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🤝 共同合作論文

High entropy alloy oxide coating of VNbMoTaWOx as a novel electrode modification of vanadium redox flow batteries

高熵合金氧化物鍍層 VNbMoTaWOx 作為釩氧化還原液流電池之新型电极改質方法

Journal of Energy Storage 94 (2024) 112344 (Elsevier) | DOI: 10.1016/j.est.2024.112344
作者:Krishnakant Tiwari, Chen-Hao Wang, Bih-Show Lou, Chaur-Jeng Wang, Igamcha Moirangthem, Ismail Rahmadtulloh, and Jyh-Wei Lee*

📄 英文摘要

The vanadium redox flow battery (VRFB) is the leading candidate for a large-scale renewable energy storage solution. A pivotal element of the VRFB, the electrode, plays a significant role in influencing both the energy efficiency and the cost of the system. This research introduced a groundbreaking single-step technique employing high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) to enhance graphite felt (GF). Through this method, a thin layer of VNbMoTaW high entropy alloy oxide (HEAO) was uniformly coated on the GF surface by adjusting the oxygen gas flow, markedly boosting the VRFB electrode's reaction kinetics. The VRFB equipped with the HEAO-modified graphite electrode, specifically the HEAO50 electrode, demonstrated a superior energy efficiency of 80.50% at a current density of 100 mA cm⁻², outperforming the VRFB with the unmodified graphite electrode by 9.49%. These results are attributed to the plenty of oxygen vacancies and enhanced hydrophilicity of the GF, both of which contribute to improved electrode performance. Additionally, the amorphous structure reduces ion diffusion distances, further enhancing mass transportation and reaction kinetics within the GF electrode. This inventive method presents a viable and cost-effective strategy for electrode enhancement in VRFB, promising significant advancements in renewable energy storage technologies.

📄 中文摘要

釩氧化還原液流電池(VRFB)是大規模再生能源儲能的首選方案。作為 VRFB 的關鍵元件,電極對系統的能源效率與成本有著重大影響。本研究引入了一種創新的單步技術——利用高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)來增强石墨氈(GF)。透過此方法,僅需調整氧氣流量,即可在 GF 表面均勻鍍上一層薄薄的 VNbMoTaW 高熵合金氧化物(HEAO)鍍層,大幅提升 VRFB 電極的反應動力學。配備 HEAO50 改質石墨氈电极的 VRFB,在 100 mA cm⁻² 電流密度下達到優異的 80.50% 能量效率,較未改質石墨氈电极提升了 9.49%。此結果歸因於 GF 豐富的氧空位與增强的親水性,兩者共同贡献於改善的 electrode 性能。此外,HEAO 的非晶結構縮短了離子擴散距離,進一步增强了 GF 电极內部的質量傳輸與反應動力學。此創新方法為 VRFB 的电极增强提供了一個可行且經濟高效的策略,為再生能源儲能技術帶來重大突破。

🔬 五項核心重要發現

1
HiPIMS 單步鍍膜技術:首創以高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)於石墨氈上鍍製 VNbMoTaW 高熵合金氧化物(HEAO)鍍層,實現快速且均勻的电极改質,取代傳統繁瑣的熱處理或化學處理方法。
2
80.50% 能量效率 @ 100 mA cm⁻²:HEAO50 改質电极較未改質石墨氈提升 9.49% 能量效率,展現高熵合金氧化物鍍層於 VRFB 电极改質之卓越效果。
3
250 次循環穩定:HEAO 鍍層與石墨氈間的強附著力,使庫倫效率(CE)、電壓效率(VE)與能量效率(EE)在 250 次充放電循環中保持穩定,驗證長期操作性。
4
非晶結構 + 氧空位 + 親水性:HEAO 非晶結構縮短離子與電子擴散路徑,豐富氧空位提供更多活性位點,增强親水性促進電解質浸潤,三者協同增强質量傳輸與反應動力學。
5
較傳統方法電流密度提升 2.5 倍以上:與傳統石墨氈改質方法相比,HiPIMS HEAO 鍍層方法使電流密度提升超過 2.5 倍,為电极改質技術樹立新標竿。

📊 關鍵圖表

圖 10:石墨氈(GF)與 HEAO50 鍍層石墨氈之電化學性能。(a)充放電曲線;(b)庫倫效率(CE)、(c)能量效率(EE)、(d)電壓效率(VE)於 80、100、120 mA cm⁻² 電流密度下之比較。
圖 12:與傳統石墨氈改質方法之能源效率比較,於 80 mA cm⁻² 電流密度下。本研究之 HEAO50(以紅星標示)優於所有傳統方法,驗證 HiPIMS HEAO 鍍層技術之優越性。