。同时，为了减少驱
[10] OSHIMA T, KAJITA M, OKUNO A. Development of sodium-sulfur
动浆料流动的能耗，要尽量降低流体电极的黏度， batteries[J]. International Journal of Applied Ceramic Technology,