📄 本實驗室論文

Enhanced Electrochemical Performance of Vanadium Redox Flow Batteries Using Li₄Ti₅O₁₂/TiO₂ Nanocomposite-Modified Graphite Felt Electrodes

使用 Li₄Ti₅O₁₂/TiO₂ 奈米複合材料改質石墨氈 electrodes 以提升釩氧化還原流電池電化學效能之研究

ChemElectroChem, 12 (2025) e202400477 | DOI: 10.1002/celc.202400477

作者：Zih-Jhong Huang, Daniel Manaye Kabtamu, Aknachew Mebreku Demeku, Guan-Cheng Chen, Ning-Yih Hsu, Hung-Hsien Ku, Yao-Ming Wang, Tai-Chin Chiang, Chen-Hao Wang*

📄 英文摘要

In this study, Li₄Ti₅O₁₂ (LTO) and TiO₂ nanocomposites uniformly were synthesized on the heat-treated graphite felt (HGF) through hydrothermal and heat treatment methods, denoted by LTO/TiO₂@HGF, which acts as effective electrocatalysts to enhance the electrochemical activity in vanadium redox flow battery (VRFB) systems. The cyclic voltammetry (CV) curves of the LTO/TiO₂@HGF show higher peak current densities and smaller peak separation than TiO₂@HGF, HGF, and pristine graphite felt (PGF) for catalyzing V²⁺/V³⁺ and VO₂⁺/VO²⁺, indicating superior electrochemical activity of LTO/TiO₂@HGF. The VRFB using LTO/TiO₂@HGF as the positive and negative electrodes demonstrates an energy efficiency of 82.89 % at 80 mA cm⁻². When the VRFB using LTO/TiO₂@HGF is applied at a high current density of 200 mA cm⁻², it still shows an energy efficiency of 62.22 %. However, the VRFB using PGF cannot perform any performance, and the VRFB using HGF only performs 51.94 %. This improvement can be attributed to the uniform distribution of LTO/TiO₂ nanowires on the surface of the graphite felt and the presence of oxygen vacancies on LTO/TiO₂, which increased the number of active sites for vanadium ion absorption.

📄 中文摘要

本研究透過水熱法與熱處理法，在熱處理石墨氈（HGF）上均勻合成 Li₄Ti₅O₁₂（LTO）與 TiO₂ 奈米複合材料（簡稱 LTO/TiO₂@HGF），作為有效電催化劑以提升釩氧化還原流電池（VRFB）系統的電化學活性。LTO/TiO₂@HGF 的循環伏安（CV）曲線在催化 V²⁺/V³⁺ 與 VO₂⁺/VO²⁺ 氧化還原對時，展現比 TiO₂@HGF、HGF 及原始石墨氈（PGF）更高的峰電流密度與更小的峰位差，顯示 LTO/TiO₂@HGF 具有優異的電化學活性。以 LTO/TiO₂@HGF 作為正負極的 VRFB 在 80 mA cm⁻² 電流密度下達到 82.89% 的能源效率。當 VRFB 在 200 mA cm⁻² 高電流密度下運行時，仍維持 62.22% 的能源效率。然而，使用 PGF 的 VRFB 無法正常運作，使用 HGF 的 VRFB 僅有 51.94%。此效能提升可歸因於 LTO/TiO₂ 奈米線均勻分布於石墨氈表面，以及 LTO/TiO₂ 上存在氧缺陷，增加了釩離子吸附的活性位點數量。

🔬 五項核心重要發現

LTO/TiO₂@HGF 複合电极展現優異電化學活性： CV 結果顯示，LTO/TiO₂@HGF 在催化 V²⁺/V³⁺ 與 VO₂⁺/VO²⁺ 氧化還原對時，具有比 TiO₂@HGF、HGF 及原始石墨氈（PGF）更高的峰電流密度與更小的峰位差（ΔEp），代表其電化學可逆性與反應動力學顯著提升。

單電池能源效率達 82.89%（80 mA cm⁻²）： LTO/TiO₂@HGF 作為正負極的 VRFB 在 80 mA cm⁻² 電流密度下實現 82.89% 的能源效率（EE），遠優於 HGF（51.94%），而在 200 mA cm⁻² 高電流密度下仍維持 62.22% 的 EE，展現寬電流密度操作潛力。

零應變特性與結構穩定性： Li₄Ti₅O₁₂ 具有「零應變（zero-strain）」特性，在充放電過程中晶格變化極小，確保長期循環的結構完整性，這對於 VRFB 的長壽命需求特別重要。

均勻奈米線結構與氧缺陷增加活性位點： XRD 確認 LTO（JCPDS 49-0207）與 TiO₂（銳鈦礦與金紅石，JCPDS 89-4920/89-4921）的複合相形成；SEM 顯示 LTO/TiO₂ 奈米線均勻生長於石墨氈纖維表面，提升比表面積與電解液浸潤性，增加釩離子吸附的活性位點。

雙相複合材料的導電性提升： LTO/TiO₂ 雙相複合材料結合了 TiO₂ 較高的理論容量（336 mAh g⁻¹）與 Li₄Ti₅O₁₂ 的結構穩定性，同時透過界面效應提升電子與離子導電率，改善了純 Li₄Ti₅O₁₂ 導電性不足的問題。

📊 關鍵圖表